薄料層煤氣化燃燒特性研究

文章編號:1001 - 6980020004薄料層煤氣化燃燒特性研究王瑩(大連海事大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院,大連116026)摘要:根據氣化燃燒的實(shí)驗研究結果,討論了氣化燃燒過(guò)程的主要特征,并針對過(guò)程中各種成分的變化規律進(jìn)行了分析,說(shuō)明這一燃燒方式在環(huán)保方面具有一定的優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞:層燃爐;氣化燃燒;過(guò)量空氣系數中圖分類(lèi)號:TQ541文獻標識碼:AResearching the Characteristic of ThinCoal Layer Gasification CombustionWANG Ying( Istitue of Automatization and Eletric Engineering of Dalian Marine Uniersity , Dalian 116026, China )Abstract; Based on the researching result of gasifcation combustion, this paper discusses the main characteris-tic of the gasifcation combustion process.It is analyzed that the rule of the component changing in the process ofgasification combustion. All of this proves that the mode of gasification combustion has the merits in the environmentprotection.Key words: layer combustion fumace; gasification combustion; excessive air cofficient0引言對環(huán)境的污染。本文介紹的固定床煤氣化燃燒爐是在傳統氣化爐的基礎上,采用了薄料層低風(fēng)速技術(shù)，煤炭占我國能源構成的75%，目前我國煤炭利而且在爐膛的不同高度加裝了旋流射流二次風(fēng),采用一直以直接燃燒為主,效率低，環(huán)境污染嚴重,因此用分級送風(fēng),分段燃燒,這樣既加快了反應速度,延實(shí)現煤的高效.低污染燃燒對我國環(huán)境質(zhì)量的改善具長(cháng)了飛灰炭粒在爐內停留的時(shí)間,降低了煙氣中灰有十分重要的意義川。在目前眾多的工業(yè)鍋爐(爐塵的攜帶量,提高了碳的轉化率,同時(shí)降低了煙氣的窯)中,由于燃燒不完全造成排渣的炭含量很高;火焰林格曼黑度。固定床煤氣化燃燒爐具有煤種適應性溫度不均勻造成過(guò)燒現象。由于通常的鼓風(fēng)量較大，強，氧化和還原并存等特點(diǎn),它變固體燃燒為氣體燃煙氣流速較高使得被夾帶的飛灰炭粒在爐膛內來(lái)不燒,爐溫均勻,加熱速度快;可減少工業(yè)鍋爐在燃燒及燃盡而排出爐外,煤的燃燒效率和熱效率都很低，過(guò)程中 和燃燒過(guò)程后的黑煙問(wèn)題。既造成能源的浪費,也帶來(lái)了嚴重的環(huán)境污染。用空氣將煤氣化后再將煤氣在同-爐膛內進(jìn)行1 固定床氣化系統工藝流程及 實(shí)燃燒,是對上述燃煤裝置改造的合理途徑,并可減少哈夕件中國煤化工收稿日期:2003-02-28CNMHG作者簡(jiǎn)介:王瑩(1975- -),女,助教,博士研究生.大連海事大1. 1H學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院,現從事船舶機電-體化研究.固定床煤氣化燃燒系統是由煤制備單元、蒸汽4《工業(yè)妙》第25卷第2期2003年5月鍋爐、送風(fēng)機、加料、除灰系統、氣化爐過(guò)程控制與角偽89的對流受熱面,然后離開(kāi)氣化爐的頂部。數據采集系統和分析單元等主要部分組成，實(shí)驗裝氣化爐實(shí)驗裝置流程中所有主要的工藝參數包置如圖1示。括溫度流量、料位均被測量,并由數據采集系統采集后送計算機處理,氣化風(fēng)量由氣體質(zhì)量流量計控制。氣化爐操作時(shí)的煤氣成分由氣相色譜分析儀進(jìn)行分析,固體物料(床料、除灰、飛灰)由現場(chǎng)的分析儀器進(jìn)行化驗。1.2實(shí)驗用煤樣I類(lèi)煙煤,煤質(zhì)分析如表1所示。表1煤質(zhì)分析ChTO.NTS.T AW.| Va/能/%%1%/%%%/% 1k46.53.060.110.86 1.9432.489.00 |38.5 17 693.62氣化燃燒過(guò)程煤層在受熱條件下,其表面主要發(fā)生下列反應:(a)C+ 02= CO2,(b)C+ 1/2.02 = C0,(c)C+CO21.對流受熱面2.給媒斗 3.二次風(fēng)口 4.灰斗5.水央套6.爐門(mén) 7.排污管 8.煙氣出口=2CO,(d)CO + 1/2.02 = CO2,(e)C+ H0= Co+ H圖1媒氣化無(wú)煙燃燒熱態(tài)試驗臺常規燃燒時(shí),煤層發(fā)出大部分的熱,在燃燒室上層空間,實(shí)際上是一些揮發(fā)物以及煤層中固體燃料固定床鍋爐是實(shí)驗系統的中心設備,設計壓力的氣化生成物在空中燃燒所產(chǎn)生的熱,此時(shí)煤層的0.4 MPa,爐膛出口煙溫6=850 C,蒸發(fā)量D=0.1發(fā)熱程度可估計為0.2-0.812。當采用氣化燃燒Vh,給水溫度lp =20 C,鍋爐本體高2 m,外徑700時(shí),爐膛內的反應分成兩部分。由于局部送風(fēng),(b)、mn,內徑500 mm。(c)由副反應轉變?yōu)橹鞣磻?。此時(shí),煤層的主要作用在實(shí)驗系統中共設有10 個(gè)溫度測點(diǎn),在爐膛不只是使固體燃料氣化,而氣化生成物轉移到爐膛上同高度和爐膛出口設有I0個(gè)氣體取樣點(diǎn)。部燃燒其結果是改變了總體反應的等效活化能;在原料煤制備單元為氣化爐準備約16 mm的原料第二部分中,二次風(fēng)采取分層布置每層都能形成不煤,由螺旋給煤機給煤,氣化后的灰渣則由自破渣滾同半徑的切圓,產(chǎn)生強烈的旋渦運動(dòng),提高了氣化燃動(dòng)爐排破碎后,由底部排入灰斗中。爐門(mén)處安裝了燒的宏觀(guān)燃燒速率。此時(shí)煤層的總發(fā)熱能力有一定窺鏡可直接觀(guān)察到爐內工作狀況。實(shí)驗用料層分別提高,而過(guò)量空氣大為減少。為300mm和400mm。常規燃燒時(shí),燃燒反應(a) - (e)只能在燃料層的在試驗系統中,為了使氣化風(fēng)均勻地進(jìn)入爐膛,表面上發(fā)展。當采用氣化燃燒時(shí),由于C氣化反應是在試驗臺底部風(fēng)箱上加裝了兩個(gè)氣化風(fēng)入口,這兩.吸熱反應,加上二次風(fēng)的強烈的擾動(dòng)作用,氣化反應個(gè)人口接在同一主風(fēng)道上,分別裝有獨立的閥門(mén)和不但在煤層的較大高度上發(fā)展,而且在煤層顆?？紫掇D子流量計。氣化劑分兩路由氣化爐底進(jìn)入,第一的內部也有很大的發(fā)展。因此,煤層中可以轉變?yōu)橥曷酚芍行墓艿酪暂^高速度進(jìn)人，用以加強氣化爐內全燃燒生成物焓的大量自由熱,都將重新變?yōu)槊簩铀幕覉F聚過(guò)程,并起控制灰排出的作用,顆粒長(cháng)大到產(chǎn)生可燃氣體的化合熱，而且所需的二次空氣量將顯一定程度的灰料則與該氣流逆向接觸被有選撣地排著(zhù)減中國煤化工所能發(fā)出的熱量要出:氣化爐在900 C~1 050 C溫度下操作,產(chǎn)生的比第-1HCNMHG溫的份額很大,而煤氣在950 C左右攜帶細粉飛灰離開(kāi)爐膛,進(jìn)人傾理論上所需的空氣所占份額卻小得多。5.試驗研究:薄料層煤氣化燃燒特性研究3氣化燃燒的過(guò)量空氣系數8ε7 E-在常規燃燒和氣化燃燒的熱平衡測試中,采用氣化燃燒時(shí),爐膛出口的過(guò)量空氣系數明顯低于常規燃....燒,通過(guò)爐排的一次風(fēng)的空氣系數a值為1.0~ 1. 15,加上二次風(fēng)量,爐膛出口的a值僅有1.1~ 1.3,而常規燃燒是爐膛出口的a值為1.3~ 1.6，這樣前者的排煙熱損失q2值就會(huì )低于后者的q2 值。氣化燃燒過(guò)1.11.21.31.41.S1.6 1.7程形成和強化了兩段燃燒,使煤層和爐排溫度降低，圖2 a對92、93和q4的影響無(wú)高溫結渣,通風(fēng)條件大為改善,氣化燃燒反應中(a)- (e)的部分氣固兩相反應轉化為同相反應,而前者的需氧量比后者大,因此爐膛出口的a降低。當然,a值的大小還會(huì )影響氣體不完全燃燒熱4煙氣黑度的特性損失93和固體不完全燃燒熱損失94, 適當的a值應綜合考慮對q2、q3、q4 的影響，使三者之和為最在煙氣的煙塵當中,有一部分顆粒度只有0.05小21。圖2為a對92>93和94的影響關(guān)系。圖2表~1pum的塵粒,通常稱(chēng)之為炭黑,而炭黑正是形成明,當a=1.1~1.3,92>93、94之和為最小;當a=1.0黑煙的主要因素。許多研究者對碳化氫類(lèi)燃料燃燒~1.6時(shí),q2的變化范圍為5%~8%，q3的變化范時(shí)的炭黑成因進(jìn)行過(guò)詳細研究,文獻[3,4]認為,根圍為0.7%~2.0%,q4的變化范圍為3.4%~據炭黑的生成機理,主要有殘碳型炭黑和氣相析出4.5%;當a> 1.2后,94基本保持不變,92、94值變型炭黑。其中殘碳型炭黑是由于燃燒不完全造成化比常規燃燒時(shí)要小。的，而氣相析出型炭黑的生成是因為燃料在燃燒過(guò)1.0p.9-.8-+氣化風(fēng)76.二次風(fēng)8,二次風(fēng)7 3.化公十個(gè)化風(fēng)76,四次......+氣化風(fēng)量70? 0.6-政0.5-20.4-0.3-7.2時(shí)間/min20253035400510152025303540(a)投入二次風(fēng)時(shí)煙氣黑度的變化(b)不同氣化風(fēng)量下的煙氣黑度圖3氣化燃燒和氣化時(shí)黑度 的對比程放出的氣體可燃物在高溫燃燒不完全的情況下，投人二次風(fēng)時(shí) ,煙氣黑度要比氣化時(shí)要小的多,這是由于熱分解而生成的固體煙塵。炭黑的形成過(guò)程中因為二次風(fēng)采取分層布置,每層都能形成各三種不主要包括兩個(gè)階段,即粒子成核階段和粒子生長(cháng)階相同半徑的切圓,產(chǎn)生強烈的旋渦運動(dòng),使爐膛內的段,大量的炭黑粒子是在火焰峰前高溫缺氧的區域擾動(dòng)加強,空氣與可燃物充分混合,減少了燃料機械形成。在實(shí)驗中通過(guò)監測爐膛出口的煙氣黑度(林不完全H中國煤化工燒損失,可以抑制格曼黑度)來(lái)測定炭黑的含量。圖3中(a)、(b)為氣炭黑的CNMHG總風(fēng)量--定的情況化風(fēng)和二次風(fēng)與煙氣黑度的關(guān)系,從圖中可以看出,下,二次風(fēng)的投入位置、時(shí)間是至關(guān)重要的,二次風(fēng)《工業(yè)爐》第25卷第2期2003年5月的位置越低,即靠近煤層處投入,越能及時(shí)地組織燃更多的燃燒氨被還原成N2.試驗還表明,推遲二次燒,可以減小氣相析出型炭黑的形成;而三次風(fēng)、四風(fēng)的混合, NO2的生成量也會(huì )減少。推遲二次風(fēng)的混次風(fēng)是為了進(jìn)- -步降低粉塵,使可燃氣體完全燃燒。人實(shí)際上是增大了煙氣在揮發(fā)物燃燒區內的停留時(shí)間,也就是增加了還原反應的時(shí)間。這也是和分段燃5氮氧化物(NO,)的排 放燒的原理是相符的。燃料燃燒引起的對大氣環(huán)境的污染,其中危害350F00最大而且最難處理的是氮的氧化物。在鍋爐燃燒過(guò)........250程中生成的氮氧化物幾乎全是NO和NO2 ,通常將這首200兩種氮氧化物稱(chēng)為NO,[5]。在燃料燃燒過(guò)程中,按芝150其生成原理,生成的NO,有三種,即溫度型NO,燃100- -次風(fēng)70,一次風(fēng)18.三次風(fēng)12-料型NO,,快速溫度型NO。o其中NO,排放量主要- -次風(fēng)56,二次風(fēng)18,三次風(fēng)125053691215182124273033取決于燃料型NO元的生成量。為了解決由NO,造時(shí)間/min成的環(huán)境污染,國內外的學(xué)者做了很多研究,其中過(guò)量空氣系數a對燃料型NO%生成的影響較大,圖4圖5采用分級送風(fēng) .分段燃燒時(shí)氮氧化物的變化給出了燃料型NO,與過(guò)量空氣系數a的關(guān)系。由此可見(jiàn)，隨著(zhù)a的降低,燃料型NO,的生成量一直在減少,尤其當a小于1.0時(shí),其生成量急劇下降。所以，6結論為控制燃料NO,的生成,除了采用含N低的燃料,還可以通過(guò)造成區域性還原性氣氛的方法降低NO2的(1)氣化燃燒的反應特征主要是反應分為兩步生成量。進(jìn)行,煤層的作用只是使其氣化,而氣化生成物則到爐膛上部燃燒。100{燃料:CHi +NHi+空氣燃料N! 0.5%(2)氣化燃燒的工作特性可使層燃鍋爐的過(guò)量1.0%空氣系數a減小。排煙熱損失略有增加,但總的熱損，60失減小。(3)針對炭黑的形成機理,投入二次風(fēng)，降低了20煙氣黑度。.(4)采用了分級送風(fēng)、分段燃燒的燃燒方式,抑0.6 0.81.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0制了NO,的形成。參考文獻:圖4燃料型 NO,與過(guò)量空氣系數的關(guān)系[1]金保升 ,周山明.加壓噴動(dòng)流化床部分氣化數值模型[R],中國工程熱物理學(xué)會(huì )燃燒學(xué)學(xué)術(shù)會(huì )議,000.5.0燃料分級燃燒是降低NO,排放的有效方法之:2] 章勁文,唐海兵,等.有限半氣化層燃鍋爐的綜合特性及節能預測[J],湖南大學(xué)學(xué)報，199,(1).72- 80.一,它的優(yōu)點(diǎn)在于既可降低火焰最高溫度,減少溫度[3] Mraw S C,eNeufille J P, Freund H. The seiene of mineral ratter in型NO,的形成，也可減小局部氧氣濃度,抑制燃料型coal[A]. In;Coel Science[M]. Academic Press, 1983.NO.的形成[6]。分級燃燒就是把燃料完全燃燒所需[4]孫俊民 ,姚強.燃煤飛灰顯微結構的形成與演化[R].工程熱物理學(xué)會(huì )燃燒學(xué)術(shù)會(huì )議,000.5.要的空氣分段送人,使燃燒過(guò)程分成過(guò)量空氣系數[5]蘇東,張振杰。燃煤鋼爐降 低NO.生成的方法及應用[J],東北不同的幾個(gè)區域,分階段地解決NO,的問(wèn)題。從圖5電力技術(shù)，中國煤化工中可以看出,二次風(fēng)為8時(shí),過(guò)量空氣系數a為0. 85[6] 鐘北京,傅YHC N M H G然燒的優(yōu)化[J].燃時(shí), NO2的含量最低,這是因為該區域的還原氣氛使燒科學(xué)與技術(shù).1997,(2).169- 174. .7