水煤浆空气分级燃烧及NOx排放特性试验研究

第31卷第8期中国电机工程学报voL31 No 8 Mar 15. 201120ll年3月15日ngs of the CSEEC2011 Chin. Soc. for Elec Eng. 13文章编号:0258-8013(2011)08001305中图分类号:TK16文献标志码:A学科分类号:47020水煤浆空气分级燃烧及N○排放特性试验研究赵琛杰,周俊虎,刘建忠,周志军,黄镇宇,岑可法能源清洁利用国家重点实验室(浙江大学),浙江省杭州市310027)Experiment Study on Characteristics of Combustion and NO, Emission in Coal Water SlurryAir-staged CombustingZHAO Chenjie, ZHOU Junhu, LIU Jianzhong, ZHOU Zhijun, HUANG Zhenyu, CEN KefaState Key Laboratory of Clean Energy Utilization(Zhejiang University), Hangzhou 310027, Zhejiang Province, China)ABSTRACT: An air-staged and low No2 emission coal water排放技术主要集中在煤粉燃烧技术上,包括了低slurry(CWS)technology was studied on a 0.5 MW large-scale No燃烧技术和烟气净化技术。其中煤粉燃烧低laboratory fumace. The impacts of staged-air proportion and No,燃烧技术又可以分为:低氧燃烧技术、燃料分input-pattern to the NO, emission were analyzed. The impacts级燃烧技术、空气分级燃烧技术、低NO燃烧器of flue gas components and slagging were also studied. Asstaged-air proportion and input-pattern optimized, the nitrogen烟气再循环等技术。目前水煤浆低NO燃烧技术oxide emission of CwS is reduced to 212 mg/m (6%O2)at the主要有燃料分级燃烧即再燃技术和空气分级燃烧技OFA proportion of 18%, increasing OFA proportion does术,水煤浆再燃技术已进行了一定的机制研究2并fit the combustion stabilization of the main combust实现了工业化的应用22),而对水煤浆空气分级燃zone. with the air-staged combustion, the no2 emission IS烧技术的试验研究还不多。本文以05MW燃烧试reduced, the bumout rate does not reduce and the slagging is验台为基础,进行了水煤浆空气分级燃烧试验,研not deteriorated究了空气分级分配比例、空气分级分配方式、分级KEY WORDS;: coal water slurry(cws; air-staged空气投入位置对水煤浆燃烧NO2排放特性的影响。combustion; low NO boiler1试验系统和方法摘要:在05MW水煤浆燃烧试验台上进行水煤浆空气分级燃烧试验研究,研究空气分级配风比例、分级风送入方式对05MW燃烧试验台主要由卧式燃烧炉本体、水煤浆燃烧NO2排放量的影响规律,分析空气分级燃烧对供浆系统和控制系统组成。该试验炉为卧式圆筒型烟气中其他成分、结渣等的影响。通过燃尽风比例和投入位布置,燃烧器布置在炉前,为旋流燃烧器;燃烧烟置的调整,当燃尽风比例为18%时,NO2的排放量降低到气由卧式炉水平烟道转入垂直烟道后,经尾部烟道212mgm(折算到o(O2)=6%),进一步提高燃尽风比例会造和除尘器后,由引风机送入烟囱。助燃空气经二级成主燃区燃烧不稳定。采用空气分级燃烧技术后,能够降低预热后,温度可达200℃以上。一级预热器为专门水煤浆燃烧NO排放量,对水煤浆燃烧燃尽效果没有产生设计制造的电加热器,另一级是利用烟气余热的空不利影响,没有造成结渣的问题。气预热器。供浆系统由储浆和搅拌罐、供浆泵、流关键词:水煤浆:空气分级;燃烧;低NO2锅炉量计、压力表等组成。制备好的水煤浆储存在储罐0引言或搅拌罐里,利用供浆的压力,把水煤浆送到炉前喷嘴中;炉前布置水煤浆回路,与泵的转速结合起火力发电过程中产生的NO对环境有着巨大来进行水碳浆流量调节。试验台配有空气压缩机的危害,国内外研究者就降低煤粉燃烧NO排放技其为水煤风门掉制气动装置、其他相关设术进行了大量的理论和试验研究工作1。水煤浆备提中国煤化工系统参数监测、作为一种新型燃油替代燃料已完成了试验室和工试验CNMHG业性试验阶段,并且实现了工业化应用,具有良好卧式燃烧炉如图1所示,沿轴线方向依次有12的经济效益和社会效益820。但是目前控制NO2个测量孔,测量孔可以放入烟气抽气枪进行烟气取中国电机工程学报第31卷2实验结果和分析射土1#12#测量孔冷却水热)←}←冷却水?冷)21空气分级比例对NOx排放的影响水冷套水煤园图国图园国民图分级风喷枪对于现有的煤粉空气分级燃烧技术,燃烧所需燃烧器分级风←的空气分成两部分送入炉膛,一部分主燃区送入占水煤浆喷雾→至尾部烟道二次风总风量的0%-85%,另一部分在燃尽区送水煤浆分级风入占二次风总风量的15%30%水煤浆由于含有较多的水分,实际燃烧过程中存在一个水分蒸发挥发分析出、焦炭燃烧的过程,同时由于含水分较1卧式炉结构及分级空气喷口图(mm)多,水分蒸发后对煤粉颗粒内部结构影响不同于通ig. 1 Structure of the horizontal furnace andstage air injection(mm)常的煤粉燃烧过程,因此需要对水煤浆采用空气分样,也可以作为空气分级燃烧试验中分级后的空气级燃烧后NO生成规律进一步细化研究送入位置,同时也可以测量卧式炉沿炉膛轴线方向试验将水煤浆燃烧所需空气分成两部分,一部各处的温度。1#12测量孔在正常试验时保持密封分从位于炉前的旋流燃烧器送入炉内,一部分在卧状态,以降低炉外漏风对空气分级效果的影响。结式炉1|测量孔位置送入(以下简称为燃尽风合现有的煤粉空气分级燃烧技术42可以看到,进OFA)。在保证水煤浆燃烧稳定的前提下,调节送入行空气分级燃烧时,分级空气送入炉膛内与主流烟旋流燃烧器和11测量孔燃尽风的比例,尾部的气混合的效果会直接影响炉内烟气成分分布和空NO2排放如图2所示。空气不分级时尾部NO2排放气分级燃烧,降低NO2排放效果,因此本试验中采量为519mgm(折算到O2)=6%),当11孔燃尽用了如图所示的分级空气喷枪,分级空气沿炉膛径风空气比例提高到181%时,NO2的排放量降低到向方向均分成4个喷口喷入炉内,以提高分级空气212mg/m2(折算到g(O2)=6%0)。与烟气的均匀混合效果。同时分级空气喷枪带有水冷套进行冷却,保证了喷枪在炉内高温区域长时间正常工作。烟气经卧式炉尾部进入尾部烟道后可以采用烟气分析仪(型号: Testo350XL:精度:O2:±080%,CO:±10mLm3,NO:±5mLm3)对烟气■中的CO、NO2等成分进行测量(测量不确定度:O2燃尽风比例%09%,CO;1.5%,NO:1.2%),尾部烟道内可以图2燃尽风比例对NO2排放的影响布置飞灰取样装置抽取飞灰样品。Fig. 2 NO, emission to the influence of OFA proportion试验以兖州煤作为制浆用煤,试验设计水煤浆当进一步提高11孔燃尽风比例后,主燃区水浓度为66%,实际试验时水煤浆浓度65.5%66%。煤浆燃烧稳定性下降,炉膛温度下降较快,说明试浓度为66%时水煤浆燃料特性如表1所示。验中11#孔燃尽风比例不宜过高,过高后对水煤浆表1水煤浆的工业分析与元素分析的稳定燃烧不利。未采用空气分级时烟气中CO含Tab. 1 Ultimate and proximate analysis of the CwS量较低((CO)<103),对烟气中NO2还原效果较工业分析元素分析%差。水煤浆进行空气分级燃烧后,当11#孔燃尽风952099546174914672995806705比例为11%时,主燃区烟气中CO含量较未分级时图1中所示的水煤浆燃烧器为浆/油两用燃烧要高((CO)=103-12x102),主燃区的过量空气系器,水煤浆采用压缩空气雾化。在实际试验中中心数小于1,主燃区的还原性气氛增强,对于NO2的风基本关闭只留冷却用风,通过二次风风门调节以还原反应有促进效果,导致NO2的快速减少;而当控制二次风风量。在1#测量孔内布置的分级风也11#孔然尽风比例提高至时,主燃区氧浓度比配有风门调节机构,试验过程中结合二次风门和燃山中国煤化工量更高(oco分级风风门的调节,控制主燃区和燃尽区的空气分154CNMHG但当1#孔燃尽级比例,各个试验工况均控制总过量空气系数在比例进一步提高后,主燃区的燃烧由于局部的过115左右进行。度缺氧造成燃烧初期的燃烧效率不高,燃烧放热量第8期赵琛杰等:水煤浆空气分级燃烧及NO2排放特性试验研究不足以维持正常的燃烧而导致水煤浆整体燃烧稳措施:而在高比例燃尽风条件下,燃尽风投入位置定性下降,这与常规的煤粉空气分级燃烧技术有所的后移对进一步降低NO2排放效果不明显,这些可差别,通常煤粉燃烧视煤种的不同燃尽区的空气比以对水煤浆空气分级燃烧器设计提供参考。例可以到达20%以上,这点可能与水煤浆含有较多水分、炉膛整体燃烧温度较低有关试验过程中对主燃区烟气温度采用铂铑铂热电偶进行测量,燃尽风比例为0,11%,18%时,主燃区最高烟气温度平均值分别为1179,12251285℃,主燃区温度有所提高,这对水煤浆的初期燃尽风10#1#比例)稳定着火燃烧是有利的图3中等比例OFA送入位置对NO2排放的影响2.2燃尽风送入位置对Nox排放量的影响Fig 3 NO, emission to the influence of OFA injectionposition at medium proportion空气分级燃烧技术中要求了主燃区到燃尽区有一定的间隔距离,这个间隔的距离保证了水煤浆在主燃区低氧高还原性气氛中有足够的停留时间烟气中NO2成分能够被及时的还原为N2。对于煤粉空气分级燃烧,根据煤种的不同主燃区和燃尽区的间距有半经验性的公式可以用作计算。由于水煤989浆燃烧时水煤浆初期有一个水分蒸发的过程,烟气(燃尽风10#11#比例y%图4高比例OFA送入位置对NO2排放的影响中水分含量较煤粉燃烧髙,燃尽风的送入位置也需Fig. 4 NO emission to the influence of oFA injection要通过具体试验确定osition at high proportion试验在高燃尽风比例和中等燃尽风比例的2种23空气分级燃烧对飞灰含碳量的影响条件下釆用了固定燃尽风比例调整燃尽风送入位已有报道煤粉燃烧采用空气分级技术后飞灰置的比较试验方法。通过数据对比可以看出,在总含碳量会有所增加,但是对燃烧效率影响不大,而燃尽风比例为11%,燃尽风从全部由10#孔投入过水煤浆采用空气分级燃烧技术后对飞灰含碳量影渡到10#孔、11#孔各半再过渡到全部由11#孔3种响的报道还比较少。试验中水煤浆各种空气分级燃投入方式条件下NO2排放量依次为351,322,烧方式下飞灰含碳量如表2所示276mgm(折算到O2)=6%),如图3所示。在这表2配风方式对飞灰含碳量的影响种中等的燃尽风比例时,燃尽风投入位置的后移对Tab 2 Burnout rate at different oFA pattern降低NO2排放量有较明显的作用。但是当燃尽风比工况编梦空气分级方式燃尽风比例%燃尽风送入孔位飞灰含碳%不分级例为18%时,如图4所示,燃尽风从全部由10#孔11#孔各半过渡到全部由11#孔3种投入,NO2排放量仅从231降低到212mg/m(折算到(O2)=6%)分级555510#、11#燃尽风投入位置对降低NO2排放量的影响较中等分级9698燃尽风比例时的弱。不采用空气分级技术时飞灰含碳量为285%当燃尽风在中等比例水平时,主燃区的氧含量用燃尽风单级1送入配风比例18%时,主燃较燃尽风高比例时要高,CO浓度较低((CO)=区缺氧燃烧情况比较严重,燃尽程度受到影响,飞103-1.2×102),还原性气氛不强。在这样的还原灰含碳量提高到532%;而当燃尽风11#送入、性气氛下NO2被还原成N2需要更多的时间,主燃配风比例11%时,主燃区的氧浓度虽然下降,但是区至燃尽区的间距也需要增加。而提高燃尽风比例由于主燃区空气量的减少,主燃区温度有所提高,后,主燃区至燃尽区之间的区域氧量更低,还原性对水煤浆的燃尽有一定的促进作用,飞灰含碳量降气氛较浓((CO)>15×102),NO2能够较为容易地低至中国煤化工比例从10#孔送被还原成N2,主燃区与燃尽区之间的间距适当减小入后CNMHG能是由于燃尽风对NO2影响不大。在中等比例燃尽风条件下要降低的过早投入使主燃区的温度提前降低,从而导致燃NO2的排放,燃尽风投入位置的后移是一个有效的烧不充分。当燃尽风分成2部分送入时如工况7和中国电机工程学报第31卷工况8,飞灰含碳量也能够有所降低,对空气分级灰含碳量,还可以降低飞灰含碳量,提高水煤浆的燃烧后水煤浆燃尽效果是有利的。且当燃尽风总比燃尽效果例较高时,分成2级送入相对单级送入燃尽效果更5)水煤浆燃烧采用空气分级燃烧技术后不会好,设计燃烧器时对于燃尽风比例较高条件下,选造成炉膛结渣恶化的问题,能够实现锅炉长期连续择分成2级燃尽风送入炉内对提高燃尽较为有利。稳定运行2.4空气分级燃烧对烟气中其他成分的影响本试验是以一种水煤浆作为试验燃料,在实际水煤浆釆用空气分级燃烧后烟气中的CO排放工程应用中应根据不同水煤浆燃料品质变化特性,量与不采用空气分级变化不大,分级后CO排放量通过对水煤浆燃烧主燃区和燃尽区过量空气系数、没有增加,CO排放量均小于5×103,说明空气分燃尽区与主燃区间隔距离的调整以实现低NO2排级燃烧对可燃气体未完全燃烧热损失影响不大,不放和高效稳定燃烧会提高可燃气体未完全燃烧热损失。而采用空气分级燃烧后,SO2的排放量也没有明显的变化,空气参考文献分级燃烧主要是针对燃烧过程中NO2的控制。[]岑可法,姚强.高等燃烧学M.杭州:浙江大学出版社,2002:25空气分级燃烧对结渣的影响Cen Kefa, Yao Qiang. Advanced combustion[M]. Hangzhou: Zhejiang在试验过程中采用铂铑铂热电偶对炉膛内烟University Press, 2002: 603-610(in Chinese)气温度进行测量,水煤浆未进行空气分级燃烧时,四2才雷,滕生平,祖兴利,等.空气分级燃烧技术在燃烧器低NO炉膛内温度最高区域温度为1160~1197℃,进行空改造中的应用门华北电力技术,2006,3(11)3335气分级燃烧后燃尽风比例为18%(11孔投入)时,炉Cai Lei, Teng Shengping, Zu Xingli, et al. Application of air stagedombustion technology in transformation of bumer to reduce exhaus膛内温度最高区域温度为1262~1307℃,空气分级of No.[]. North China Electric Power, 2006, 35(11): 33-35(in主燃区的空气量减少导致了炉膛内最高温度区域的温度的提高。而试验所使用的制浆煤的变形温度[3]佐双吉.乌拉山发电厂3号锅炉空气分级燃烧改造及运行试验门热力发电,2007,36(4):61-64DT、软化温度ST流动温度FT分别为1278,1318Retrofit for air staged burning and opera1330℃,在此条件下水煤浆采用空气分级燃烧后,No. 3 in Wulashan power plant[J]. Thermal Power Generation, 200实际现场结果显示结渣情况没有恶化,水煤浆燃烧36(4): 61-64(in Chinese).[4]庞水梅,王肾权,郭建,等.空气分级燃烧降低锅炉排放控制技时整体的温度水平较煤粉燃烧时低,采用空气分级.电力科学与工程,207,234:46燃烧后不会产生结渣恶化问题。Pang Yongmei, Wang Jinquan, Guo Jian, et al. Technology on结论Power Scicnce and Engineering, 2007, 23(4): 4649(in Chinese1)在控制总的过量空气系数在115左右的试的tis,可副, nization典吗aMwtangentially fired pulverized coal furnace]. Fuel Processing验条件下,当燃尽风比例达到18%时,NO2的排放rhoy,.o.090916量降低到212mgm(折算到g(O2)=6%),水煤浆燃 Ribeirete A.,cosM, Detailed measurements in a pulverized-coal烧采用空气分级技术可以有效地降低NO2的排fired large-scale Laboratory furmace with air staging J]. Fuel, 2009放量88(l):40[7] Ribeirete A, Costa M. Impact of the air staging on the performance of2)采用空气分级燃烧技术时燃尽风的比例存pulverized coal fired fumace]. Proceedings of the Combustion在一个有效的范围,燃尽风比例过低不能有效地降Institute,2009,32(2):2667-2673低NO排放量,而燃尽风比例过高会影响水煤浆整9张晓,孙锐,孙绍增,等,200炉空气分级低NO燃烧体的燃烧稳定性Zhang Xiaohui, Sun Rui, Sun Shaozeng, et al. Experimental study3)在不同燃尽风比例条件下燃尽风的送入位an air staged and low NO, emission based combustion modification置对降低NO2的排放影响规律有所不同,中等燃尽to a 200MW boiler[]. Journal of Engineering for Thermal Energy风比例时,燃尽风投入的推迟对降低NO1排放有促m00661(Chm,刘业雄,等.300MW机组锅炉低氮燃烧的改造进作用,而在高燃尽风比例条件下,燃尽风投入位中国煤化工置的进一步后移对降低NO2排放效果不明显。CNMHGg a Renovation of4)采用空气分级燃烧后,通过对燃尽风比例Electric Power, 2008, 21(3): 68-71(in Chinese和投入位置的合理调整,不仅可以不提高水煤浆飞[1o孙国超,鄙晓忠,陈冬林,等.电站燃煤锅炉NO2控制技术的现第8期赵琛杰等:水煤浆空气分级燃烧及NO2排放特性试验研究状及发展门电站系统工程,2008,24(2):14.的研究门新江大学学报:工学版,2006,48):14391442.Sun Guochao, Yan Xiaozhong, Chen Donglin, et al. Present statusWeng Weiguo, Zhou Junhu, Yang Weijuan, et al. Research onand development of de-nitrification technology on coal-fired utilitycharacteristics of NO emission for 220 th CwS fired utility boilerboiler J]. Power System Engineering, 2008, 24(2): 1-4(in Chinese).[] Joumal of Zhejiang University: Engineering Science, 2006, 40(8)[1]秦裕琨,李争起,孙锐,等.风包粉煤粉燃烧原理及实验研究U1439-1442 (in Chinese中国电机工程学报,2000,205):5962[20]吉登高,王祖讷,付晓恒,等,水煤浆悬浮燃烧燃料氮的释放特Yukun, Li Zhengqi. Sun Rui, ct al. Study on experiment and the性门中国矿业大学学报,2006,35(3):389-392.principle of air-surrounding-fuel (ASF) pulverized coal combustionJi Denggao, Wang Zune, Fu Xiaoheng, et al. Release characteristics[]. Proceedings of the CSEE, 2000, 20(5): 59-62(in Chinese).of fuel nitrogen during coal water shurry suspension combustion[12】闫志勇,张慧娟,邱广明,等.锅炉分级燃烧降低NO2排放的技Journal of China University of Mining& Technology, 2006, 35(3):术改造及分析门动力工程,200,20(4):764-769389-392(in Chinese)Yan Zhiyong, Zhang huijuan, Qiu Guangming,ea. Technical[21]孟盂德润,周俊虎,赵翔,等.水煤浆挥发分再燃对No还原的影fomation and experimental analysis on NO, exhaust reduction by响[门中国电机工程学报,2008,285):747assifired combustion at boiler]. Journal of Power EngineeringMeng Derun, Zhou Junhu, Zhao Xiang, et al. Influence of coal water000,204):764-769 in Chinese)shurry volatile reburning on NO reduction[J]. Proceedings of the[]张春林,薛宁.国华太仓电丿锅炉分离燃尽风系统作用[门,热力CSEE, 2008, 28(5): 74-77(in Chinese)发电2008,37(4):37-39[22]孟德润,赵翔,杨卫娟,等.200MW水煤浆锅炉的低NO2燃烧Zhang Chunlin, Xue Ning. The effects of separating over fired air试验门动力工程,2007,27(3):341-343system for boilers equipped in Guohua Taicang power plant[JThermal Power Generation, 2008, 37(4): 37-39(in Chinesetests on a 200 MW coal water shurry fired boiler]. Journal of Power14李瑞扬,董利.空气分级燃烧技术在六角切圆烧锅炉中的应用研究门洁净煤技术,2005,1(2):33-35[23]孟德润,赵翔,杨卫娟,等.影响水煤浆冉燃效果的主要因素研Li Ruiyang, Dong li. Study on six cormers tangentially boiler with the究门中国电机工程学报,2007,275):67-70air gradation combustion technology]. Clean Coal TechnolMeng Derun, Zhao Xiang, Yang Weijuan, et al. Influence of coalwaterslurry reburning on NO, reduction]. Proceedings of the CSEE[15]郝雪梅.空气分级燃烧技术中两级燃尽风技术试验研究门洁净2007,27(5):67-70( in Chinese)煤技术,2007,13(2):70-73[24]吴彦坤,高正阳,崔伟春,等.燃尽风对NO2炉内分布影响的数Hao Xuemei. Study on two-stage air over fire technology of值模拟研究[门.电力科学与工程,2008,2(3):6366staged-air combusting technology J]. Clean Coal Technology, 2007Wu Yankun, Gao Zhengyang, Cui Weichun, et al. Study on the effect3(2): 70-73(in Chinese).of over fired air on NO, distribution in furnace by numerical[16唐志国,朱全利,唐必光,等.空气分级燃烧降低NO2排放的实simulation(]. Electric Power Science and Engineering, 2008, 24(3)验研究门电站系统工程,2003,19(3):79Tang Zhiguo, Zhu Quanli, Tang Biguang,tal.NO2 cmIssIOns[25]刘泰生,周武,叶恩清.燃尽风对炉内流动和燃烧过程影响的数researched of air staging combustion burning pulverized coal!J值模拟门动力工程,20,261)116-120Power System Engineering, 2003, 19(3): 7-9(in Chinese).Liu Taisheng, Zhou Wu, Ye Enqing. Numerical simulation of the[7王浩,邹琳江,空气分级燃烧降低NO2排放技术的研究工业effect of over fire air on flow and combustion in fumaces[J]. Journal加热,2008,37(4):8-11of Power Engineering, 2006, 26(1): 116-120(in Chinese ).Wamg Hao, Zou Linjiang. The air fractional combustion reduces theNO, emissions technology research]. Industrial Heating, 2008收稿日期:201009-14作者简介[18]丁宁,张传名,曹欣玉,等.220th六角切锅炉水煤浆燃烧试赵琛杰(1979),男,博士研究生,研究方向为验与数值模拟[.中国电机工程学报,200,2611):414煤浆燃烧技术的研究, bigong@163comDing Ning, Zhang Chuanming, Cao Xinyu, et al. Experimentalresearch and numerical simulation on combusting CwS in 410t/hsix-corner tangentially firing boiler]. Proceedings of the CSEE2006, 26(11): 41-46(in Chinese).赵球杰19]翁卫国,周俊虎,杨卫娟,等,20th水煤浆锅炉NO排放特性责任编辑张媛媛)中国煤化工CNMHG