煤气化残炭的预热燃烧试验研究

第46卷第5期锅炉技术Vol.46, No. 52015年9月BOILER TECHNOLOGYSept.，2015[燃料与燃烧]煤气化残炭的预热燃烧试验研究周祖旭'2，么瑶12， 朱建国'，欧阳子区'，贺坤'2， 吕清刚'(1.中国科学院工程热物理研究所，北京100190; 2. 中国科学院大学，北京100049)摘要:循环流化床煤气化技术近年来发展迅猛，飞灰中所含的气化残炭是煤气化的副产物,挥发分含量接近零,常规燃烧技术难以利用,实现气化残炭的高效清洁燃烧是煤梯级利用技术路线的重要补充和必要延伸。采用循环流化床预热燃烧技术,利用循环流化床预热室将气化残炭预热到800 C以上,再送人下行燃烧室燃烧,实现了稳定高效燃烧,同时对氮氧化物的排放特性开展了试验研究。结果表明,在循环流化床预热室中气化残炭可以通过预热和部分燃烧将自身温度加热到900 C ,在下行燃烧室中可以稳定燃烧,燃烧的最高温度为1126。C ,燃烧效率为95. 3%;预热和分级配风相结合的预热燃烧技术可以有效降低气化残炭燃烧NO,的排放浓度，本试验中NO排放值为102 mg/m2 ,燃料N向NO的转化率为7. 92%。利用循环流化床预热燃烧技术,实现了气化残炭的高效低NO,燃烧,为气化残炭燃烧技术的开发和应用提供了试验数据和理论支撑。关键词:气化残炭; 预热燃烧;氮氧化物中图分类号:TK229.6文献标识码:A文章编号:1672 -4763(2015)05-0039-05物生成特性亟待研究。0前言本文正是基于这一背景,利用试验现有的30气化残炭是循环流化床煤气化工艺中煤气kW循环流化床预热燃烧热态试验台,开展气化除尘器捕集的细颗粒废弃物,含有部分可燃物，残炭预热燃烧试验研究,分析气化残炭的预热特挥发分含量接近零,着火点高,用常规燃烧技术性、燃烧特性和氮氧化物生成规律,为气化残炭难以高效洁净燃烧。实现气化残炭的高效洁净的燃烧技术开发提供试验数据和理论支撑。燃烧,是煤梯级利用技术路线的重要补充和必要1试验系统与装置延伸,也关乎循环流化床煤气化技术的发展,是需要研究的课题。1.1 试验装置中国科学院工程热物理研究所提出了一种试验装置^°]如图1所示。基于循环流化床的煤粉预热燃烧工艺以,欧阳子7区(2]基于此工艺对无烟煤粉和神木半焦粉的预热燃烧特性进行了研究。结果表明:循环流化床预热燃烧技术可以有效提高无烟煤粉和神木半焦粉的燃烧稳定性,燃烧效率能够达到97%以上,并且可以实现NO,超低排放。相对于无烟煤和神木半焦而言,气化残炭具.有挥发分含量低、热值小和可燃性差的特点,且经过煤气化后,气化残炭的物理结构和化学特性较原煤发生了很大变化，因此循环流化床预热燃1-空气压缩机;2一电炉;3-螺旋给料机;4-循环流化床;5-下烧工艺是否可以实现气化残炭的稳定、高效和清行燃烧室;6--次风;7-二次风:8-三次风图1试验装置洁燃烧以及气化残炭的预热燃烧特性和氮氧化中国煤化工收稿日期:2014-12-10MYHCNM HG基金项目:中国科学院战略性先导科技专项(A类)资助(XDA07030100)作者简介:周祖旭(1988 -),男,硕士研究生,主要从事循环流化床洁净燃烧技术的研究。.4(锅炉技术第46卷由循环流化床、下行燃烧室和辅助系统组烧室顶部通人下行燃烧室,三次风从下行燃烧成。其中,循环流化床为预热部分,气化残炭在室200 mm、600 mm和1000 mm处通人下行循环流化床中预热到800 C以上再进入下行燃燃烧室。二次风与三次风的分级配风用于创烧室中燃烧。建缺氧燃烧环境,以减少氮氧化物的生成。将循环流化床和下行燃烧室均由Cr25Ni20二次风加人点和下行燃烧室1 000 mm处三次耐温钢制造,外用岩棉保温,试验系统在正常运风加入点之间的区域定义为还原区,1000 mm行阶段所需热量全部来自气化残炭的燃烧放处三次风加人点到下行燃烧室出口的区域定热,没有外界输人热量。其中循环流化床的提义为燃尽区。升管内径设计为90 mm、总高度为1 500 mm,试验装置共设置10个热电偶,循环流化床下行燃烧室的内径设计为260mm、高度为设置有4个K型铠装热电偶，下行燃烧室设置有3000mm。5个S型热电偶。下行燃烧室距顶部100mm、试验装置供风分为一次风、二次风和三次400 mm、900 mm、1 400 mm、2 400 mm和3000风。一次风输送气化残炭进入循环流化床,一mm处共设置6个烟气取样点，所取烟气经干燥次风量为气化残炭完全燃烧理论风量的20%后通过GASMETFTIRDX4000分析仪和~40%,气化残炭在循环流化床内部分燃烧放KM9106烟气分析仪进行在线连续分析。热,维持燃料预热温度。气化残炭经循环流化1.2试验样品床预热后产生的高温气体和固体混合物称为试验所用的气化残炭为某循环流化床煤气预热燃料。预热燃料进人到下行燃烧室中通化炉的煤气除尘器捕集的飞灰,其工业分析和元过分级配风的方式进行燃烧,二次风从下行燃素分析结果见表1。表1气化残炭的燃料特性工业分析/%元素分析/%项目w(M.s) w(Va) w(FCu) w(Au) w(C.a) w(H2) w(Oa) w(Na) w(S.s)Qu.a/(MJ.kg ))数值0. 060.638. 6160.66 39.08 0. 200. 261.6213. 47由表1可见，气化残炭的挥发分仅为型X射线光电子能谱仪(XPS)分析气化残炭中0. 67% ,热值为13. 47 MJ/kg。N的赋存形态(见图3)。采用马尔文粒度分布仪分析的气化残炭粒s0p径见图2,粒径范围是0~100μm,50%的切割粒径dso为41.6 μm，90%的切割粒径dgo为20050-72. 3 μm.I0 t? 150s7100承1009(20。8(50口2|鉴70否601110肥5390395400405410 吡啶吡咯季氬氧化型氮b)结合能/eV晰30-图3气化残炭不同形 态氮化合物比例XPS是基于光电效应的电子能谱图，当利用0.11000粒径/μmX射线辐射中国煤化工层电子激发图2气化残炭粒径分析出来,通过对MHCNMH(以获得样品表面成分信息,强度信亏仅映」瓜件表面处于相采用意大利Thermo公司的ES CALAB250应结合能范围内的元素含量。气化残炭中氮化.第5期周祖旭,等:煤气化残炭的预热燃烧试验研究1合物的XPS测试结果见图3(a),其中吡啶型氮当量比为0.35的条件下,可在循环流化床中稳结合能为398.7士0. 3eV,吡咯型氮结合能为定的部分燃烧,同时将自身温度加热到900C左400. 5士0.3eV,季氮结合能为401. 3士0.3eV,氧右。因此,利用循环流化床对气化残炭进行预热化氮结合能为403. 1士0.3eV[4-5],通过XPS测的方法是可行的。试结果计算得到气化残炭不同形态氮化合物的其他研究[2]表明，对于无烟煤粉，一次风比例,见图3(b),可以看出季氮的比例最大，当量比为0.25时,预热温度为900 C,对于神为57%。木半焦粉,一次风当量比为0.3时,预热温度1.3试验工况为900 C。可见,在同样预热温度的条件下,气试验工况见表2。其中一次风的风量为通人化残炭的一一次风空气当量比高于无烟煤粉和神循环流化床的总风量。一次风空气当量比是通木半焦粉,这与气化残炭的挥发含量低和热值低人循环流化床的总风量与气化残炭完全燃烧时有关。所需理论空气量的比值。二次风空气当量比是2.2预热燃料在下行燃烧室的燃烧特性一 次风量和二次风量之和与气化残炭完全燃烧高温的预热燃料进入下行燃烧室,与二次风时所需理论空气量的比值。和三次风混合后直接燃烧。下行燃烧室的温度分布见图5,最高温度在表2试验工况项目数值下行燃烧室400mm处,为1126C,最低温度在下行燃烧室出口,为874 C。给料量/(kg.h-)9.54一次风量/(m2●h-")11. 7一次风空气当量比0. 35二次风量/(m'.h-')7.51000二次风空气当量比0. 58800 t三次风量200 mm处(m'.h-1)6.0i 600-三次风量600 mm处(m'.h"').5三次风量1 200 mm处(m'●h-')00 t过量空气系数1.202试验结 果与讨论500 1000 1 5002000 2 500下行距离/mm2.1气化残炭在循环流化床中的预热特性图5下行燃烧室温度沿程分 布循环流化床的温度分布曲线如图4所示。因循环流化床出口的预热燃料温度达到900 C ,已超过燃料着火点。因此，预热的气化残!!!!其其炭进入下行燃烧室与空气混合后直接燃烧,不存在火焰熄灭和火焰稳定性问题。从图5可以看出,在下行燃烧室100 mm处,燃烧温度为1 100C,说明预热燃料与二次风混合后发生了快速燃00 F一提升管 100 mm烧放热反应,不存在着火过程。另外,下行燃烧二福升幢 400mm室顶部没有观察到明显的温度升高也可以得到_ 。_旋风分离器出口验证。整个下行燃烧室温度分布均匀,没有明显0406080100120140160180的局部高温区,这是因为二次风和三次风间隔配时间/min风,可控制预热燃料的热量释放，从而控制燃烧图4 循环流化床温度分布温度分布。循环流化床运行稳定,温度分布均匀,表明稳定工中国煤化工然物含量测挥发分含量为0.67%、热值为13.47 MJ/kg.平.定,含碳量为;YH.CNM HG测试值为均粒径为41.6 μm的气化残炭在一次风量空气209 mg/m',计算得到气化残炭的燃烧效率.第5期周祖旭,等:煤气化残炭的预热燃烧试验研究13(4)气化残炭预热燃烧中NO排放值为1995 ,74(9):1363- 1368.102 mg/m'(@6%O2) ,燃料N向NO的转化率[8]苏亚欣,毛如玉,徐璋.燃煤氮氧化物排放控制技术[M].北京:化学工业出版社,2005.为7.92 %。[9]新井纪男.燃烧生成物的发生与抑制技术[M].赵黛青,等译.北京:科学出版社,2001 :68-75.参考文献:[10]梁秀俊,高正阳,阎维平.煤粉再燃过程中HCN与NH3的[1]吕清刚,朱建国，牛天钰,等.煤粉高温预热方法:中国，反应机理分析[J].华北电力技术，2004(4);19-21.200710 175526. 3[P]. 2008 -04 -09.[11] HULGAARD T, DAM-JOHANSCN K. Homogeneous Ni-[2]欧阳子区、无烟煤粉预热及其燃烧和污染物生成特性研究trous Oxide Formation and Destruction under Combustion[D].北京:中国科学院工程热物理研究所,2014.Conditions [J]. AIChEJ Journal, 1993, 39; 1342- 1354.[3]吕清刚,王俊,朱建国。循环流化床预热的无烟煤粉燃烧特[12] KILPINEN P, HUPA M. Homogeneous N2O Chemistry at性试验研究[J].锅炉技术,2011(5):23-27.Fluidized Bed Combustion Conditions; A Kinetic Modeling[4] PELAS J R, KAPTEIJIN F, MOULIJINAJ A, etal. Evo-Study [J]. Combust and Flame, 1991, 85(1/2): 94- 104.lution of nitrogen functionalities in carbonaceous materials[13] WOJTOWICZ M A.. PELSJ R, MOULIJNJ A. N2O eduring pyrolysis [J]. Carbon, 1995, 33: 1641- 1653.mission control in coal combustion [J]. Fuel, 1994(73):[5] FRIEBELJ, KOPSEL R F W. The fate of nitrogen during1416- 1422.pyrolysis of German low rank coals-a parameter study [J].[14] COURTEMANCHE B，LEVENDIS Y A. A LaboratoryFuel, 1999, 78:923 - 932.study on the NO, NO2, SOz, CO and COr emissions from[6] MUZIO L J, QUARTUCY G C. Implementing NO, Con-the combustion of pulverized coal, municipal waste plasticstrol: Research to Application [J]. Progress in Energy andand tires [J]. Fuel,1998, 77(3):183- 196.Combustion Science, 1997, 23(3): 233- 266.[15]曹欣玉,牛志刚,应凌俏,等.无烟煤燃料氮的热解析出规[7] LEPPALAHTIJ. Formation of NH3 and HCN in slow-heat-律[J].燃料化学学报,2003.31(6):538 - 542.ing-rate inert pyrolysis of peat, coal and bark [J]. Fuel,Experimental Study on Combustion Characteristics ofRedisual Carbon of Coal GasificationZHOU Zu-xu’2，YAO Yao'2，ZHU Jian-guo'，OUYANG Zi-qu' ，HE Kunl'2,LU Qing-gang'(1. Institute of Engineering Thermophysics, Chinese Academy of Sciences, Beiing 100190, China;2. University of Chinese Academy of Sciences, Bejing 100049, China)Abstract: The technology of circulating fluidized bed (CFB) coal gasification is developingrapidly in recent years, and residual carbon in fly ash with approximately zero volatile is by-product. The effective combustion of the residual carbon is an important supplementary tothe path of coal cascading technology. The residual carbon was preheated to 800 C using theCFB preheating technology, then it was transported to a down fired combustor continuing itscombustion process. Nitrogen dioxide emissions were analyzed at the same time. The resultsshowed that the residual carbon can be preheated to 900 C by a CFB preheater with partialcombustion, and it can burn well in the down fired combustor; The maximum combustiontemperature of the residual carbon in the down fired combustor is 1 126 C and its combustionefficiency is 95. 3%; NO. emission values can be declined by the combination of preheatingand air classification; NO emission value in the exhaust is 102 mg/ m3 and the conversion ratioof fuel N to NO is 7. 92%. The preheated combustion process can achieve high efficiencycombustion and low NO, emission for the residual carbon.中国煤化工Key words: residual carbon; preheated combustion;MHCNMHG