薄料层煤气化燃烧特性研究

文章编号:1001 - 6980020004薄料层煤气化燃烧特性研究王莹(大连海事大学自动化与电气工程学院,大连116026)摘要:根据气化燃烧的实验研究结果,讨论了气化燃烧过程的主要特征,并针对过程中各种成分的变化规律进行了分析,说明这一燃烧方式在环保方面具有一定的优点。关键词:层燃炉;气化燃烧;过量空气系数中图分类号:TQ541文献标识码: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引言对环境的污染。本文介绍的固定床煤气化燃烧炉是在传统气化炉的基础上,采用了薄料层低风速技术，煤炭占我国能源构成的75%，目前我国煤炭利而且在炉膛的不同高度加装了旋流射流二次风,采用一直以直接燃烧为主,效率低，环境污染严重,因此用分级送风,分段燃烧,这样既加快了反应速度,延实现煤的高效.低污染燃烧对我国环境质量的改善具长了飞灰炭粒在炉内停留的时间,降低了烟气中灰有十分重要的意义川。在目前众多的工业锅炉(炉尘的携带量,提高了碳的转化率,同时降低了烟气的窑)中,由于燃烧不完全造成排渣的炭含量很高;火焰林格曼黑度。固定床煤气化燃烧炉具有煤种适应性温度不均匀造成过烧现象。由于通常的鼓风量较大，强，氧化和还原并存等特点,它变固体燃烧为气体燃烟气流速较高使得被夹带的飞灰炭粒在炉膛内来不烧,炉温均匀,加热速度快;可减少工业锅炉在燃烧及燃尽而排出炉外,煤的燃烧效率和热效率都很低，过程中 和燃烧过程后的黑烟问题。既造成能源的浪费,也带来了严重的环境污染。用空气将煤气化后再将煤气在同-炉膛内进行1 固定床气化系统工艺流程及 实燃烧,是对上述燃煤装置改造的合理途径,并可减少哈夕件中国煤化工收稿日期:2003-02-28CNMHG作者简介:王莹(1975- -),女,助教,博士研究生.大连海事大1. 1H学自动化与电气工程学院,现从事船舶机电-体化研究.固定床煤气化燃烧系统是由煤制备单元、蒸汽4《工业妙》第25卷第2期2003年5月锅炉、送风机、加料、除灰系统、气化炉过程控制与角伪89的对流受热面,然后离开气化炉的顶部。数据采集系统和分析单元等主要部分组成，实验装气化炉实验装置流程中所有主要的工艺参数包置如图1示。括温度流量、料位均被测量,并由数据采集系统采集后送计算机处理,气化风量由气体质量流量计控制。气化炉操作时的煤气成分由气相色谱分析仪进行分析,固体物料(床料、除灰、飞灰)由现场的分析仪器进行化验。1.2实验用煤样I类烟煤,煤质分析如表1所示。表1煤质分析ChTO.NTS.T AW.| Va/能/%%1%/%%%/% 1k46.53.060.110.86 1.9432.489.00 |38.5 17 693.62气化燃烧过程煤层在受热条件下,其表面主要发生下列反应:(a)C+ 02= CO2,(b)C+ 1/2.02 = C0,(c)C+CO21.对流受热面2.给媒斗 3.二次风口 4.灰斗5.水央套6.炉门 7.排污管 8.烟气出口=2CO,(d)CO + 1/2.02 = CO2,(e)C+ H0= Co+ H图1媒气化无烟燃烧热态试验台常规燃烧时,煤层发出大部分的热,在燃烧室上层空间,实际上是一些挥发物以及煤层中固体燃料固定床锅炉是实验系统的中心设备,设计压力的气化生成物在空中燃烧所产生的热,此时煤层的0.4 MPa,炉膛出口烟温6=850 C,蒸发量D=0.1发热程度可估计为0.2-0.812。当采用气化燃烧Vh,给水温度lp =20 C,锅炉本体高2 m,外径700时,炉膛内的反应分成两部分。由于局部送风,(b)、mn,内径500 mm。(c)由副反应转变为主反应。此时,煤层的主要作用在实验系统中共设有10 个温度测点,在炉膛不只是使固体燃料气化,而气化生成物转移到炉膛上同高度和炉膛出口设有I0个气体取样点。部燃烧其结果是改变了总体反应的等效活化能;在原料煤制备单元为气化炉准备约16 mm的原料第二部分中,二次风采取分层布置每层都能形成不煤,由螺旋给煤机给煤,气化后的灰渣则由自破渣滚同半径的切圆,产生强烈的旋涡运动,提高了气化燃动炉排破碎后,由底部排入灰斗中。炉门处安装了烧的宏观燃烧速率。此时煤层的总发热能力有一定窥镜可直接观察到炉内工作状况。实验用料层分别提高,而过量空气大为减少。为300mm和400mm。常规燃烧时,燃烧反应(a) - (e)只能在燃料层的在试验系统中,为了使气化风均匀地进入炉膛,表面上发展。当采用气化燃烧时,由于C气化反应是在试验台底部风箱上加装了两个气化风入口,这两.吸热反应,加上二次风的强烈的扰动作用,气化反应个人口接在同一主风道上,分别装有独立的阀门和不但在煤层的较大高度上发展,而且在煤层颗粒孔隙转子流量计。气化剂分两路由气化炉底进入,第一的内部也有很大的发展。因此,煤层中可以转变为完路由中心管道以较高速度进人，用以加强气化炉内全燃烧生成物焓的大量自由热,都将重新变为煤层所的灰团聚过程,并起控制灰排出的作用,颗粒长大到产生可燃气体的化合热，而且所需的二次空气量将显一定程度的灰料则与该气流逆向接触被有选撣地排著减中国煤化工所能发出的热量要出:气化炉在900 C~1 050 C温度下操作,产生的比第-1HCNMHG温的份额很大,而煤气在950 C左右携带细粉飞灰离开炉膛,进人倾理论上所需的空气所占份额却小得多。5.试验研究:薄料层煤气化燃烧特性研究3气化燃烧的过量空气系数8ε7 E-在常规燃烧和气化燃烧的热平衡测试中,采用气化燃烧时,炉膛出口的过量空气系数明显低于常规燃....烧,通过炉排的一次风的空气系数a值为1.0~ 1. 15,加上二次风量,炉膛出口的a值仅有1.1~ 1.3,而常规燃烧是炉膛出口的a值为1.3~ 1.6，这样前者的排烟热损失q2值就会低于后者的q2 值。气化燃烧过1.11.21.31.41.S1.6 1.7程形成和强化了两段燃烧,使煤层和炉排温度降低，图2 a对92、93和q4的影响无高温结渣,通风条件大为改善,气化燃烧反应中(a)- (e)的部分气固两相反应转化为同相反应,而前者的需氧量比后者大,因此炉膛出口的a降低。当然,a值的大小还会影响气体不完全燃烧热4烟气黑度的特性损失93和固体不完全燃烧热损失94, 适当的a值应综合考虑对q2、q3、q4 的影响，使三者之和为最在烟气的烟尘当中,有一部分颗粒度只有0.05小21。图2为a对92>93和94的影响关系。图2表~1pum的尘粒,通常称之为炭黑,而炭黑正是形成明,当a=1.1~1.3,92>93、94之和为最小;当a=1.0黑烟的主要因素。许多研究者对碳化氢类燃料燃烧~1.6时,q2的变化范围为5%~8%，q3的变化范时的炭黑成因进行过详细研究,文献[3,4]认为,根围为0.7%~2.0%,q4的变化范围为3.4%~据炭黑的生成机理,主要有残碳型炭黑和气相析出4.5%;当a> 1.2后,94基本保持不变,92、94值变型炭黑。其中残碳型炭黑是由于燃烧不完全造成化比常规燃烧时要小。的，而气相析出型炭黑的生成是因为燃料在燃烧过1.0p.9-.8-+气化风76.二次风8,二次风7 3.化公十个化风76,四次......+气化风量70? 0.6-政0.5-20.4-0.3-7.2时间/min20253035400510152025303540(a)投入二次风时烟气黑度的变化(b)不同气化风量下的烟气黑度图3气化燃烧和气化时黑度 的对比程放出的气体可燃物在高温燃烧不完全的情况下，投人二次风时 ,烟气黑度要比气化时要小的多,这是由于热分解而生成的固体烟尘。炭黑的形成过程中因为二次风采取分层布置,每层都能形成各三种不主要包括两个阶段,即粒子成核阶段和粒子生长阶相同半径的切圆,产生强烈的旋涡运动,使炉膛内的段,大量的炭黑粒子是在火焰峰前高温缺氧的区域扰动加强,空气与可燃物充分混合,减少了燃料机械形成。在实验中通过监测炉膛出口的烟气黑度(林不完全H中国煤化工烧损失,可以抑制格曼黑度)来测定炭黑的含量。图3中(a)、(b)为气炭黑的CNMHG总风量--定的情况化风和二次风与烟气黑度的关系,从图中可以看出,下,二次风的投入位置、时间是至关重要的,二次风《工业炉》第25卷第2期2003年5月的位置越低,即靠近煤层处投入,越能及时地组织燃更多的燃烧氨被还原成N2.试验还表明,推迟二次烧,可以减小气相析出型炭黑的形成;而三次风、四风的混合, NO2的生成量也会减少。推迟二次风的混次风是为了进- -步降低粉尘,使可燃气体完全燃烧。人实际上是增大了烟气在挥发物燃烧区内的停留时间,也就是增加了还原反应的时间。这也是和分段燃5氮氧化物(NO,)的排 放烧的原理是相符的。燃料燃烧引起的对大气环境的污染,其中危害350F00最大而且最难处理的是氮的氧化物。在锅炉燃烧过........250程中生成的氮氧化物几乎全是NO和NO2 ,通常将这首200两种氮氧化物称为NO,[5]。在燃料燃烧过程中,按芝150其生成原理,生成的NO,有三种,即温度型NO,燃100- -次风70,一次风18.三次风12-料型NO,,快速温度型NO。o其中NO,排放量主要- -次风56,二次风18,三次风125053691215182124273033取决于燃料型NO元的生成量。为了解决由NO,造时间/min成的环境污染,国内外的学者做了很多研究,其中过量空气系数a对燃料型NO%生成的影响较大,图4图5采用分级送风 .分段燃烧时氮氧化物的变化给出了燃料型NO,与过量空气系数a的关系。由此可见，随着a的降低,燃料型NO,的生成量一直在减少,尤其当a小于1.0时,其生成量急剧下降。所以，6结论为控制燃料NO,的生成,除了采用含N低的燃料,还可以通过造成区域性还原性气氛的方法降低NO2的(1)气化燃烧的反应特征主要是反应分为两步生成量。进行,煤层的作用只是使其气化,而气化生成物则到炉膛上部燃烧。100{燃料:CHi +NHi+空气燃料N! 0.5%(2)气化燃烧的工作特性可使层燃锅炉的过量1.0%空气系数a减小。排烟热损失略有增加,但总的热损，60失减小。(3)针对炭黑的形成机理,投入二次风，降低了20烟气黑度。.(4)采用了分级送风、分段燃烧的燃烧方式,抑0.6 0.81.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0制了NO,的形成。参考文献:图4燃料型 NO,与过量空气系数的关系[1]金保升 ,周山明.加压喷动流化床部分气化数值模型[R],中国工程热物理学会燃烧学学术会议,000.5.0燃料分级燃烧是降低NO,排放的有效方法之:2] 章劲文,唐海兵,等.有限半气化层燃锅炉的综合特性及节能预测[J],湖南大学学报，199,(1).72- 80.一,它的优点在于既可降低火焰最高温度,减少温度[3] Mraw S C,eNeufille J P, Freund H. The seiene of mineral ratter in型NO,的形成，也可减小局部氧气浓度,抑制燃料型coal[A]. In;Coel Science[M]. Academic Press, 1983.NO.的形成[6]。分级燃烧就是把燃料完全燃烧所需[4]孙俊民 ,姚强.燃煤飞灰显微结构的形成与演化[R].工程热物理学会燃烧学术会议,000.5.要的空气分段送人,使燃烧过程分成过量空气系数[5]苏东,张振杰。燃煤钢炉降 低NO.生成的方法及应用[J],东北不同的几个区域,分阶段地解决NO,的问题。从图5电力技术，中国煤化工中可以看出,二次风为8时,过量空气系数a为0. 85[6] 钟北京,傅YHC N M H G然烧的优化[J].燃时, NO2的含量最低,这是因为该区域的还原气氛使烧科学与技术.1997,(2).169- 174. .7