閆永宏,陳登科,孫劉濤,彭政康,孫銳
(哈爾濱工業(yè)大學能源科學與工程學院,哈爾濱150001)
煤炭在中國一次能源消費中占比超過了50%,面對優(yōu)質煤儲量日益減少的局面,煤炭梯級利用技術可提高煤炭的利用效率。但該技術中產生的副產品半焦(semi-coke)由于嚴重的產能過剩,制約了該技術的發(fā)展。半焦中揮發(fā)分含量極低(低于10%),通常存在著火困難、燃盡率低、NOx排放量高等問題。因此,如果能將半焦與其他易燃煤進行摻混燃燒發(fā)電則有望打破制約煤炭清潔高效梯級利用的技術瓶頸。在摻混燃燒過程中,燃料自身的特性對燃燒特性有很大影響,尤其是燃料顆粒粒徑對鍋爐中燃料的著火特性影響十分顯著[1]。多數研究認為煤粉粒徑減小,著火提前,燃燒特性變好[2-7]。
電站鍋爐的長期燃燒優(yōu)化試驗發(fā)現,鍋爐中存在的飛灰含碳量高、受熱面結渣、NOx生成量超標等問題與燃料顆粒平均粒徑有密切關系[8]。文獻[9]通過330 MW 機組的試驗和模擬結果表明,煤粉粒徑R90在23.1%~8.9%范圍內逐漸降低,飛灰含碳量也逐漸降低,燃燒效率提高,但是當粒徑R90低于11.0%時飛灰含碳量降低不再明顯。文獻[10]通過630 MW 四角切圓鍋爐模擬結果表明,對于易燃煤種,煤粉的整體燃盡率主要取決于下層燃燒器噴出的煤粉粒徑,隨著煤粉變粗,著火距離增加,煤粉粒度變小后鍋爐排渣量有所減小。文獻[11]以某電廠300 MW 機組試驗表明隨著粒徑的增大,著火變得困難,飛灰含碳量增加,且煤粉粒徑大于某個值后燃盡性能急劇變差。
煤粉粒徑對煤粉燃燒過程中NOx的生成也有很大影響,但已有的研究結論不一致。一些學者認為粒徑較大的煤粉在燃燒中形成的NOx較少[12-14]。文獻[15]在中試規(guī)模下研究發(fā)現超細煤粉顆粒(平均粒徑12.50 μm)NOx排放量比常規(guī)煤粉(平均粒徑50.00 μm)高出30%。文獻[16]用水平管式爐對低階煤與高階煤混合熱解的結果表明,在粒徑范圍50~300 μm內HCN和NH3都隨著煤粉粒徑的增大而減少,這對降低NOx排放量有很大幫助。也有學者發(fā)現煤粉粒徑減小,NOx減排效率增加[17-20]。文獻[8]以電廠鍋爐為模型的模擬表明,高灰分煙煤在深度低氮氧化物燃燒時,煤粉細度減小,NOx排放量相應降低。文獻[21]發(fā)現200 MW 燃煤機組中當煤粉粒徑R90從40.5%降低到25.3%時NOx排放量降低了65 mg/m3。也有研究得到NOx排放與粒徑尺寸關聯(lián)性較小的結論[22]。文獻[23]用攜帶流反應器考察了粒徑對超細煤粉燃燒的影響,結果表明,隨著粒徑從14.71 μm 增加到44.26 μm,煙煤燃燒生成的NOx先增加后減少,無煙煤生成的NOx則逐漸減少。
總之,煤粉粒徑的變化不僅影響煤粉的著火,同時對爐內的整體燃燒情況也有影響[24]。雖然大多數研究表明煤粉粒徑減小對著火有利,有助于提高鍋爐效率[25-26],但是較細的煤粉燃燒時容易產生局部高溫區(qū)[27],尤其在濃淡分離燃燒中更明顯[28],磨制較細煤粉需同時考慮制粉系統(tǒng)運行的經濟性[29]。因此,實際運行中最佳煤粉粒徑[30]應結合鍋爐結構和煤質條件共同決定[31],同時要考慮機組運行經濟性[32]。此外,煤粉粒徑還會影響爐內溫度和結渣情況等[6]。在燃煤電廠實際運行中,最佳的煤粉粒徑往往需要通過大量熱態(tài)試驗確定[10]。
目前關于粒徑對煤粉燃燒影響的研究多是基于小型試驗臺和數值模擬的方法,這些研究獲得的結論并不能完全適用于工業(yè)鍋爐,而且多是對單一煤種進行研究,對不同粒徑的混煤燃燒的研究較少。本文在350 kW中試煤粉燃燒試驗臺上,模擬實際工業(yè)鍋爐中煤粉氣流的著火過程,考察了不同粒徑的半焦和煙煤的混合燃料在還原性氣氛中的射流著火特性,為工業(yè)鍋爐中選擇合適的摻燒半徑提供指導。試驗中通過將通入爐膛中總的助燃空氣的過量空氣系數保持在0.9,使得燃料在欠氧條件下燃燒,從而創(chuàng)造出還原性氣氛。
試驗在350 kW煤粉燃燒試驗系統(tǒng)中進行,試驗系統(tǒng)圖如圖1所示,主要設計參數見表1。該試驗系統(tǒng)主要由爐膛主體、燃料輸送系統(tǒng)、空氣預熱系統(tǒng)、丙烷點火穩(wěn)燃系統(tǒng)等部分構成,其中爐膛內部為圓筒形豎直結構。一次風管道、二次風管道、丙烷燃燒器在爐膛頂部對稱布置,如圖2所示。
圖1 350 kW煤粉燃燒試驗系統(tǒng)Fig.1 A 350 kW pulverized coal combustion test system
表1 試驗系統(tǒng)的主要設計參數Tab.1 Main design parameters of the experimental system
圖2 350 kW煤粉燃燒系統(tǒng)爐膛頂部結構布置Fig.2 Structural arrangement of the furnace top in the 350 kW pulverized coal combustion system
試驗過程如下:首先啟動引風機使爐膛內形成負壓環(huán)境,然后啟動丙烷點火穩(wěn)燃系統(tǒng)對爐膛進行預熱升溫,當燃燒器噴口附近煙氣溫度達到500 ℃時,啟動鼓風機向一、二次風管道內送風,接著啟動螺旋給料機將提前加入給粉倉中的混合燃料送入一次風管道與一次風混合,經矩形噴口的燃燒器被噴入爐膛中點燃并實現穩(wěn)定燃燒。燃料著火后,將丙烷熱功率調整到50 kW 進行全程助燃,混合燃料給粉量維持在熱功率300 kW,此時爐膛內總輸入的熱功率保持在350 kW,通過調節(jié)負壓調節(jié)閥將爐膛內負壓保持在-100 Pa左右,當燃料著火燃燒穩(wěn)定后進行試驗測量。穩(wěn)定著火通過以下幾點確定:(1)給料機給料量穩(wěn)定、連續(xù);(2)爐內溫度波動小于10 ℃;(3)現場觀察燃料穩(wěn)定燃燒。
試驗中采用的2種原料分別是神華煙煤和神木半焦。將2 種原料單獨磨制成指定粒徑,然后將相同粒徑的神華煙煤和神木半焦按質量比1∶1進行機械混合作為混合燃料預先加入給粉倉。對煙煤原煤和半焦的工業(yè)分析和元素分析結果見表2?;旌先剂系墓I(yè)分析和元素分析按2種的燃料質量比例求加權值。表3給出了試驗工況主要參數。
表2 神華煙煤與神木半焦的工業(yè)分析和元素分析Tab.2 Proximate and ultimate analyses of Shenhua bituminous and Shenmu semi-coke
表3 試驗工況主要參數Tab.3 Main operation parameters under experimental conditions
試驗中,當試驗裝置達到連續(xù)穩(wěn)定運行狀態(tài)且可重復時,開始采集數據,確保數據的準確性和可重復性。
1.3.1 溫度測量
溫度測量分為軸向溫度測量和徑向溫度測量。軸向溫度通過從混合燃料燃燒器(以下簡稱燃燒器)中間豎直插入熱電偶,上下移動進行測量。軸向溫度采用K 型鎧裝熱電偶測量,測量精度為±0.75%t(t為測量溫度)。徑向溫度通過爐膛側面的水平孔進行測量。第1個測量孔距燃燒器出口距離為180 mm,每2 個測量孔之間的間距為160 mm,共對5個測量孔的徑向溫度進行了測量。徑向溫度采用S型熱電偶測量,測量精度為±0.25%t。溫度測量時采用多次測量取平均值的方法以減少試驗誤差。
1.3.2 煙氣測量
煙氣測量也從軸向和徑向2 個方向進行。2 個測量方向的測量孔分別對應軸向和徑向溫度測量孔。煙氣采集測量系統(tǒng)如圖3所示。高溫煙氣經取樣槍冷卻,使得化學反應立即停止,保證測量的煙氣結果為該點燃燒的真實情況,煙氣冷卻后經過集灰器和飛灰過濾器過濾除塵,然后經過干燥瓶中的CaCl2粉末除濕干燥,進入真空泵,最后進入煙氣分析儀中進行測量分析。煙氣分析采用某公司生產的Gasboard-3000 型煙氣分析儀,檢測的氣體成分有O2,CO,NO,NO2。煙氣測量精度為±2%FS。煙氣采樣頻率為1 次/s,每個測量點將連續(xù)采集1 min 獲得的平均值作為該點的測量值。試驗中檢測到的NO2占總的NOx的質量分數不超過10%,所以試驗結果只對NO進行分析。
圖3 煙氣采集測量系統(tǒng)示意Fig.3 Sketch of the flue gas sampling system
2.1.1 主燃區(qū)中心軸向溫度和煙氣分布
軸向溫度可反映出燃燒器出口射流的著火特性。不同粒徑下的爐膛中心軸向溫度如圖4a所示。當軸向距離z從0 mm 增加到60 mm 時,軸向溫度逐漸增加,這是由于在z<60 mm時,2股混合燃料射流還未在爐膛中心軸向上相交,只有少量燃料擴散到爐膛中心進行燃燒。這可以從軸向煙氣變化得到證實。從圖4b 可以看出,在z=60 mm 時O2體積分數降低到18%左右,圖4c中CO 體積分數幾乎為零,表明此時爐膛中心同時進行熱解和氧化反應。當z從60 mm 增加到90 mm 時,軸向溫度降低,這是由于z大于60 mm 后2 股射流逐漸在爐膛中心軸向上相交,大量相對冷的混合燃料在爐膛中心軸向上匯聚,并與高溫煙氣發(fā)生換熱,吸收熱量,使得煙氣溫度降低。當z從90 mm 增加到450 mm 時,中心軸向溫度迅速增加,燃料吸收了足夠的熱量達到著火條件開始著火放熱,使得軸向溫度迅速增加。
進一步觀察發(fā)現隨著混合燃料粒徑的增大,著火階段軸向溫度呈現先增加后減小的趨勢,在粒徑R90=20%時軸向溫度最高,R90=10%時軸向溫度最低,說明R90=20%時2 股射流中心最容易著火,這是因為混合燃料射入爐膛后會沿爐膛徑向擴散,大粒徑的顆粒由于慣性大在徑向方向的擴散速度慢,粒徑小的顆粒則受氣流擾動大更容易向射流中心外圍擴散[22],所以在爐膛中心線上主要集中的是較大的顆粒,而在爐膛中心外圍分布的是較小的顆粒,雖然粒徑較小更有利于著火[7],但是在粒徑R90=10%的條件下爐膛中心空氣中的顆粒質量濃度最低,燃料燃燒釋放的熱量最少,煙氣溫度最低,不容易著火。隨著粒徑的增大,爐膛中心軸向上的顆粒質量濃度增加,燃料燃燒放出的熱量增加,使得燃料溫升加快,R90=20%時對應的顆粒的質量濃度最有利于燃料著火,當粒徑R90超過20%時,雖然爐膛中心空氣中燃料質量濃度對著火有利,但粒徑加大又不利于其著火,整體表現為削弱了著火強度。爐膛中心軸向上的煙氣變化可進一步證明上述過程。由圖4b,c,d 可知,z<450 mm 時,中心軸向O2體積分數隨著粒徑的增大而減少,CO體積分數則隨著粒徑的增大而增加,轉折點為R90=20%。當z為200~460 mm 時,由于R90=25%時爐膛中心燃料質量濃度最大,O2相對不足,燃燒不充分,所以CO 生成量最大。由圖4d 可知,NO 峰值質量濃度隨著粒徑的增大先增加后減小,并在R90=20%時NO 質量濃度峰值最高,且此粒徑下峰值位置提前。z<450 mm 之前的燃燒過程可認為是著火階段,隨著燃燒反應的進行,揮發(fā)分析出量和焦炭的失重率都會出現一個轉折點[33],該點即被認為發(fā)生了由著火階段向穩(wěn)定燃燒階段的轉變,根據中心軸向煙氣變化特點推測z=450 mm 為對應的轉折點。z>450 mm 之后的燃燒過程為穩(wěn)定燃燒階段,此階段所有粒徑下的燃燒強度逐漸趨于穩(wěn)定且逐漸接近。z從510 mm 增大到820 mm 時,軸向溫度基本保持不變。這是由于z大于450 mm以后中心軸向區(qū)域處于嚴重缺氧狀態(tài),燃燒放出的熱量與煙氣流動帶走的熱量剛好達到平衡,所以溫度保持穩(wěn)定。此階段由于缺氧,CO 大量生成,直到z=760 mm 后才逐漸減少。NO 質量濃度在z=460 mm 前已達到峰值,之后逐漸減少,這是由于在缺氧和高CO 體積分數環(huán)境中NO 被大量還原。因此從z=460 mm 開始直到主燃區(qū)出口可認為是燃燒還原區(qū)。由于大粒徑下還原區(qū)開始位置較早,所以大粒徑下NO 經歷了更長的還原時間,加之大的焦炭顆??晌絅O,焦炭表面的NO 還原程度加強,所以在主燃區(qū)出口處大粒徑下NO 質量濃度更低。對應的R90=20%粒徑下著火最容易,其進入還原區(qū)的時間提前,還原區(qū)最長,NO 質量濃度最低。根據溫度和煙氣成分變化及現場觀察,在z=820 mm處火焰消失,燃燒過程基本結束,此處可認為是主燃區(qū)出口。
圖4 不同粒徑下主燃區(qū)中心軸向溫度及O2,CO,NO分布Fig.4 Distribution of the gas temperature and O2,CO and NO mass concentrations along the central axial direction of primary combustion zone with different particle size
2.1.2 射流著火距離
著火距離是鍋爐中最值得關注的問題。著火距離可根據謝苗諾夫臨界著火條件獲得,并通常將其定義為軸向溫度T增加最快的點[34](d2T/dz2=0)到燃燒器出口的距離。根據上述方法計算得到不同粒徑下的著火距離和著火溫度,見表4。結果表明,隨著粒徑的增大,著火距離先減小后增加,粒徑R90=20%時著火距離最短,粒徑R90=10%時著火距離最長。分析原因可能是隨著粒徑的增大,爐膛中心的燃料著火前的熱解過程中釋放出更多的CO,CH4等可燃物質,并與O2反應釋放出更多的熱量,使得著火更加迅速。當R90=25%時,相比R90=20%,對應的著火距離增加。分析原因可能是燃料在磨制過程中隨著粒徑的增大灰分增多,阻礙了揮發(fā)分的析出,對著火發(fā)生起到了抑制作用[35]。粒徑超過R90=20%后,灰分的抑制作用顯著增強,使得著火強度減弱;同時隨著粒徑的增加燃料向爐膛中的滲透深度增加[36],燃料熱解過程變長,導致著火距離變長。
表4 不同粒徑下的著火距離和著火溫度Tab.4 Ignition distance and ignition temperature with different particle size
已有文獻中幾乎都是關于煤粉在不同粒徑下著火距離特性的研究,本文獲得了半焦和煙煤摻混燃燒時不同粒徑下的著火距離特性,這與已有研究中的結論互相補充,更加完善了煤基燃料在直流射流燃燒器中的著火特性,為開發(fā)新型燃燒器提供了依據。
2.1.3 燃盡區(qū)中心軸向溫度、煙氣分布
圖5給出了不同粒徑下燃盡區(qū)中心軸向溫度及O2,CO 和NO 分布。從圖5a 可以看出,沿爐膛中心軸向方向,從主燃區(qū)出口到z=1 620 mm 處溫度緩慢下降,隨著粒徑的增大軸向溫度增加。這是由于粒徑越大燃料在中心越集中,在主燃區(qū)未燃盡的燃料仍進行化學反應,所以粒徑越大在燃燒后期溫度越高。在此階段,觀察不到明亮的火焰,CO 和O2反應強度不斷下降,放出的熱量少于向爐膛壁面散失的熱量。在z=1 620 mm 以后各項化學反應基本停止,不再產生熱量,煙氣溫度迅速降低。圖5b,c,d 可以看出,從z=1 760 mm 到爐膛出口處各煙氣組分含量基本保持不變,表明各項反應均已停止,燃燒過程徹底結束。爐膛出口和主燃區(qū)出口煙氣變化規(guī)律相似。
圖5 不同粒徑下燃盡區(qū)中心軸向溫度及O2,CO,NO分布Fig.5 Distribution of temperature,O2,CO and NO mass concentrations along the central axial direction of the burnout zone under different particle size
除了軸向溫度分布,爐膛徑向溫度分布也可以反映混合燃料的著火燃燒過程。圖6給出不同粒徑和軸向距離下的徑向溫度分布。由圖6 可見,不同粒徑下的徑向溫度均隨著軸向距離的增加逐漸升高,當軸向距離增加到660 mm 時,徑向溫度增加幅度很小,當軸向距離增加到820 mm 時,徑向溫度基本保持不變,表明在徑向的燃燒也達到了穩(wěn)定。在z=180 mm 的截面上,當徑向距離r從0 mm 增加到20 mm時,不同粒徑下的徑向溫度均逐漸增加,這是由于在此截面上射流的外圍首先與高溫煙氣接觸發(fā)生著火。當r從20 mm 增加到200 mm 時,徑向溫度緩慢減小,這是由于燃料沿爐壁方向的質量濃度逐漸降低,燃燒放出的熱量逐漸減少。而當r從200 mm 增加到300 mm 時,徑向溫度基本保持不變,這是由于此區(qū)間內煙氣溫度主要受爐壁輻射加熱作用的影響。在z=340 mm 的截面上徑向溫度沿爐壁方向開始逐漸降低,表明射流中心也已完全著火,且中心燃燒強度超過了外圍的燃燒強度。在此截面上隨粒徑的增加,徑向溫度先增加后降低,對應R90=10%時徑向溫度最高,而且相比上一截面,溫度增量也高于其他粒徑,表明粒徑較小時燃料在徑向上著火更容易。分析認為,這是由于小粒徑的燃料在中心外圍析出揮發(fā)分的速率較快且體積分數較高,同時粒徑較小時燃料沿軸向滲透深度減小,燃料在軸向方向的燃燒更加集中,經過相同的軸向距離時熱量密度更大,溫升更高。從z=500 mm 開始,R90=25%對應的徑向溫度逐漸高于R90=10%和R90=15%對應的徑向溫度,這是由于燃料粒徑較大時著火初期因反應速率慢而未燃燒的焦炭在此截面上開始迅速燃燒,使得溫度迅速升高。但隨著燃燒逐漸穩(wěn)定后,R90=20%時徑向溫度最高,表明R90=20%時整體燃燒強度最強。
徑向O2,CO,NO 氣體的變化可進一步反映混合燃料的著火過程,如圖7—9 所示。從圖7 可以看出,在z=20 mm 的截面上,當r在0~60 mm 范圍內逐漸增加時,O2體積分數均低于15%且基本保持不變,說明混合燃料在該截面上已經開始發(fā)生氧化反應。當r在60~150 mm 范圍內逐漸增加時,O2體積分數繼續(xù)降低,說明在此范圍內燃燒反應逐漸增強,這進一步證明了射流從外圍開始發(fā)生著火。當r在150~300 mm 范圍內逐漸增加時,O2體積分數逐漸增加,這是由于在此區(qū)域內燃料質量濃度逐漸降低,消耗的O2逐漸減少。在此截面上O2體積分數隨著粒徑的增大而增加,CO 體積分數幾乎為0。在z=180 mm 截面上,O2體積分數進一步減小,但沿著爐壁方向逐漸增加,這是由二次風的混入造成的。在此截面上隨著粒徑的增大O2體積分數先降低后增加,R90=20%時O2體積分數最低,R90=15%時次之,說明隨著著火強度逐漸增加,粒徑較大時更有利于燃燒,這是由于粒徑較大時顆粒在爐膛內充分分散后顆粒間距增大,顆粒與O2表面接觸面積增大,而粒徑較小時顆粒團聚現象明顯,對O2與燃料顆粒表面的接觸有屏蔽作用,同時粒徑增大時經過初期的熱解后大顆粒形成的孔隙結構更發(fā)達,更多的O2會滲透進顆粒中發(fā)生反應,這些都導致了大粒徑下燃料消耗O2的速率加快,使得燃燒強度增強。
而且,從圖8可以看出在此截面上CO 體積分數仍然很低,在r>20 mm 的區(qū)域CO 體積分數幾乎為零,這是由于在此截面上O2體積分數仍然很充足,燃燒主要生成CO2。z在180~820 mm 范圍內,不同粒徑對O2體積分數的影響規(guī)律相同。當z從180 mm 增加到340 mm,CO 體積分數逐漸升高;當z從340 mm 增加到500 mm,CO 體積分數呈減小趨勢,這是由于二次風逐漸向爐膛中心滲透,使得部分CO與O2反應生成CO2。當z從500 mm 增加到820 mm,CO 體積分數又呈上升趨勢,而且CO 體積分數不為零的區(qū)域隨著z的增大逐漸向爐壁方向擴大。
圖8 不同粒徑下主燃區(qū)徑向CO分布Fig.8 Radial distribution of CO in the primary combustion zone under different particle size
從圖9 可以看出,在z=20 mm 截面上NO 質量濃度沿著爐壁方向逐漸升高,并在z=125 mm 處達到最大值隨后減小。在此截面上NO 質量濃度隨粒徑的增大而增加。在z=180 mm 截面,沿爐壁方向NO 質量濃度逐漸降低。在此截面上NO 質量濃度隨粒徑的增大先增加后降低,且在R90=20%時最高。在z=340 mm 截面上隨著r的增加,粒徑R90=25%下NO質量濃度逐漸高于R90=20%下NO質量濃度,這是因為R90=20%時,在此截面上NO 還原量大于生成量,質量濃度開始下降,而其他粒徑下NO 的生成量仍占主導。在z=500 mm 截面上,除R90=20%外其他粒徑下的NO 質量濃度均達到最大值,R90=20%時在早于此截面前NO 質量濃度已達到最大值。從z=660 mm 開始所有粒徑下的NO 質量濃度均開始降低,表明所有粒徑下的燃燒均進入了還原區(qū),NO 在缺氧條件下被CO 還原或者被焦炭吸附到表面,與焦炭發(fā)生還原反應,使得NO 質量濃度下降。而且粒徑較小時還原區(qū)在徑向方向的范圍擴大,因此在z=820 mm截面上粒徑較小時沿徑向方向NO質量濃度持續(xù)減小。在主燃區(qū)出口截面上,隨著粒徑增大,NO 質量濃度先降低后增加,且R90=20%時NO 質量濃度最低,為438 mg/m3(6%O2),因此在此粒徑下燃燒最有利于NO的減少。
圖9 不同粒徑下主燃區(qū)徑向NO分布Fig.9 Radial distribution of NO in the primary combustion zone under different particle size
煤粉燃燒過程中,燃料細度降低,著火提前,有利于燃燒后NO 的還原。本文研究的半焦與煙煤摻燒過程中也存在類似現象,說明該過程中NO 的生成還原特性與煤粉單獨燃燒時的NO 生成特性有相似之處。
通過在中試試驗臺上對半焦和煙煤的混合燃料進行燃燒試驗,研究了粒徑R90=10%,15%,20%,25%時混合燃料的著火和燃燒特性,得到如下結論。
(1)隨著粒徑的增加,著火距離先減小后增加。R90=20%時的著火距離最短,為166 mm;R90=25%時的著火距離最長,為199 mm。
(2)隨著粒徑的增加,燃燒初期反應速率逐漸減弱,但整體燃燒強度先增強后又減弱,當R90=20%時整體燃燒強度最強。
(3)整個燃燒過程中NO 的生成均隨粒徑的增加而減少,綜合考慮著火穩(wěn)定性和主燃區(qū)出口NO排放質量濃度,本試驗條件下最適宜的粒徑是R90=20%。