王婷婷，朱建國，師永帥，張 震

(1.中國科學(xué)院 工程熱物理研究所，北京 100190；2.中國科學(xué)院大學(xué) 工程科學(xué)學(xué)院，北京 100049；3.華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206)

我國是煤炭能源占比最高的國家，是最大的能源消費(fèi)國，煤炭是我國的基礎(chǔ)能源和重要原料，煤炭產(chǎn)業(yè)關(guān)系國家經(jīng)濟(jì)命脈和能源安全。從中國2020年能源消費(fèi)比例來看，煤炭在未來相當(dāng)長一段時(shí)期內(nèi)仍是主體性能源[1-3]。

中國政府向世界已莊嚴(yán)承諾2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年實(shí)現(xiàn)碳中和，國務(wù)院等已經(jīng)印發(fā)了2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案。隨著風(fēng)電、太陽能等可再生能源并網(wǎng)，可再生能源發(fā)電比例不斷升高，且可再生能源具有周期性、波動(dòng)性和穩(wěn)定性差的特點(diǎn)，因此燃煤鍋爐電力系統(tǒng)的靈活性要求將大幅度增加，火電機(jī)組的調(diào)峰將成為運(yùn)行常態(tài)。

目前機(jī)組調(diào)峰變負(fù)荷范圍多為設(shè)計(jì)功率的40%～100%，當(dāng)負(fù)荷低于40%時(shí)，存在燃燒效率低、能耗高、NOx排放量大、燃燒穩(wěn)定性差等一系列影響運(yùn)行過程中的主要問題[4-7]。國內(nèi)外學(xué)者針對這些問題進(jìn)行相應(yīng)研究[8-10]，低負(fù)荷下煤粉的高效清潔燃燒特性也隨之成為當(dāng)前的主要問題和研究熱點(diǎn)，目前低負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行常采用的方法包括柴油輔助點(diǎn)燃、等離子體點(diǎn)燃等助燃技術(shù)，但因添加輔助能源或燃料使其經(jīng)濟(jì)性變差。關(guān)于低負(fù)荷向高負(fù)荷的變化過程，相關(guān)的試驗(yàn)研究和燃煤鍋爐數(shù)據(jù)還較為缺乏，難以掌握負(fù)荷調(diào)節(jié)中的燃燒特性和負(fù)荷變化特性。

中國科學(xué)院工程熱物理研究所2004年提出了預(yù)熱燃燒技術(shù)，即煤粉先經(jīng)過高溫預(yù)熱改性、預(yù)熱改性燃料入爐燃燒。煤粉在流態(tài)化裝置中實(shí)現(xiàn)自持預(yù)熱，預(yù)熱溫度高于800 ℃，超過燃料著火點(diǎn)，燃料預(yù)熱為不同負(fù)荷的穩(wěn)定高效燃燒提供了保障。國內(nèi)外學(xué)者以及實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)對煤、半焦、殘?zhí)康炔煌剂系念A(yù)熱燃燒開展了大量實(shí)驗(yàn)研究[11-23]，并應(yīng)用預(yù)熱燃燒技術(shù)研制了預(yù)熱燃燒器，開發(fā)了20～90 t/h煤粉預(yù)熱燃燒鍋爐。預(yù)熱燃燒技術(shù)體現(xiàn)了燃料適應(yīng)性寬、燃燒效率高和污染物排放低的性能優(yōu)勢，但在低負(fù)荷及變負(fù)荷下的一些特性還尚未開展研究。

從預(yù)熱燃燒技術(shù)的基本原理出發(fā)，分析認(rèn)為預(yù)熱燃燒在低負(fù)荷下具有燃燒穩(wěn)定性好的特征，且變負(fù)荷下燃料已經(jīng)預(yù)熱到900 ℃以上，因此，變負(fù)荷下其煤粉的高效燃燒和低污染排放均應(yīng)優(yōu)于常規(guī)煤粉燃燒方式。在此背景下，本文中開展煤粉預(yù)熱燃燒低負(fù)荷及變負(fù)荷特性的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究，期望為煤粉預(yù)熱燃燒技術(shù)在鍋爐調(diào)峰中的應(yīng)用提供一些支撐。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

原料為神木煙煤，來自陜西省榆林市，工業(yè)分析及元素分析結(jié)果見表1，煤粉粒徑為0～0.355 mm，粒徑累積體積分?jǐn)?shù)為10%、50%、90%所對應(yīng)的切割粒徑分別為18.54、118.32、301.8 μm。

表1 神木煙煤的元素分析和工業(yè)分析

1.2 裝置

千瓦級(jí)煤粉預(yù)熱燃燒綜合評價(jià)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)流程如圖1所示。平臺(tái)主要包括3個(gè)部分：一是用于煤粉預(yù)熱的循環(huán)流化床；二是用于預(yù)熱燃料燃燒的臥式燃燒室；三是試驗(yàn)臺(tái)輔助系統(tǒng)即給料系統(tǒng)、煙氣冷卻系統(tǒng)、布袋除塵系統(tǒng)、電輔熱系統(tǒng)、測控系統(tǒng)等。

1—空氣壓縮機(jī)；2—螺旋給料機(jī)；3—提升管；4—旋風(fēng)分離器；5—返料器；6—取樣點(diǎn)；7—臥式燃燒室；8—取樣點(diǎn)；9—水箱；10—煙氣冷卻器；11—布袋除塵器。

循環(huán)流化床預(yù)熱室由提升管、旋風(fēng)分離器以及返料器組成，預(yù)熱室的運(yùn)行溫度為850～900 ℃，爐體材質(zhì)為Cr25Ni20，其中提升管內(nèi)徑為81 mm，高度為1 500 mm。循環(huán)流化床預(yù)熱采用電爐輔熱形式，循環(huán)流化床預(yù)熱室共設(shè)有5個(gè)K型熱電偶溫度測點(diǎn)，其中提升管布置3個(gè)溫度測點(diǎn)，分別位于距提升管底部200、500、1 450 mm高度處，旋風(fēng)分離器出口和返料器底部各有1個(gè)溫度測點(diǎn)。一次風(fēng)從提升管底部供入，一方面用于流化，另一方面為煤粉在預(yù)熱室內(nèi)的氣化燃燒反應(yīng)提供助燃?xì)怏w。

臥式燃燒室內(nèi)截面為正方形結(jié)構(gòu)，邊長為500 mm，燃燒室長度為2 115 mm，沿燃燒室水平軸線575、825、1 225、1 625、2 025 mm處各有1個(gè)溫度測點(diǎn)，用于監(jiān)測臥式燃燒室內(nèi)溫度變化。中心風(fēng)從臥式燃燒室入口中心管給入，在中心口的外圍是預(yù)熱燃料給入口，內(nèi)二次風(fēng)和外二次風(fēng)依次從環(huán)縫給入，其中中心風(fēng)、預(yù)熱燃料噴口、內(nèi)二次風(fēng)和外二次風(fēng)的內(nèi)徑分別為20、57、73、159 mm。圖2所示為高溫煤基燃料和二次風(fēng)噴口結(jié)構(gòu)圖。此外，水平爐膛設(shè)有2層三次風(fēng)口，分別位于距離水平爐膛入口位置600、1 200 mm處，以對沖的方式給入爐膛。

圖2 高溫煤基燃料和二次風(fēng)噴口結(jié)構(gòu)圖

煤粉首先在循環(huán)流化床預(yù)熱室進(jìn)行流態(tài)化預(yù)熱改性，經(jīng)過預(yù)熱燃燒器預(yù)熱到850 ℃，預(yù)熱后的高溫氣固燃料溫度已超過燃料著火溫度，通過高溫燃料噴口進(jìn)入臥式燃燒室與二次風(fēng)混合，經(jīng)二次風(fēng)和三次風(fēng)配風(fēng)后進(jìn)行燃燒，燃盡后生成的煙氣經(jīng)過煙氣冷卻器冷卻，由布袋除塵器除塵后，經(jīng)引風(fēng)機(jī)從煙囪排出。

實(shí)驗(yàn)臺(tái)所用空氣全部由空氣壓縮機(jī)提供，啟用外二次風(fēng)和離燃燒室入口600 mm位置的三次風(fēng)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)分別在提升管和臥式燃燒室設(shè)置可控溫電輔熱，以便于開展不同溫度變化的實(shí)驗(yàn)研究。預(yù)熱的煤氣和煙氣成分可實(shí)時(shí)在線測量；尾部排放的煙氣可利用德圖Testo AG 350型便攜式煙氣分析儀實(shí)時(shí)在線測量；整個(gè)裝置的運(yùn)行由可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)控制。

為方便數(shù)據(jù)對比，CO和NOx，z的質(zhì)量濃度折算成統(tǒng)一標(biāo)態(tài)(煙氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)為9%，記為@9%O2)，如NOx的質(zhì)量濃度計(jì)算公式為

(1)

式中：ρz(NOx)為@9%O2時(shí)的質(zhì)量濃度折算值，mg/m3；φc(NOx)為NOx的體積分?jǐn)?shù)測量值，0.000 1%；φc(O2)為煙氣中O2體積分?jǐn)?shù)的測量值，100%。如果計(jì)算ρ(CO)的質(zhì)量濃度，則公式中46用28取代即可。

1.3 條件

實(shí)驗(yàn)的工況參數(shù)見表2。其中工況1為實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)功率的30%時(shí)預(yù)熱燃燒特性實(shí)驗(yàn)參數(shù)，工況2為實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)功率的42%時(shí)預(yù)熱燃燒特性實(shí)驗(yàn)參數(shù)。本實(shí)驗(yàn)對30%負(fù)荷時(shí)煤粉預(yù)熱燃燒的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上研究工況1～2的變負(fù)荷特性。

表2 實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)

相關(guān)參數(shù)的關(guān)系為

λCFB=APr/AStioc，

(2)

λSe=ASe/AStioc，

(3)

λTe=ATe/AStioc，

(4)

λ=λCFB+λSe+λTe，

(5)

式中：λCFB為循環(huán)流化床預(yù)熱室空氣體積流率比；λSe為二次風(fēng)空氣體積流率比，即給入的空氣體積流率與燃料完全燃燒所需要的理論空氣流率的比；λTe為三次風(fēng)空氣體積流率比；λ為過量空氣系數(shù)；APr為一次風(fēng)體積流率，m3·h-1；ASe為二次風(fēng)體積流率，m3·h-1；ATe為三次風(fēng)體積流率，m3·h-1；AStioc為燃料完全燃燒所需要的理論空氣流率，m3·h-1。

2 結(jié)果與分析

2.1 低負(fù)荷運(yùn)行特性

工況1為實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)功率的30%，工況1的循環(huán)流化床預(yù)熱室提升管不同位置的溫度分布如圖3所示。由圖可見，提升管內(nèi)溫度均勻性好，平均溫度為980 ℃，不同高度的溫差低于50 ℃，充分說明30%負(fù)荷下循環(huán)流化床預(yù)熱室內(nèi)物料混合良好。

圖3 提升管沿縱向溫度分布圖

預(yù)熱燃料進(jìn)入臥式燃燒室后，與同軸噴射的二次風(fēng)混合，發(fā)生燃燒反應(yīng)，未燃的燃料與三次風(fēng)混合后燃盡。臥式燃燒室的溫度分布見圖4，燃燒溫度范圍為850～1 000 ℃，不存在高溫區(qū)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)熱燃料柔和燃燒。

圖4 臥式燃燒室軸向距離溫度分布圖

平臺(tái)在30%負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的CO和NOx的質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化見圖5。測試結(jié)果表明，該工況條件下，煙氣中CO的質(zhì)量濃度折算值約25 mg/m3(@9%O2)，NOx的質(zhì)量濃度折算值約150 mg/m3(@9%O2)。

圖5 CO、NOx隨時(shí)間排放量

2.2 負(fù)荷變化特性

千瓦級(jí)煤粉預(yù)熱燃燒綜合評價(jià)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的負(fù)荷由30%增加至42%，1 min內(nèi)完成升負(fù)荷操作。

用Vload、VT、t1、t2、T1、T2分別表示負(fù)荷響應(yīng)速率、溫度變化速率、工況1穩(wěn)定時(shí)間、工況2穩(wěn)定時(shí)間、工況1穩(wěn)定溫度平均值即提升管溫度平均值、工況2穩(wěn)定溫度平均值。工況穩(wěn)定以10 min內(nèi)溫度變化不超過5 ℃作為判定標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算公式：

t=t2-t1，

(6)

(7)

(8)

式中t為變負(fù)荷過程的響應(yīng)時(shí)間，min。

在此定義下對預(yù)熱室和臥式燃燒室的負(fù)荷變化特性進(jìn)行分析。

2.2.1 循環(huán)流化床預(yù)熱室變負(fù)荷特性

循環(huán)流化床預(yù)熱室的溫度隨著負(fù)荷變化的曲線見圖6。根據(jù)上述定義，千瓦級(jí)煤粉預(yù)熱燃燒綜合評價(jià)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的負(fù)荷從30%增加到42%時(shí)，負(fù)荷變化直至穩(wěn)定的響應(yīng)時(shí)間為5 min，負(fù)荷變化前，工況1的平均溫度為965 ℃，負(fù)荷增加后，工況2的平均溫度為981 ℃，計(jì)算表明，該工況條件下預(yù)熱溫度變化速率為3.2 ℃/min，循環(huán)流化床預(yù)熱室的升負(fù)荷響應(yīng)速率為2.4%/min。

圖6 循環(huán)流化床預(yù)熱室溫度隨時(shí)間變化

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)負(fù)荷調(diào)節(jié)過程的預(yù)熱煤氣分析結(jié)果如圖7所示。煙煤進(jìn)入到循環(huán)流化床預(yù)熱室后被高溫的床料迅速加熱到800 ℃以上，此時(shí)會(huì)發(fā)生熱解和部分氣化反應(yīng)，這個(gè)過程中產(chǎn)生的煤氣中主要組分除了N2和CO2外，還包括可燃成分CO、H2、CH4。在變負(fù)荷的過程中，隨著給煤量和風(fēng)量的增加，CH4的體積分?jǐn)?shù)基本不發(fā)生變化；CO2的先減少然后再增加，CO和H2的先減少再增加。

圖7 煤氣成分隨時(shí)間變化

2.2.2 預(yù)熱燃料燃燒變負(fù)荷特性

預(yù)熱燃料通過噴口進(jìn)入臥式燃燒室后進(jìn)行燃燒，負(fù)荷變化過程中臥式燃燒室隨時(shí)間變化曲線如圖8所示。負(fù)荷從30%增加到42%的過程中，臥式燃燒室溫度響應(yīng)較循環(huán)流化床預(yù)熱室延遲，負(fù)荷變化直至穩(wěn)定的響應(yīng)時(shí)間為9 min。負(fù)荷變化前，工況1的平均溫度為825 ℃，負(fù)荷增加后，工況2的平均溫度為862 ℃，依據(jù)上述公式計(jì)算可得：燃燒室的溫度響應(yīng)速率為4.1 ℃/min；升負(fù)荷響應(yīng)速率為1.3%/min。

圖8 臥式燃燒室溫度隨時(shí)間變化

2.2.3 變負(fù)荷煙氣排放特性

圖9所示為升負(fù)荷時(shí)CO、NOx排放狀況。當(dāng)負(fù)荷增加時(shí)，由于大量的燃料在還原區(qū)來不及與空氣中的氧氣混合而發(fā)生不完全燃燒反應(yīng)，因此生成更多的CO，增加了NO的還原，降低了NOx的生成，出現(xiàn)CO升高NOx降低的現(xiàn)象；隨后燃料與空氣中的氧氣逐漸混合，CO生成量減少，NOx的生成量增加。負(fù)荷從30%增加至42%的過程中，NOx的質(zhì)量濃度由150 mg/m3(@9%O2)先降低至50 mg/m3(@9%O2)后升高至170 mg/m3(@9%O2)，CO的質(zhì)量濃度由25 mg/m3(@9%O2)先升高至80 mg/m3(@9%O2)后降低至15mg/m3(@9%O2)。

圖9 污染物排放隨時(shí)間變化

3 結(jié)論

1)30%負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，預(yù)熱燃燒系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，提升管內(nèi)溫度均勻性好，平均溫度980 ℃，溫差低于50 ℃，展現(xiàn)了低負(fù)荷下循環(huán)流化床預(yù)熱室仍有較好的運(yùn)行特性。預(yù)熱燃料實(shí)現(xiàn)柔和燃燒，燃燒溫度范圍是850～1 000 ℃。30%負(fù)荷下，預(yù)熱燃燒系統(tǒng)中CO質(zhì)量濃度折算值約為25 mg/m3(@9%O2)，NOx質(zhì)量濃度測試值約為150 mg/m3(@9%O2)。

2)負(fù)荷從設(shè)計(jì)功率的30%增加至42%，循環(huán)流化床預(yù)熱室的升溫速率為3.2 ℃/min，負(fù)荷響應(yīng)速率為2.4%/min；在升負(fù)荷的過程中，隨著給煤量和風(fēng)量增加，煤氣成分中CH4的體積分?jǐn)?shù)基本不發(fā)生變化；CO2的先減小然后再增大，CO和H2的先減小再增大。

3)負(fù)荷從設(shè)計(jì)功率的30%增加至42%，臥式燃燒室的升溫速率為4.1 ℃/min，負(fù)荷響應(yīng)速率為1.3 %/min。

4)負(fù)荷從設(shè)計(jì)功率的30%增加至42%，煤粉預(yù)熱燃燒煙氣中CO質(zhì)量濃度先升高后降低，NOx的質(zhì)量濃度先降低后升高。