100 t/d氣化飛灰預熱燃燒鍋爐設計與運行

2021-07-03 02:14:06滿承波朱建國呂清剛歐陽子區劉敬樟

潔凈煤技術 2021年3期

滿承波，朱建國，2，呂清剛，2，歐陽子區，劉敬樟

(1.中國科學院工程熱物理研究所，北京 100190；2.中國科學院大學，北京 100049)

0 引言

煤氣化技術是煤炭梯級利用的主要方式之一，近年來發展迅速、使用廣泛。流化床煤氣化是較常見的一種煤氣化工藝[1-3]，其產生的煤氣熱值為5 000～6 300 kJ/m3，作為工業燃氣在化工、冶金、陶瓷等領域得到了廣泛應用。但流化床煤氣化產生的氣化飛灰低位發熱量可達12～25 MJ/kg，且產量巨大，若能加以利用將大幅提高流化床煤氣化工藝的煤炭利用率。由于流化床氣化爐產生的氣化飛灰揮發分極低(Vdaf<3%)，傳統燃燒方式很難處理。

國內外針對氣化飛灰直接燃燒的研究與應用較少，較為相近的研究主要是針對低揮發分無煙煤和蘭炭。無煙煤的燃燒技術研究主要集中在W火焰鍋爐技術方面，但W火焰鍋爐燃燒溫度較高，因此NOx排放均普遍較高(>800 mg/m3)[4-5]。國內通過引進和改進國外技術，在W火焰鍋爐技術、旋流燃燒技術等方面對燃用無煙煤、貧煤等低揮發分煤種也開展了研究和工程實踐，部分W火焰鍋爐已能將NOx原始排放降至800 mg/m3以下，最低達547 mg/m3[6-11]。流化床鍋爐的煤種適應性廣，也被用于燃用無煙煤，但其燃燒溫度偏低，因此燃燒效率較低。Adanez等[12]在循環流化床試驗研究中發現，無煙煤的燃燒效率僅在90.5%～93.0%。何宏舟等[13-15]研究了福建無煙煤在循環流化床中的燃盡特性，表明燃燒效率一般不超過90%。可見，循環流化床技術可解決無煙煤的著火和穩燃問題，但燃燒效率偏低。20世紀80年代，日本學者提出高溫空氣燃燒技術，將空氣預熱至800 ℃以上，然后與燃料混合燃燒[16]，Suda等[17]研究結果表明，該技術可縮短煤粉的著火時間，提高燃燒穩定性，對于揮發分較低(9.8%)的無煙煤可實現穩定的著火燃燒。但該技術多用于氣體燃料燃燒，煤粉燃燒并未進入工程實踐。蘭炭也是一種超低揮發分碳基燃料，近年來作為煤干餾等工藝的副產品也面臨處理問題。我國對蘭炭的大比例摻燒開展了相關研究，在135[18]、300[19-20]和660 MW[21-22]煤粉鍋爐上實現了煙煤摻燒蘭炭的穩定運行，蘭炭的揮發分約為10%，最高摻燒比例為50%，燃燒效率可達98%以上，但尚無法實現更高比例蘭炭的摻燒。

因此，目前無煙煤和蘭炭等低揮發分燃料的燃燒難以實現高效低氮，電站鍋爐摻燒比例低于50%，工業鍋爐鮮見相關研究，揮發分低于3%的超低揮發分燃料在工業鍋爐中100%純燃鮮見報道。本文針以一臺100 t/d氣化飛灰鍋爐的設計、建設和調試運行情況為例，對預熱燃燒技術在氣化飛灰燃燒方面的工程應用進行介紹，闡述了一種超低揮發分燃料高效低NOx利用的可行技術路線。

1 鍋爐設計

1.1 設計依據

預熱燃燒技術是由中國科學院工程熱物理研究所提出的創新性燃燒技術。該技術將煤粉燃燒分為2個階段：第1階段為預熱階段，將煤粉通入流化床式的燃燒器中，配以較低當量比的空氣，煤粉在強還原性氣氛下發生熱解、氣化和部分燃燒，反應生成焦炭和煤氣的混合物，釋放的熱量將燃料自身加熱至800 ℃以上；第2階段為燃燒階段，將預熱產生的高溫焦炭與煤氣混合物通入爐膛，與空氣混合進行燃燒，實現燃料燃盡。該技術路線利用流化床燃料適應性廣的優點，首先將燃料加熱至自身燃點以上的溫度，再送入爐膛配風進行燃燒，從而解決了超低揮發分燃料著火困難的問題。

近年來，在30～2 000 kW試驗平臺上開展了機理、小試和中試試驗研究[23-26]，燃用的燃料包括無煙煤和熱解半焦(Vdaf<10%)、氣化飛灰(Vdaf<3%)，均實現了燃料的順利點火、穩定燃燒和高效燃盡，燃燒效率>95%、NOx<200 mg/m3(6% O2)，證明了該技術路線的可行性和先進性。在前期機理研究和中試試驗的數據支撐下，于2017年在廣西河池市建成了100 t/d氣化飛灰預熱燃燒鍋爐示范工程，用于處理2臺2.5萬m3/h流化床煤氣化爐產生的氣化飛灰，氣化飛灰干燥無灰基揮發分約2.82%，低位發熱量為23.59 MJ/kg。該鍋爐于2018年調試運行，2019年通過(72+48) h運行考核。

1.2 燃料成分

氣化飛灰鍋爐的燃料受其前端煤氣化工藝的影響很大，該100 t/d鍋爐與其前端的煤氣化爐同時開展設計，無法獲得準確的燃料成分，因此最初采用類似的其他煤氣化爐的氣化飛灰燃料成分開展設計(表1)。但項目投運后由于煤氣化爐入爐煤質和運行參數不同，其產生的氣化飛灰成分與設計參數有較大不同，最終運行按照實際燃料成分進行校核和調整。

表1 氣化飛灰成分分析

實際燃料的工業分析、元素分析和發熱量見表1。可知該種燃料的低位發熱量高達23.59 MJ/kg，熱值與動力用煤相當，說明氣化飛灰中的殘留可燃物含量仍較高，具有進一步燃燒利用的價值。但氣化飛灰的干燥無灰基揮發分極低，僅為2.82%，現有煤粉燃燒技術均無法燃用該種燃料。另外，氣化飛灰的水分較低，這是由于該種燃料是粉煤在流化床煤氣化爐內900 ℃左右高溫條件下發生煤氣化反應后產生的副產品，直接經倉泵輸送至儲倉，避免了吸水過程，這為燃料的輸送提供了有利條件。

由于預熱燃燒技術的燃燒器為循環流化床型式，因此燃料粒徑可能對燃燒器的運行產生一定影響。本文采用FRITSCH Analysette 22 NanoTec 激光粒度儀+干法測量，獲得了氣化飛灰的粒徑分布，如圖1所示。全部燃料顆粒直徑在0～120 μm，其中d90和d50分別為74 μm和38 μm，與傳統煤粉爐燃用的煤粉粒徑較相似。

圖1 氣化飛灰的粒徑分布Fig.1 Particle size distribution of gasification fly ash

1.3 主要設計參數

氣化飛灰鍋爐的主要設計參數見表2。該鍋爐設為一臺飽和蒸汽鍋爐，額定蒸汽量為20 t/h，額定溫度和壓力分別為249 ℃、3.82 MPa，設計燃料消耗量為100 t/d。但由于實際產生的氣化飛灰熱值與設計之初偏差較大(表1)，因此該鍋爐在運行時的實際燃料消耗量與設計消耗量有較大差別。由于鍋爐的燃燒器熱功率、爐膛受熱面等已確定，因此按照輸入熱功率不變估算，實際的氣化飛灰消耗量約為57.6 t/d。

表2 鍋爐主要設計參數

1.4 工藝流程

鍋爐的工藝流程如圖2所示，主要包括煙風系統、水系統、物料系統、點火燃燒系統和尾部煙氣處理系統。鍋爐的現場照片如圖3所示。

圖2 鍋爐工藝流程Fig.2 Technical process of the boiler

圖3 鍋爐實物圖Fig.3 Photograph of the boiler

氣化飛灰從煤氣化爐產生后輸送至一個儲倉，通過給粉機落入送粉管，由送粉風攜帶送入預熱燃燒器。燃料在預熱燃燒器中與一次風混合后實現流態化高溫預熱反應，形成的高溫預熱燃料從爐膛底部進入爐膛。二次空氣從爐膛底部配入，與高溫預熱燃料混合進行燃燒。三次風經低溫空氣預熱器和高溫空氣預熱器預熱后在爐膛不同高度位置水平送入爐內，促進燃料燃盡。燃燒產生的高溫煙氣經余熱回收及廢氣處理系統后由引風機送至煙囪。再循環煙氣從袋式除塵器后面抽出，在必要時送入爐底，與二次風混合進入爐膛，以調節燃燒溫度和NOx排放。

2 鍋爐運行情況

作為基于預熱燃燒技術路線的鍋爐示范項目，該鍋爐于2018年進行多次調試，于2019年通過運行考核，在60%～100%負荷下連續穩定運行(72+48) h。

2.1 燃燒器運行情況

燃燒器為循環流化床結構。送粉風攜帶氣化飛灰進入燃燒器，一次風提供床料和燃料的流化所需空氣，燃燒器內總的空氣當量比約為0.2。在最初升溫引燃過程完成后，氣化飛灰在燃燒器內0.2當量比的強還原性氣氛下發生熱解、氣化和部分燃燒反應，實現自維持預熱。循環流化床燃燒器內設有4個K型熱電偶，其中3個設置在提升管的上、中、下部，另一個在U型返料器內。4個測溫點的溫度隨時間的變化如圖4所示。可以看出，在120 h運行過程中，4個溫度點溫度相近且曲線平滑，說明燃燒器運行穩定、溫度均勻，物料循環正常，氣化飛灰可穩定連續預熱到900 ℃左右，達到預熱效果。

圖4 燃燒器內的溫度變化Fig.4 Change of temperature in the CFB burner

2.2 爐膛運行情況

鍋爐爐膛中沿高度方向布置7個熱電偶，插深為300 mm，即測量距離壁面300 mm處的溫度，其120 h溫度變化曲線如圖5所示。二、三次風為預熱后的燃料提供了充足的氧氣，實現了爐內燃燒穩定，因此圖5中各溫度曲線均穩定變化。為了分析爐膛內的溫度分布，選取2個不同運行負荷下不同爐膛高度的特征溫度進行對比，如圖6所示。可見，鍋爐在70%和80%負荷下爐膛內的溫度分布趨勢大致相同，且溫度沿爐膛高度方向變化不大，高度400～10 000 mm的溫度在800～1 050 ℃，與傳統煤粉鍋爐相比，溫度分布更均勻。除溫度沿高度分布較為均勻外，該鍋爐的最高燃燒溫度也較低。采用紅外測溫槍測得的爐內火焰最高溫度約為1 200 ℃，明顯低于傳統煤粉鍋爐主燃燒區的最高溫度(一般超過1 400 ℃)。

圖5 爐膛內的溫度變化Fig.5 Temperature changing in the furnace

圖6 爐膛內沿高度方向的溫度變化Fig.6 Change of temperature along the height in the furnace

該鍋爐能夠實現燃燒溫度較低的原因是其爐膛配風方式和比例與傳統煤粉鍋爐不同。傳統煤粉鍋爐的二次風當量不低于0.6～0.8，主燃燒區總空氣當量比在1.0左右，實現主燃燒區的高溫高氧濃度燃燒，以確保燃料的著火和穩燃。鍋爐采用預熱燃燒技術，預熱燃料的燃燒具有特殊性[27]。由于氣化飛灰進入爐膛前，已在預熱燃燒器中被預熱至850 ℃以上，高于燃料自身的燃點，因此在進入爐膛后只要將二次風合理配入即可點燃。鍋爐二次風當量比為0.2～0.4，主燃燒區總空氣當量比僅為0.4～0.6，仍可實現良好的著火和穩燃效果，燃料燃盡所需的空氣再由爐膛上部不同高度布置的三次風提供。因此，在這種配風形式和比例下，鍋爐在保持燃燒效率的前提下，爐內的最高溫度較低且整體溫度分布較均勻，有利于降低NOx排放。

2.3 燃燒效率

工程試驗研究了2種不同負荷下氣化飛灰的燃燒效率(表3)，可以看出，在70%和80%兩個負荷下，氣化飛灰均獲得了較高的燃燒效率。氣化飛灰的揮發分極低、灰分高，但飛灰含碳量和底渣含碳量均控制在較低水平。這是因為氣化飛灰在預熱燃燒器中進行高溫預熱過程中，燃料顆粒的性質發生改變，顆粒內部孔隙結構變大，化學反應表面積增加，達到了燃料改性效果，提高了燃盡性能，進而獲得了較高的燃燒效率。

表3 燃燒效率

2.4 NOx排放

在保證鍋爐燃燒效率條件下，對二次風比例進行調整。在70%和80%兩個負荷下，控制二次風當量比低于0.4，NOx排放情況見表4。可以看出，2個工況的NOx原始排放均低于300 mg/m3(6% O2)，其中80%負荷較70%負荷的NOx原始排放略有升高，一方面是由于80%負荷的二次風當量比略高，且主燃燒區溫度略高，2個因素均造成了NOx略有升高。但這2個工況的NOx原始排放均遠低于文獻[6-11]中無煙煤燃燒的NOx排放水平，甚至低于絕大多數煙煤鍋爐的NOx排放水平，這主要是因為：① 氣化飛灰在預熱燃燒器內預熱過程中，部分燃料氮在高溫強還原性氣氛下脫出，被還原為N2，實現了第1階段脫氮；② 在爐膛主燃燒區，二次風當量比低于0.4，主燃燒區總空氣當量比低于0.6，仍屬于強還原性氣氛，進一步抑制了NOx的生成。