低質(zhì)煤強化燃燒 一、 低質(zhì)煤的定義與當前背景 定義：通常將含碳量低、發(fā)熱量低、灰分高、不易著火的煤稱之為低質(zhì)煤 低質(zhì)煤的物化性質(zhì)：水分含量高（全水分高達20%-50%，有的達到60%）， 氧含量高（約占有機質(zhì)的20%）,發(fā)熱量低：一般在4500kcal/kg以下。由于含水 量大，氧含量高，熱值低，易風化（低溫氧化變質(zhì)），易自燃，降低燃燒效率等 特性決定其應用受到很大限制。目前低質(zhì)煤的利用主要有以下途徑： 1、經(jīng)干燥后，直接作為燃料使用。 2、 經(jīng)過輕度熱解、氣化，進行餾分分離再分別加以利用。 3、 經(jīng)干燥后直接進入氣化爐，制備合成氣。 4、經(jīng)干燥后直接進入液化裝置，生產(chǎn)油品。 二、 低質(zhì)煤的提質(zhì)與燃燒 為了實現(xiàn)低質(zhì)煤的強化燃燒，可以從低質(zhì)煤的提質(zhì)和燃燒兩個方面著手。 低質(zhì)煤提質(zhì)是指通過物理的或者化學的方法使低質(zhì)煤的品質(zhì)提高的過程。包括干 燥（成型）提質(zhì)、熱解（干餾）提質(zhì)和其他特殊方法提質(zhì)。 目前提質(zhì)的方法主要有: 1. 熱風爐、熱煙氣直接干燥法 2. 蒸汽直接、間接干燥法 3. 微波干燥提質(zhì)法 4. 低質(zhì)煤熱解提質(zhì)法 熱風爐、熱煙氣直接干燥法和蒸汽直接、間接干燥法主要是通過不同的熱載 體將煤中的外水提出來，一般熱效率在85%以內(nèi)，干燥后的全水一般在3-15%， 未進行化學反應，煤炭化學特性不發(fā)生改變。 低質(zhì)煤 低質(zhì)煤 低質(zhì)煤 熱解 5 川 “5(2 除了從煤的品質(zhì)上著手外，還可以通過加強低質(zhì)煤的著火和加強低質(zhì)煤的燃 盡從而強化低質(zhì)煤的燃燒。 （1）加強著火 由于低質(zhì)煤灰分高，本身發(fā)熱量低，燃料的消耗量增大，所以大量灰分在著 火過程中要吸收更多的熱量。我們可以通過將煤粉處理的越細，煤粉本身的熱阻 就會減小，煤粉進行燃燒反應的表面積就會越大，會加強煤粉的著火過程。如果 放熱曲線不變，減少爐內(nèi)散熱，散熱曲線將向右移，有利于著火。因此， 為了 加快和穩(wěn)定低質(zhì)煤的著火，常在燃燒器區(qū)域用鉻礦砂等耐火材料將部分水冷壁遮 蓋起來，構(gòu)成所謂燃燒帶。這樣就可以通過減少水冷壁的吸熱量，也就是減少燃 燒過程的散熱量來提高燃燒器區(qū)域的溫度水平，從而改善煤粉氣流的著火條件。 圖一中：當爐膛爐壁溫度為 Tb1 時，放熱曲線和散熱曲線相交于 1 點，穩(wěn) 定，緩慢氧化。 圖二中：當爐壁溫度為 Tb2 時，放熱曲線和散熱曲線相交于 2 點，不穩(wěn)定， 開始著火，2 點對應的溫度為著火溫度。另一個焦點3是穩(wěn)定的燃燒工況點，對 應的溫度為燃燒溫度。 圖三中：當爐膛壁溫為Tb2,且散熱較大時，放熱曲線和散熱曲線分別交于 4 點和 5 點。 （2）加強燃盡 ① 供應充足而又合適的空氣量。 空氣量常用爐膛出口處過量空氣系數(shù) a1 表示，若它過小，即空氣量供應不 足，會增大不完全燃燒熱損失q3和q4,使燃燒效率降低；過大會降低爐溫，也 會增加不完全燃燒熱損失。因此，合適的空氣量應根據(jù)爐膛出口最佳過量空氣系 數(shù)來供應。一般 a1=1.2~1.25。 ② 適當?shù)臓t溫。 爐溫高，著火快，燃燒速度快，燃燒過程便進行的猛烈，燃燒也易于趨向完 全。但是爐溫也不能過分的提高，因為過高的爐溫不但會引起爐內(nèi)結(jié)渣，也會引 起膜態(tài)沸騰（在加熱壁面上生成一層連續(xù)的蒸汽膜覆蓋壁面，產(chǎn)生蒸汽的現(xiàn)象。 蒸汽膜的絕緣性使熱量交換變得很差，以致壁面會達到很高的溫度，而有燒毀的 危險），同時因為燃燒反應時一種可逆反應，過高的爐溫當然會使正反應速度加 快，但同時也會使逆反應速度加快。 ③ 空氣和煤粉的良好擾動和混合。 燃燒反應速度主要取決于煤粉的化學反應速度和氧氣擴散到煤粉表面的擴 散速度。因此，要做到完全燃燒，除保證足夠高的爐溫和供應充足而又合適的空 氣外，還必須使煤粉和空氣充分擾動混合，及時將空氣輸送到煤粉的燃燒表面去， 煤粉和空氣接觸才能發(fā)生燃燒反應。這就要求燃燒器的結(jié)構(gòu)特性優(yōu)良，一、二次 風混合良好，并有良好的爐內(nèi)空氣動力場。 ④ 爐內(nèi)有足夠的停留時間。 煤在爐內(nèi)的停留時間主要取決于爐膛容積、爐膛截面積、爐膛高度及煙氣在 爐內(nèi)的流動速度，這都與爐膛容積熱負荷和爐膛截面積熱負荷有關(guān)。 三、低質(zhì)煤燃燒技術(shù)及燃燒系統(tǒng)的設(shè)計 低質(zhì)煤煤粉的著火、穩(wěn)定燃燒需與燃燒器布置方式和鍋爐爐膛形狀整體綜 合相互配合 來實現(xiàn)。技術(shù)措施如下: ① 提高煤粉濃度和細度; ② 采用較低的一次風速; ③ 提高一次、二次風風溫； ④ 增強對著火區(qū)的熱輻射; ⑤ 延長燃料在爐內(nèi)的停留時間，保證燃料顆粒充分燃盡。爐膛結(jié)構(gòu)主要采 用四角切向、對沖燃燒、 U 型火焰、 W 型火焰和 CUF 火焰等燃燒技術(shù)，其中 U 型和 W 型火焰是主要燃燒技術(shù)[4] W型這種火焰結(jié)構(gòu)增加了煤粉在爐內(nèi)的停留時間，同時也使煤粉氣流較多 地接觸到高溫回流煙氣，有利于低質(zhì)煤的著火和燃盡。由于 W 型火焰燃燒效率 較國內(nèi)傳統(tǒng)的四角切圓燃燒方式要高約 3%，使得該技術(shù)成為各國燃燒低揮發(fā)分 煤種的主要選擇 。 W 型鍋爐爐膛設(shè)計的關(guān)鍵是下爐膛, 其設(shè)計的一些重要原則可以歸納如下 : a. 采用下噴 W 火焰爐型大大增加了煤粒在爐內(nèi)的停留時間 , 形成一長而 穩(wěn)定的火焰以保證難燃燃料的完全燃燒。此外, 選擇垂直燃燒可保證較高的管道 煤粉輸送速度, 而實現(xiàn)一次風粉以很低的速度噴入爐膛。這在水平燃燒的爐膛上 顯然是不可能的。 b. 將熱燃燒煙氣再循環(huán)至點燃區(qū)。回流高溫煙氣到燃燒器附近, 通過氣流再 循環(huán)和輻射 2 種方式加熱煤粒, 以增加著火熱源。 c. 采用分離或其它辦法, 增加入爐一次風粉氣流中的煤粉濃度。 d. 二次風分級燃燒送入點燃區(qū)和燃燒區(qū) , 燃料與燃燒空氣充分地混合 , 保 證煤粒在整個運動路途中獲得所需的氧氣。 e. 在爐拱和下爐墻上有選擇敷設(shè)耐火材料層 ,在著火區(qū)建立準絕熱狀態(tài), 增加著 火輻射熱源, 從而保證煤粉快速著火和穩(wěn)定燃燒。一定要在下爐膛、耐火材料敷 蓋層( 衛(wèi)燃帶) 、上爐膛和膜式壁水冷壁管之間建立起正確良好的熱平衡 , 才能 完成爐膛燃燒和傳熱這 2 個功能。下爐膛保證煤粉的快速著火和穩(wěn)定燃燒, 上爐 膛則使燃料有更長的停留時間以保證燃料持續(xù)地完全燃燒和爐膛出口的煙氣溫 度。 三、 總結(jié) (1) 低揮發(fā)分煤具有磨碎性差, 著火燃盡困難, 需要較高的著火與燃盡溫度 , 以及較長燃盡時間的特點 , 在電站鍋爐的設(shè)計和運行調(diào)整方面必須給予充分的 認識; (2) W型火焰鍋爐是一種比較好的低揮發(fā)分煤的燃燒方式 (3) 當前應強化低揮發(fā)分煤不同燃燒技術(shù)的研究 ,在提高燃燒穩(wěn)定性及經(jīng)濟性 的同時, 降低 NOx 的排放; 注重 W 型火焰鍋爐的完善化、不同煤種混燒和液態(tài) 排渣鍋爐低 NOx 燃燒技術(shù)的研究, 以適應低揮發(fā)分煤燃燒的不同需求。 參考文獻： [1] 馮俊凱 沈幼庭 楊瑞昌.鍋爐原理及計算3版.北京：科學出版社，2003. [2] 葉江明.電廠鍋爐原理及設(shè)備3版.北京：中國電力出版社，2010. [3] 徐躍年.低質(zhì)煙煤的燃燒特性研究..煤炭轉(zhuǎn)化,第18 卷第一期 [4] 陳冬林.基于準恒溫燃燒概念的低質(zhì)煤穩(wěn)燃新技術(shù).發(fā)電設(shè)備，2001 [5] 楊雅.適合低質(zhì)煤燃燒的催化助燃劑研究.煤炭轉(zhuǎn)化.第 36 卷第四期