鍋爐清潔燃燒技術(shù)的研究與應(yīng)用

鍋爐清潔燃燒技術(shù)的研究與應(yīng)用

1發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)中國的大氣污染，尤其是“三北”地區(qū)的大氣污染，主要是由鍋爐和爐氣產(chǎn)生的煤煙污染。因此，改變能源結(jié)構(gòu)，使用石油、天然氣、能源和其他清潔能源。這是解決和控制大氣污染的根本途徑。但我國目前能源消耗仍以煤炭為主,預(yù)計(jì)到2010年,煤炭消耗仍占我國總能源的70%,因此,大力發(fā)展和應(yīng)用潔凈煤技術(shù)是當(dāng)務(wù)之急,也是必由之路。近年來,人們已在潔凈煤燃燒技術(shù)方面進(jìn)行了廣泛的探索與實(shí)踐,開發(fā)出一些產(chǎn)品,如型煤鍋爐等,但綜合效果都不太理想。為解決燃煤對(duì)大氣的污染問題,我公司在總結(jié)、借鑒、完善、發(fā)展國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上,對(duì)原煤氣化技術(shù)進(jìn)行了專項(xiàng)研究,經(jīng)過上百次試驗(yàn)、攻克十多項(xiàng)技術(shù)難題后,掌握了一種鍋爐清潔燃燒技術(shù)。它集煤炭氣化、燃燒于一體,實(shí)現(xiàn)了原煤的連續(xù)燃燒與潔凈燃燒。實(shí)踐證明,節(jié)能環(huán)保效果良好。2鍋爐燃燒技術(shù)煤在燃燒過程中析出揮發(fā)物,而揮發(fā)物的燃燒對(duì)焦炭的燃燒起到制約作用,使固體碳的燃燒過程繁雜化、困難化。固體燃料氧化反應(yīng)過程中的次級(jí)反應(yīng),即一氧化碳和二氧化碳的產(chǎn)生以及一氧化碳的氧化反應(yīng)和二氧化碳的還原反應(yīng),都不利于固體碳和天然礦物煤的燃燒,而采用這種鍋爐燃燒新技術(shù)就可以有效地解決上述問題。該技術(shù)的燃燒機(jī)理是:通過低溫?zé)峤獾臏厥綒饣?把煤中易產(chǎn)生黑煙的可燃揮發(fā)分中的碳?xì)浠衔锵绒D(zhuǎn)換為煤氣,與脫去揮發(fā)分的半焦煤一同在主燃燒室進(jìn)行燃燒。這樣,在同一個(gè)燃燒室內(nèi)氣態(tài)燃料與固態(tài)燃料有聯(lián)系、互相依托、相互促進(jìn)地按照各自的燃燒規(guī)律和特點(diǎn)分別燃燒,達(dá)到或接近完全燃燒,消除了黑煙,提高了燃燒效率,進(jìn)而,達(dá)到潔凈燃燒和提高鍋爐熱效率的雙重功效。燃燒機(jī)理如圖1所示,雙點(diǎn)劃線框內(nèi)表示固態(tài)煤和焦炭的燃燒過程,單點(diǎn)劃線框內(nèi)表示氣態(tài)煤氣的燃燒過程,實(shí)線框內(nèi)表示煤的干餾過程,虛線框內(nèi)表示焦炭的氣化過程。3鍋爐結(jié)構(gòu)組成先進(jìn)的燃燒技術(shù)要配有合理的鍋爐結(jié)構(gòu),才能取得良好的節(jié)能環(huán)保效果。與普通煤氣鍋爐和層燃鍋爐相比,應(yīng)用此種技術(shù)的鍋爐有著自己獨(dú)特的結(jié)構(gòu),這種鍋爐的主體由三大部分組成:前部為煤氣化室,中部為主燃燒室,尾部為對(duì)流受熱面(鍋爐結(jié)構(gòu)原理圖如圖2,結(jié)構(gòu)示意圖如圖3)。(1)燃燒半焦的工藝條件這是該鍋爐的技術(shù)核心部分,它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)開放式的煤氣發(fā)生爐,其主要功能:一是把煤中的可燃揮發(fā)分釋放出來,以煤氣的形式排入到主燃燒室進(jìn)行燃燒;二是把釋放出揮發(fā)分后的半焦煤分階段推送到主燃燒室進(jìn)行燃燒;三是控制氣化室內(nèi)反應(yīng)溫度和熱半焦煤層厚度。實(shí)現(xiàn)上述功能的關(guān)鍵:一是保證一定的原煤層;二是在煤氣化室和主燃燒室的連接部位,合理配置上部煤氣出口和下部半焦煤出口。當(dāng)氣化室內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定條件時(shí),采用安全液壓推動(dòng)裝置把氣化室內(nèi)脫去揮發(fā)分的高溫半焦煤推送到主燃燒室的爐排上,進(jìn)一步燃燒。(2)煤氣燃燒加工過程其主要功能:一是使煤氣和半焦煤燃燒完全,提高燃燒效率;二是降低煙塵初始排放量,使煙氣黑度小于林格曼一級(jí)。氣化室內(nèi)產(chǎn)生的煤氣經(jīng)上部煤氣出口,噴入燃燒室,在可控二次風(fēng)的擾動(dòng)下,旋向下方與由氣化室推入到主燃燒室的半焦煤向上的火焰相交,混合燃燒。煤氣燃燒與固定碳燃燒相結(jié)合,強(qiáng)化了燃燒,達(dá)到了充分燃盡、潔凈燃燒的目的,提高了燃燒效率;因?yàn)樵跔t排上的燃燒是半焦化的煤,因此產(chǎn)生的飛灰量小、煙塵濃度、煙氣黑度都較低;在主燃燒室上方設(shè)置了防爆門,確保鍋爐的安全運(yùn)行。(3)主流場其主要功能是完成與煙氣的熱量交換,達(dá)到鍋爐額定出力,提高鍋爐換熱效率。其結(jié)構(gòu)型式可有多種。4半焦焦?fàn)t內(nèi)氣化煤氣的燃燒原煤首先在氣化室缺氧條件下燃燒和氣化熱解,煤層從下部引燃,形成下部為氧化段、中部為還原段、上部為干餾段的結(jié)構(gòu)(燃燒示意圖如圖4)。以空氣為主的氣化劑從氣化室底部鼓入,在氣化段內(nèi)使底部煤層氧化燃燒,生成的煙氣中含一定量的一氧化碳,此高溫?zé)煔饬鹘?jīng)干餾段,對(duì)煤料進(jìn)行干燥、預(yù)熱、干餾。煤料從氣化室上部加入,隨著煤料的下降和吸熱,升溫干餾過程緩慢進(jìn)行,逐漸析出揮發(fā)分,形成干餾煤氣。其成分主要是水分、輕油和煤中揮發(fā)物。由干餾段形成的熱半焦煤進(jìn)入到還原段后,靠部分半焦煤的氣化反應(yīng)熱,進(jìn)行氧化反應(yīng),同時(shí)可注入適量的水蒸氣,發(fā)生水煤氣反應(yīng),這樣,以空氣和水蒸氣的混合物為氣化劑,在氣化室內(nèi)與灼熱的炭作用生成氣化煤氣。其成分主要是一氧化碳和二氧化碳以及由固體燃料中的碳與水蒸氣、碳與產(chǎn)物、產(chǎn)物與產(chǎn)物之間反應(yīng)生成的氫氣、甲烷,還有50%以上的氮?dú)狻＿@樣干餾段生成的干餾煤氣和進(jìn)入干餾料層的氣化煤氣混合,由頂部的煤氣出口排出,得到400℃左右的熱粗煤氣。在鍋爐的氣化室中,煤料自上而下加入,在氣化過程中逐步下移,氣化劑則由下部進(jìn)入,通過爐柵自下而上,生成的煤氣由燃料層上方引出。這一過程屬逆流過程,它能充分利用煤氣的顯熱進(jìn)行爐料的干燥、預(yù)熱和干餾,又能利用氣化室底部灰渣的顯熱預(yù)熱氣化劑,從而提高了鍋爐的熱效率,并且由于干餾煤氣不經(jīng)過高溫區(qū)裂解,使氣化煤氣的熱值有所提高。在氣化室中,氮氧化物一部分在煤層半焦催化作用下反應(yīng)生成氮?dú)?、水蒸氣和一氧化?一部分在穿過上部還原段時(shí)被還原成氮?dú)?。在氣化室下出焦口附?溫度達(dá)到800～900℃時(shí),將脫去60%～90%揮發(fā)分的高溫半焦推送到主燃燒室的爐排上,其中剩余的少量揮發(fā)分在半焦內(nèi)部進(jìn)一步熱解氧化,氮氧化物在內(nèi)部被還原,生成的炭黑可燃物在經(jīng)過焦層表面時(shí)被燃盡。原煤經(jīng)氣化熱解產(chǎn)生的煤氣,經(jīng)過煤層上部的干餾段后,在氣化室頂部出氣口進(jìn)入主燃燒室,與充足的二次風(fēng)充分混合,旋向下方,在高溫條件下,自行點(diǎn)燃,與在主燃燒室爐排上半焦煤向上的火焰相交,這樣在主燃燒室內(nèi),煤氣與半焦煤按照各自的燃燒特點(diǎn)和方式分別燃燒,又相互聯(lián)系、相互促進(jìn),使一氧化碳和炭黑燃盡,達(dá)到或接近完全燃燒。5氣化室內(nèi)煤氣燃燒的特點(diǎn)(1)煙塵濃度、煙氣黑度低,環(huán)保性能好不管是從氣化段生成的氣化煤氣,還是在干餾段生成的干餾煤氣,最終都混合在一起進(jìn)入主燃燒室與送入的二次風(fēng)充分混合,因是氣態(tài)燃料,由于供氧充分,容易達(dá)到完全燃燒,使一氧化碳和炭黑燃盡。在氣化室從干餾段和還原段下來的熾熱半焦煤中,60%～90%的揮發(fā)分已被析出,從而避免了揮發(fā)物對(duì)固定碳燃燒的不良影響。這樣,當(dāng)熾熱的半焦煤被送入到主燃燒室燃燒時(shí),剩余的揮發(fā)分在半焦內(nèi)部進(jìn)一步得到熱解氧化,一氧化碳和生成的炭黑等可燃物在通過焦層表面時(shí)被燃盡。因此,產(chǎn)生的煙氣黑度較低,并且半焦煤燃燒時(shí)產(chǎn)生的飛灰量小,所以煙塵濃度低。(2)節(jié)約能源、熱效率高煤料在氣化室內(nèi)氣化熱解之后再燃燒,不僅避免了揮發(fā)物、一氧化碳、二氧化碳等對(duì)焦炭燃燒的不良影響,而且從氣化室頂部出口,進(jìn)入主燃燒室的熱煤氣更容易燃燒,并對(duì)下部半焦煤的燃燒有一定促進(jìn)作用。進(jìn)入主燃燒室的熾熱半焦煤,已脫去大部分揮發(fā)分,不僅有較高溫度,而且具有內(nèi)部孔隙,能增強(qiáng)內(nèi)部和外部擴(kuò)散氧化反應(yīng),起到強(qiáng)化焦炭燃燒的作用,從而在較低過量空氣系數(shù)下,使一氧化碳和炭黑燃盡,燃燒更加充分,因而降低了化學(xué)和機(jī)械不完全燃燒損失,提高了煤的燃燒效率。經(jīng)測(cè)定,與普通機(jī)械層燃爐相比,節(jié)煤10%～15%。(3)氮氧化物的排放低在氣化室,煤層從下部引燃,在下部燃燒,在氣化室內(nèi)煤層形成下部為氧化區(qū)、上部為還原區(qū)的結(jié)構(gòu)?？傮w上,氣化室內(nèi)溫度比較低,屬低溫燃燒,而且氣化室內(nèi)過量空氣系數(shù)很小,大約在0.7～1.0,屬低氧燃燒。所以,這種結(jié)構(gòu)為降低氮氧化物排放提供了有利條件。煤中有機(jī)氮含量小,并處在還原氣氛中,只轉(zhuǎn)變成不參與燃燒的無毒氮分子。另外,進(jìn)入主燃燒室燃燒的半焦煤中,剩余的揮發(fā)分在半焦內(nèi)部進(jìn)一步得到熱解氧化,氮氧化物在半焦煤內(nèi)部被進(jìn)一步還原,從而控制和減少了氮氧化物的生成與排放。(4)有一定的脫硫作用煤中的硫主要以無機(jī)硫(黃鐵礦和硫酸鹽)和有機(jī)硫的形式存在,而硫酸鹽幾乎全部存留在灰渣中,不會(huì)造成燃煤污染。在這種燃燒方式中,煤中的黃鐵礦硫(FeS2)和有機(jī)硫在氣化室內(nèi)發(fā)生熱解反應(yīng),與發(fā)生煤氣中的氫氣發(fā)生還原反應(yīng),使煤中的硫以H2S的形式脫除釋放出來。而且,在氣化室下部,溫度在700～950℃,恰好是脫硫劑發(fā)揮作用的最佳反應(yīng)溫度。如燃用含硫量較高的煤,只需在碎煤粒中添加適量的石灰石或白云石,即可得到較好的脫硫效果,從而大大降低煙氣中二氧化硫的含量。(5)易于操作和控制煤氣的發(fā)生和燃燒在同一設(shè)備的兩個(gè)裝置中進(jìn)行,不用設(shè)煤氣點(diǎn)火室,煤氣在主燃燒室內(nèi)由明火自行點(diǎn)燃,便于操作和控制,簡化了運(yùn)行管理。(6)煤層在氣化室內(nèi)從下部引燃,因而燃燒穩(wěn)定,可燃劣質(zhì)煤和燃點(diǎn)高的煤,煤種適應(yīng)性強(qiáng)。6顆粒大小對(duì)煤氣質(zhì)量的影響在同樣的條件下,燃料的反應(yīng)性好,可以得到較多的可燃?xì)怏w;燃料的結(jié)渣性弱,則氣化段可允許較高的溫度而使煤氣的成分好;若適當(dāng)減小顆粒的大小,可使反應(yīng)表面積相對(duì)增加,有利于二氧化碳的還原和水蒸氣的分解反應(yīng),改善煤氣質(zhì)量。因此,煤的氣化分段燃燒對(duì)燃料的性質(zhì)、燃料層厚度有一定的要求。(1)煤種的圍內(nèi)其煤種適應(yīng)性較廣,在難熔區(qū)或中等結(jié)渣范圍以內(nèi)的煤種均適合。其中褐煤、長焰煤、不粘結(jié)或弱粘結(jié)煙煤、小球型煤是比較理想的燃料,而粘結(jié)性大和灰熔點(diǎn)低的煙煤不適合。(2)粒度要求粒度最好在13～40mm,小于13mm的應(yīng)不大于15%,細(xì)粉不得超過5%,目的是