CN104749315A - 含碳固体燃料混合燃烧试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含碳固体燃料混合燃烧试验装置，包括送风机、空气预热器、流量控制阀、试验炉和两个给粉器；试验炉的入口端设置了两燃烧器、两个一次风喷口和三个二次风喷口；空气预热器的输出端连接四个送风管路，四个送风管路上均设有流量控制阀，其中，第一送风管路送出的风将两给粉器中的煤粉分别送入各自连接的燃烧器，混合均匀后经两一次风喷口喷入试验炉中燃烧；第二、三、四送风管路分别通过三个二次风喷口向试验炉送风。本发明还提供了基于上述装置的试验方法。本发明在同一个平台上可开展炉前掺混和炉内掺烧两种混合燃烧方式的实验研究，获得不同含碳固体燃料混合燃烧优化工况信息，指导实际工业中的含碳固体燃料混合燃烧运行。

Description

含碳固体燃料混合燃烧试验装置及方法

技术领域

本发明属于固体燃料燃烧技术领域，具体涉及一种含碳固体燃料混合燃烧试验装置及方法，适用于对各种含碳固体燃料进行混合燃烧的优化研究。

背景技术

混合燃料燃烧技术是指将不同种类的燃料按一定比例进行掺混改变混配燃料的着火特性、结渣特性、燃尽特性、排放特性等，以适应不同燃烧设备对燃料的要求。常见的含碳固体燃料混合燃烧技术有混煤燃烧、煤与生物质混烧、污泥与煤混烧、煤与石油焦混烧等。

混煤燃烧技术是火力发电厂电厂拓宽煤源的一种重要技术，也是保证锅炉入炉煤质达到设计标准的有效手段。但是，如果混煤配置不合理，会造成燃烧设备运行水平下降，着火困难，燃烧不稳定，效率降低，结渣积灰加剧，污染物排放增加等问题，甚至造成停炉事故。在现有燃煤条件下，为最大限度地保证燃煤供应，混煤燃烧已成为火电厂的必然选择。同时也需要对混烧燃烧技术进行更全面和深入的研究，保证锅炉混煤燃烧运行时燃烧稳定性、经济性、安全性、环保性的要求。

与煤、石油、天然气等常规能源相比，生物质具有来源广，CO2零排放，SO2、NOx和灰渣排放少，以及可再生等优点。生物质燃烧虽然具有上述优越性，但在电厂的大规模应用中受到生物质本身热值低、形状不规则等特性的限制，难以保证纯烧生物质锅炉燃烧的稳定性和经济性。而使用生物质和煤作为原料进行混烧，相对于纯生物质燃烧来说可以大大提高生物质的利用率，具有十分广阔的前景。生物质与煤混烧也存在一些问题：如生物质原料的供应；混烧比例问题；生物质燃料引起的结渣和腐蚀问题；污染问题等。对生物质和煤混烧进行深入的研究，对推动生物质与煤混烧发电具有重要意义。

污泥是污水处理的副产品，其对环境危害主要使水源水质恶化，污染土壤农作物等。如何妥善处置这些污水处理过程中产生的总量巨大的污泥，以减少对环境的污染，已成为亟待解决的关键问题。污泥的焚烧是指依靠污泥自身的热值或添加适当的辅助燃料，对脱水或烘干后的污泥进行焚烧处理的过程。根据测算，利用热电厂锅炉焚烧污泥比专门建造污泥焚烧处理系统的成本要低的多。污泥具有的热值可以给燃煤电站带来经济效益，同时也为污泥处置带来便利，所以对污泥与煤混烧相关问题的理论研究对推动污泥混煤燃烧在火电厂中的运用具有重要作用。

在生物质混煤燃烧与污泥混煤燃烧的实际应用中，大多数是将经过处理后的生物质或污泥与煤预先混合后再送入炉膛燃烧，这是“炉前掺混”混合燃烧方式。在含碳固体燃料混合燃烧技术的运用中，除“炉前掺混”混合燃烧方式外，亦有“炉内掺烧”混合燃烧方式，“炉内掺烧”混合燃烧方式是指具有多燃烧器结构的燃烧设备在不同燃料混烧运行过程中，存在不同燃烧器燃用不同燃料的现象。由于此时不同燃料的混合过程是在炉膛内与燃烧过程同时进行的，故称之为“炉内掺烧”混合燃烧方式。目前有关含碳固体燃料混合燃烧的研究多集中于2种含碳固体燃料混合后再在单燃烧器炉膛中燃烧的工况，因此只能开展“炉前掺混”方式的研究，而大型燃烧设备通常都配有多个燃烧器。大型燃烧设备系统和现场操作复杂，若以其为平台对含碳固体燃料混合燃烧进行实验研究，不但会消耗大量的人力，而且成本高，周期长，还具有一定的风险。上述分析表明，为满足各种实用需要，亟需对含碳固体燃料“炉内掺烧”混合燃烧方式进行研究，并与“炉前掺混”混合燃烧方式对比。因此需要解决的一个重要问题就是设计出具有多燃烧器炉膛结构、与实际工业燃烧条件接近且操作控制简单方便的实验研究平台，获得不同含碳固体燃料混合燃烧优化信息，指导实际工业中的含碳固体燃料混合燃烧运行。

发明内容

针对存在的问题，本发明提出的一种含碳固体燃料混合燃烧试验装置及方法，其目的在于，在同一个平台上可开展“炉前掺混”和炉内掺烧”两种混合燃烧方式的实验研究，获得不同含碳固体燃料混合燃烧优化工况信息，从而指导实际工业中的含碳固体燃料混合燃烧运行。

一种含碳固体燃料混合燃烧试验装置，包括送风机、空气预热器、流量控制阀、试验炉和两个给粉器；

试验炉的入口端设置了两燃烧器、两个一次风喷口和三个二次风喷口；两燃烧器的输入端分别一一对应连接两个给粉器的输出端，两燃烧器的输出端分别一一对应连接两一次风喷口；

空气预热器的输入端连接送风机的输出端，空气预热器的输出端连接四个送风管路，四个送风管路上均设有流量控制阀，其中，第一送风管路送出的风用于将两个给粉器中的含碳固体燃料分别送入各自连接的燃烧器，在燃烧器混合均匀后经分居上下的两个一次风喷口喷入试验炉中燃烧；第二、三、四送风管路分别通过分居上、中、下的三个二次风喷口向试验炉的上部、中部和下部送风。

一种所述装置的含碳固体燃料炉前掺混试验方法，具体为：将两种不同含碳固体燃料混合均匀后分别投入两给粉器；启动空气预热器对风预热；空气预热器的第一送风管路送出风将两个给粉器中的煤粉分别送入各自连接的燃烧器，在燃烧器混合均匀后经一次风喷口喷入试验炉中燃烧；空气预热器的第二、三、四送风管路分别通过三个二次风喷口向试验炉的上部、中部和下部送风；调整各送风管路上的流量控制阀开度以调整送风量，观测送风量改变后燃料炉前掺混情况。

一种基于所述装置的含碳固体燃料炉内掺烧试验方法，具体为：将两种不同含碳固体燃料分别投入两给粉器；启动空气预热器对风预热；空气预热器的第一送风管路送出风将两个给粉器中的煤粉分别送入各自连接的燃烧器，在燃烧器混合均匀后经一次风喷口喷入试验炉中燃烧；空气预热器的第二、三、四送风管路分别通过三个二次风喷口向试验炉的上部、中部和下部送风；调整各送风管路上的流量控制阀开度以调整送风量，观测送风量改变后燃料炉内掺烧情况。

本发明的有益技术效果体现在：

(1)既可以实现含碳固体燃料的“炉前掺混”混合燃烧方式，又可以实现含碳固体燃料的“炉内掺烧”混合燃烧方式，在同一个实验平台上就可以开展2种混合燃烧方式的对比研究。

(2)可以根据不同燃料的燃烧特性及耗氧特性来调整各风管风量的匹配，以实现配风和燃烧优化，提高燃尽率和降低污染物排放。

(3)装置搭建简单，操控方便，可以模仿实际大型燃烧设备的燃烧条件，以该装置为实验研究平台得到的结论与实际应用有良好的适应性。

附图说明

图1是本发明装置结构示意图；

图2是本发明含碳固体燃料混合燃烧试验方法流程图；

图3是本发明中的试验炉结构示意图，其中，图3(a)是试验炉整体结构图，图3(b)是试验炉喷口布置图；

图4是本发明试验炉工作状态展示图，其中，图4(a)、4(a)、4(c)分别为对应工况1、2、3的燃烧示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是本发明装置示意图，该装置包括具有两个燃烧器的试验炉5、送风机2、空气预热器3、给粉器1和流量控制阀4。

试验炉5入口端的中间相间布置了3个二次风喷口、2个燃烧器及其一次风喷口，一次风携带煤粉进入燃烧器中混合均匀后经一次风喷口喷入试验炉中燃烧。给粉器1可以控制给粉的速度，送风机2将燃烧需要的空气送入风管，送入的空气经空气预热器3预热到一定温度后再送入炉内，流量控制阀4可以控制各自管道的空气流量的大小。

利用该装置对2种不同煤种进行混煤燃烧实验研究，具体步骤为：

首先，选取2种煤种，这里选择高挥发分煤种和低挥发分煤种各1种，分别量取适量的2种煤进行粉碎、烘干处理，然后各自磨制成符合相应粒径大小要求的煤粉；

第1个工况，取一定量上述磨制好的2种煤粉先混合均匀，然后再投入2个给粉器中，与2个给粉器连接的2个一次风喷口燃用的是相同的混煤，此时可以实现“炉前掺混”混煤燃烧方式；

第2个工况，取与上述等量的磨制好的2种煤粉各自分别投入2个给粉器中，其中将高挥发分煤投入与下一次风喷口相连的给粉器中，将低挥发分煤投入与上一次风喷口相连的给粉器中，2个一次风喷口燃用的是不同的煤种，混煤过程在炉内燃烧过程中进行，此时可以实现“炉内掺烧”混煤燃烧方式，工况2与工况1的配风方式完全一样，即采用下面风量大而上面风量小的配风方式；

第3个工况是在第2个工况的基础上改变风量的匹配，这里也就是将第2个工况的上、下二次风风量对调形成第3个工况，即上面风量大而下面风量小的配风方式，混煤方式依旧和方式2一样为“炉内掺烧”混煤燃烧方式。

以上3个工况均保持总给粉量和总风量相等，在这3个工况的实验稳定后，用烟气分析仪测量炉膛出口O2和NO的浓度，同时收集并测量灰渣含碳量，换算成焦炭燃尽率，进行各工况的研究和对比。

表1各工况设置

表2各工况的实验结果

表1是各工况的设置情况，表2是各工况的实验结果，从这里的飞灰含碳量和氮氧化物排放浓度可以看出“炉内掺烧”方式工况2和工况3要比“炉前掺混”方式工况1的燃烧运行效果更好。工况3在工况2的基础上的改进就是以2煤种的煤种特性和耗氧特性为依据进行的，此时将靠近较难燃的低挥发分煤的下二次风的风率提高，改善了低挥发分煤的燃烧条件，使得总的燃尽更好。并且这里“炉内掺烧”的NOx排放要比“炉前掺混”要低，这主要是因为“炉内掺烧”方式下不同煤种的NOx和含氮中间产物(HCN和NH3)的相互作用的结果。由以上的实验可以看出，在该装置上通过混煤燃烧方式和配风方式的寻优最终得到了一个混合燃烧协同优化的结果，进而可以由该优化方法所得到的信息来指导工业化应用。为了更直观的展示试验炉在稳定工作时工作状态，图4是运用燃烧数值模拟手段，截取卧式炉一、二次风所在的中间截面得到的3个工况下的温度场云图。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种含碳固体燃料混合燃烧试验装置，其特征在于，包括送风机、空气预热器、流量控制阀、试验炉和两个给粉器；

试验炉的入口端设置了两燃烧器、两个一次风喷口和三个二次风喷口；两燃烧器的输入端分别一一对应连接两个给粉器的输出端；

空气预热器的输入端连接送风机的输出端，空气预热器的输出端连接四个送风管路，四个送风管路上均设有流量控制阀，其中，第一送风管路送出的风用于将两个给粉器中的含碳固体燃料分别送入各自连接的燃烧器，在燃烧器混合均匀后经分居上下的两个一次风喷口喷入试验炉中燃烧；第二、三、四送风管路分别通过分居上、中、下的三个二次风喷口向试验炉的上部、中部和下部送风。

2.一种基于权利要求1所述装置的含碳固体燃料炉前掺混试验方法，其特征在于，具体为：

将两种不同含碳固体燃料混合均匀后分别投入两给粉器；

启动空气预热器对风预热；

空气预热器的第一送风管路送出风将两个给粉器中的煤粉分别送入各自连接的燃烧器，在燃烧器混合均匀后经一次风喷口喷入试验炉中燃烧；

空气预热器的第二、三、四送风管路分别通过三个二次风喷口向试验炉的上部、中部和下部送风；

调整各送风管路上的流量控制阀开度以调整送风量，观测送风量改变后燃料炉前掺混燃烧情况。

3.一种基于权利要求1所述装置的含碳固体燃料炉内掺烧试验方法，其特征在于，具体为：

将两种不同含碳固体燃料分别投入两给粉器；

启动空气预热器对风预热；

空气预热器的第一送风管路送出风将两个给粉器中的煤粉分别送入各自连接的燃烧器，在燃烧器混合均匀后经一次风喷口喷入试验炉中燃烧；

空气预热器的第二、三、四送风管路分别通过三个二次风喷口向试验炉的上部、中部和下部送风；

调整各送风管路上的流量控制阀开度以调整送风量，观测送风量改变后燃料炉内掺烧情况。