CN105423284A - 用于含碳固体燃料混燃特性测试的沉降炉装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于含碳固体燃料混燃特性测试的沉降炉装置及方法，装置包括沉降炉炉体、给粉管道组件和烟气输出组件；沉降炉炉体的风粉入口端连接给粉管道组件，烟气出口端连接烟气输出组件；给粉管道组件包括两根长度差可调整的一次风粉管、一根二次风管和入口水冷段；所述烟气输出组件包括出口水冷段、灰收集装置和烟气出口。应用本发明提供的沉降炉装置，可进行不同含碳固体燃料在“炉内”和“炉外”两种掺混方式下混燃特性的研究，同时可实现在不同含碳固体燃料在不同掺烧比例和不同混合时间下混燃特性的研究。本发明结构简单，实现起来方便有效，相比现有的沉降炉，可以更加全面的模拟实际工业条件下含碳固体燃料的混烧。

Description

用于含碳固体燃料混燃特性测试的沉降炉装置及方法

技术领域

本发明属于固体燃料燃烧技术领域，具体涉及一种用于含碳固体燃料混燃特性测试的沉降炉装置及方法。

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。

以电站锅炉为例，电站锅炉入炉煤种多变，实际用煤的各项指标与设计煤种差异较大，严重影响电站锅炉运行的经济性和安全性。混合燃料燃烧技术是解决这一问题的主要方法之一，属于洁净煤燃烧技术范畴，目前，该燃烧技术广泛应用于大型燃煤锅炉。一般大型燃煤锅炉在高度方向上通常都配有多层燃烧器，不同层燃烧器到炉膛出口的距离不同，由不同层燃烧器喷入的固体燃料燃烧颗粒在炉内的沿程距离不同。就煤粉在“炉内”掺混燃烧而言，由不同层燃烧器喷入的固体燃料燃烧颗粒在炉内的停留时间和延迟混合的时间是不同的，而在炉内有限的空间和距离下，燃料的停留时间和延迟混合的时间对燃烧的经济性和排放特性会产生较大影响。同时，煤粉在“炉内”掺混燃烧下，不同煤种的掺混比例对燃烧的经济性和排放特性也会产生较大影响。而就“炉外”掺混燃烧方式来说，不同特性煤种在炉外按照一定比例掺混之后送入炉内燃烧，而煤种掺混比例对燃烧的经济性和排放特性影响较大，在合适的掺混比例下可达到高效低排放的目的。综上，就目前的配煤技术而言，探究不同特质的含碳固体燃料的掺混方式、送入炉内方式、配煤比例等，对电站锅炉在实际运行中的燃烧经济性和排放特性具有非常大的意义，可为工业实际提供理论参考。

发明内容

针对现有技术的迫切技术需求，本发明提出一种用于含碳固体燃料混燃特性测试的沉降炉装置及方法，其目的在于，(i)实现含碳固体燃料在“炉内”和“炉外”两种掺混方式下的混燃特性的试验；(ii)实现在“炉内”和“炉外”两种掺混方式下，不同含碳固体燃料在不同掺烧比例下混燃特性的试验；(iii)实现在“炉内”掺混方式下，不同含碳固体燃料在炉内的混合时间对混合燃料燃烧特性影响的试验。

为了实现本发明的技术目的，本发明提供了用于含碳固体燃料混燃特性测试的沉降炉装置，包括沉降炉炉体、给粉管道组件和烟气输出组件；所述沉降炉炉体的一端为风粉入口端，另一端为烟气出口端，所述风粉入口端连接所述给粉管道组件，所述烟气出口端连接烟气输出组件；

所述给粉管道组件包括两根一次风粉管、一根二次风管和入口水冷段，所述两根一次风粉管用于向所述沉降炉炉体内送入燃料，所述二次风管用于向所述沉降炉炉体内送入氧气以助燃，所述入口水冷段用于对风粉管和二次风管换热降温；

所述烟气输出组件包括出口水冷段、灰收集装置和烟气出口，所述出口水冷段的一端连通所述沉降炉炉体的烟气出口端，另一端连通灰收集装置和烟气出口，水冷段用于对输出的烟气换热降温，灰收集装置用于收集烟气中的灰渣，烟气出口用于排出烟气。

一种应用所述沉降炉的含碳固体燃料混燃特性试验方法，包括以下步骤：

炉内掺混方式和掺混比例恒定下的测试步骤：两种不同含碳固体燃料分别从两根一次风粉管送入沉降炉炉体内燃烧，通过改变两根一次风粉管的长度差，实现对两种不同含碳固体燃料在炉内的混合时间的控制，从而完成不同含碳固体燃料在炉内的混合时间对混合燃料燃烧特性影响的试验；

炉内掺混方式和一次风粉管长度差恒定下的测试步骤：改变两种含碳固体燃料在炉内的掺混比例，完成不同含碳固体燃料在炉内的掺混比例对混合燃料燃烧特性影响的试验；

炉外掺混方式的测试步骤：关闭一根一次风管，不同含碳固体燃料按一定比例混合后通过另一根一次风粉管送入炉内燃烧，完成不同含碳固体燃料炉外混合比例对混合燃料燃烧特性影响的实验。

本发明有益技术效果体现在：

1)在本发明中，在“炉内”掺混方式和一定掺混比例下，不同含碳固体燃料分别从不同一次风粉管送入炉内燃烧，通过改变两根一次风粉管长度差异来实现对不同含碳固体燃料在炉内的混合时间的控制，该方法可用于不同含碳固体燃料在炉内的混合时间对混合燃料燃烧特性影响的试验。

2)在“炉内”掺混方式和一次风粉管长度差异一定下，通过改变两种含碳固体燃料在炉内的掺混比例以实现不同含碳固体燃料在炉内的掺混比例对混合燃料燃烧特性影响的试验。

3)不同含碳固体燃料按一定比例混合后通过另一根一次风粉管送入炉内燃烧，完成不同含碳固体燃料炉外混合比例对混合燃料燃烧特性影响的试验。

应用本发明试验炉，可进行不同含碳固体燃料的炉前掺混或炉内掺烧试验，本发明的燃烧条件与实际工业燃烧设备更加贴近，具有可以变换不同含碳固体燃料在炉内混合时间的功能，故由本发明试验炉为试验平台而得到的研究结论可以有效的指导实际工业燃烧设备的运行，这对研究大型工业燃烧设备的含碳固体燃料混烧过程带来便利。本发明结构简单，实现起来方便有效，相比现有沉降炉，可以更加全面的模拟实际工业条件下的含碳固体燃料的混烧。

附图说明

图1是本发明专利的结构示意图；

图2是本发明专利的具体实施例中混煤燃尽率结果图；

图3是本发明专利的具体实施例中混煤NOx排放量结果图。

具体实施方式

为了使本发明专利的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明专利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专利，并不用于限定本发明专利。

图1是本发明结构示意图，该试验炉包括沉降炉炉体6，给粉管道组件和烟气输出组件；所述沉降炉炉体6的一端为风粉入口端，另一端为烟气出口端，所述风粉入口端连接所述给粉管道组件，所述烟气出口端连接烟气输出组件。

沉降炉炉体内设有反应管7，炉体为多段式加热(图1示例为三段)，在每一段都安装有热电偶8以控制炉内温度水平。9是抽气取样孔。

风粉入口端包括两根可改变长度差异的一次风粉管1和2、二次风管5、入口水冷段(冷却水入口管4、冷却水出口管3)。两根一次风携带固体燃料经一次风粉管1和2送入炉膛内燃烧，二次风经二次风管5送入试验炉内助燃，为燃料燃烧提供充足氧气。入口水冷段的目的主要是保护一次风粉管1和2、二次风管5，防止由于过热膨胀导致入口给粉装置开裂。

所述烟气输出组件包括出口水冷段(冷却水进口11、出口10)、灰收集装置12和烟气出口13。燃烧烟气经过出口水冷段水冷换热冷却后输出，灰收集装置12收集烟气中的灰渣，其余燃烧气体从烟出口13排出。

一方面，对于不同特性含碳固体燃料在“炉内”掺混下，不同含碳固体燃料单独通过不同一次风粉管送入炉内燃烧，在一定掺混比例下通过改变两根一次风粉管长度差异△L来实现不同含碳固体燃料在炉内的混合早晚的控制(即:混合时间)。同时也可以探究在一定一次风粉管长度差异△L下不同掺混比例对混燃特性和排放特性的影响。

另一方面，对于不同特性含碳固体燃料在“炉外”掺混下，不同含碳固体燃料按一定比例混合后通过一根一次风粉管送入炉内燃烧，关闭另一根一次风管，该方法可用于在“炉外”掺混下不同含碳固体燃料混合比例对混合燃料燃烧特性影响的研究。

下面以“炉内”掺烧方式下混煤燃烧为例，利用该沉降炉对2种差异性较大的不同煤种开展“炉内掺烧”混煤燃烧试验，具体为：

(1)选取2个不同煤种，这里选择高挥发分煤种HV-coal和低挥发分煤种LV-coal，将之制备成符合一定要求的煤粉,煤种工业分析及元素分析如表1所示。

表1煤种工业分析及元素分析(空气干燥基)

(2)取一定量上述2种煤粉，高挥发分煤种HV-coal由给粉管2送入炉内，低挥发分煤种LV-coal由给粉管1送入炉内，两根管的质量流量保持一致，分别设置给粉一次风管在炉内的长度差异△L为0、50、100、150mm、

(3)工况2，取一定量上述2种煤粉，高挥发分煤种HV-coal由给粉管1送入炉内，低挥发分煤种LV-coal由给粉管2送入炉内，两根管的质量流量保持一致，分别设置给粉一次风管在炉内的长度差异△L为0、50、100、150mm。

表2各工况设置

上述8个工况(如表2所示)保持总风量和配风方式相同，均采用“炉内掺烧”方式。将8个工况进行相关试验数据的测量和统计，对比后找到优化的混烧策略信息。

以该沉降炉为平台，对上述8个工况开展混煤燃烧试验，图3为混煤燃烧试验燃尽率结果。A组4个工况和B组4个工况的区别在于高、低挥发分煤种从不同给粉管送入炉内。结果表明，(1)相同的一次风管长度差异△L下，低挥发分煤种LV-coal延迟送入炉内比高挥发分煤种HV-coal延迟送入炉内的混煤燃尽率要高；(2)高挥发分煤种HV-coal由给粉管2送入炉内，低挥发分煤种LV-coal由给粉管1送入炉内时，随着給粉管长度差异的增加而混煤燃尽率有所下降；(3)高挥发分煤种HV-coal由提前送入炉内时，随着給粉管长度差异的增加而混煤燃尽率有所增加。这主要是因为在混煤燃烧中存在促进与抑制两种交互作用；高挥发分煤种HL-coal由给粉管1送入炉内，低挥发分煤种LV-coal由给粉管2送入炉内时，高挥发分煤会先于低挥发煤与氧气接触开始反应，随着給粉管长度差异的增加，高挥发分煤优先燃烧的程度也逐渐增加，此时低挥发分煤的着火独立性越来越高，受到的高挥发煤着火提高燃烧区域温度的帮助越来越弱；而从抑制作用角度分析，高挥发分煤会先于氧气接触反应，随着給粉管长度差异增加，低挥发分煤与氧气接触的时间越晚，低挥发分煤的燃烧过程中抑制作用中的主要因素氧气反而越来越充足，“高挥发分煤抢风现象”也会随着混煤混合时间的增加而逐步被削弱。并且可以看出随着給粉管长度差异增加，炉内掺烧方式会抑制影响混煤燃烧中存在的促进、抑制作用，但并不能改变两者竞争过程中所占据的地位。

不同煤种延迟送入的炉内混煤NOx排放特性对比。可以看出，将低挥发分煤提前送入沉降炉后(低挥发分煤由1号管送入；A-1、A-2、A-3、A-4)，随着給粉管长度差异的增加，混煤的NOx排放量逐步下降，但下降程度相比低挥发分煤延后送入沉降炉的工况(低挥发分煤由2号管送入；B-1、B-2、B-3、B-4)NOx降低程度小。这是由于高挥发分煤延迟进入沉降炉中着火燃烧，随着混煤混合时间的增加，消耗氧气增大同时使短給粉管延迟进入沉降炉的低挥发分煤的燃烧区域欠氧程度加深，还原性增加，逐渐增加的高挥发分煤生成的NOx会与低挥发分煤热解生成的HCN、NH₃等中间产物反应被还原为N₂。与低挥发分煤提前送入沉降炉的工况进行比较，一方面经由短給粉管进入沉降炉的低挥发分煤燃烧性能较差，燃烧时热解产生的HCN、NH₃等中间产物的浓度也相比高挥发分煤提前送入沉降炉的工况低，另一方面由于低挥发分煤的剧烈燃烧而使短給粉管出口处燃烧区域的还原性会更强一些，两者比较可以说明HCN、NH₃等中间产物的浓度这个因素的影响程度更大。

从上面的结果可以看出，虽然在两大组实验中都延迟了两煤种在炉内的混合时间，且混合时间对混煤燃尽率及NOx排放影响较大，但明显可以看出低挥发分煤延迟送入炉内更能达到高效低污染物燃烧的目的。当高挥发分煤提前送入炉内燃烧，低挥发分煤延迟送入炉内时，随着长度差异△L增大(即增加两种煤的混合时间)，混煤燃尽率是逐渐增加的，同时其NOx排放量是逐渐降低的；当低挥发分煤提前送入炉内燃烧，高挥发分煤延迟送入炉内时，随着长度差异△L增大(即增加两种煤的混合时间)，NOx排放量是逐渐降低的，但其混煤燃尽率同时逐渐降低，这对燃烧的经济性是不利的。由以上的试验可得到混煤燃烧优化策略，一方面，延迟两种差异性较大的不同煤种在炉内的混合时间对混煤的燃尽是有利的；另一方面，就两煤种送入炉内方式而言，低挥发分煤延迟送入炉内更能达到高效低污染物燃烧的目的。

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

Claims (3)

1.用于含碳固体燃料混燃特性测试的沉降炉装置，其特征在于，包括沉降炉炉体、给粉管道组件和烟气输出组件；所述沉降炉炉体的一端为风粉入口端，另一端为烟气出口端，所述风粉入口端连接所述给粉管道组件，所述烟气出口端连接烟气输出组件；

所述给粉管道组件包括两根一次风粉管、一根二次风管和入口水冷段，所述两根一次风粉管用于向所述沉降炉炉体内送入燃料，所述二次风管用于向所述沉降炉炉体内送入氧气以助燃，所述入口水冷段用于对风粉管和二次风管换热降温；

所述烟气输出组件包括出口水冷段、灰收集装置和烟气出口，所述出口水冷段的一端连通所述沉降炉炉体的烟气出口端，另一端连通灰收集装置和烟气出口，水冷段用于对输出的烟气换热降温，灰收集装置用于收集烟气中的灰渣，烟气出口用于排出烟气。

2.根据权利要求1所述的含碳固体燃料混燃特性测试的沉降炉，其特征在于，所述沉降炉炉体内设有反应管，炉体为多段式加热，每一段均安装有热电偶。

3.一种应用权利要求1或2所述沉降炉的含碳固体燃料混燃特性试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

炉内掺混方式和掺混比例恒定下的测试步骤：两种不同含碳固体燃料分别从两根一次风粉管送入沉降炉炉体内燃烧，通过改变两根一次风粉管的长度差，实现对两种不同含碳固体燃料在炉内的混合时间的控制，从而完成不同含碳固体燃料在炉内的混合时间对混合燃料燃烧特性影响的试验；

炉内掺混方式和一次风粉管长度差恒定下的测试步骤：改变两种含碳固体燃料在炉内的掺混比例，完成不同含碳固体燃料在炉内的掺混比例对混合燃料燃烧特性影响的试验；

炉外掺混方式的测试步骤：关闭一根一次风管，不同含碳固体燃料按一定比例混合后通过另一根一次风粉管送入炉内燃烧，完成不同含碳固体燃料炉外混合比例对混合燃料燃烧特性影响的实验。