CN108362821A - 一种超低挥发分碳基燃料变压力燃烧与排放特性试验台系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种超低挥发分碳基燃料变压力燃烧与排放特性试验台系统，包括：双级压力容器系统、气体预热系统、沉降炉反应系统和烟气分析系统。本发明超低挥发分碳基燃料变压力燃烧与排放特性试验台系统采用的双级压力容器可以在加压富氧燃烧条件下，特别是较高压力条件下以紧凑的密封结构成倍提高燃料供应量并实现超低挥发分碳基燃料任意比例的动态掺烧和静态掺烧，保证连续给料和稳定燃烧，可以准确得到燃料的燃烧温度，可在线分析碳燃尽率、燃烧产物的成分，包括NOx、SOx等污染物的生成特性。
Description
技术领域
本发明涉及燃料燃烧领域。更具体地，涉及一种超低挥发分碳基燃料变压力燃烧与排放特性试验台系统。
背景技术
中国是世界上最大的煤炭生产和消费国之一，能源结构以煤炭为主的局面在今后几十年内不会有根本改变。随着中国经济增长对能源需求的不断增加，需要国家大力发展煤炭的清洁高效利用技术，以保障我国环境和经济的可持续发展。
煤热解和气化是煤炭清洁高效利用的重要途径，但是煤热解和气化副产品半焦和残炭如何进一步合理利用却是一个亟待解决的问题。热解半焦和气化残炭具有固体燃料的多数特性，如果作为燃料燃烧发电，将是实现煤炭清洁高效梯级利用的重要组成部分。然而，热解半焦和气化残炭(以下统称为“超低挥发分碳基燃料”)的挥发分含量很低，通常热解半焦的挥发分含量低于8％，气化残炭的挥发分含量在3％以下，对于现有的燃烧技术和燃烧装备而言，燃烧过程存在着火困难、燃尽率低、NOx排放高等问题。中国每年都会在工业生产过程中产生大量的超低挥发分碳基燃料，因此如何实现此类超低挥发分碳基燃料的清洁高效燃烧利用，已成为制约中国煤炭清洁高效梯级利用产业化应用的关键技术瓶颈，并亟待解决。
当前国内外对于超低挥发分碳基燃料的研究较少，为实现此类燃料的高效清洁燃烧，需要开展相关的试验研究，由于挥发分含量极低，超低挥发分碳基燃料在现有沉降炉系统中难以实现，尤其是高比例掺烧或纯烧，相关试验研究也难以顺利进行。
因此，需要提供一种超低挥发分碳基燃料变压力燃烧与排放特性试验台系统，以开展相关试验研究，为开发超低挥发分碳基燃料的高效清洁燃烧技术提供基础数据。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超低挥发分碳基燃料变压力燃烧与排放特性试验台系统，实现超低挥发分碳基燃料的静态掺烧、动态掺烧和分级燃烧，得到常压与加压条件下燃料的着火温度、燃烧温度、碳燃尽率以及烟气成分等燃烧特性参数，为实现超低挥发分碳基燃料的高效清洁燃烧奠定基础。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
本发明提供了一种超低挥发分碳基燃料变压力燃烧与排放特性试验台系统，包括：双级压力容器系统、气体预热系统、沉降炉反应系统和烟气分析系统；
所述双级压力容器系统包括一级压力容器及与一级压力容器底部连通的二级压力容器；
所述气体预热系统包括一次风预热单元和二次风预热单元；
所述沉降炉反应系统包括与二级压力容器连通的反应管和与反应管连通的储渣罐；所述反应管的顶部开设有与一次风预热单元连通的一次风进气口，反应管的侧壁开设有与二次风预热单元连通的二次风进气口；
所述烟气分析系统包括与沉降炉反应系统连通的烟气分析仪。
进一步，所述双级压力容器系统包含至少两个一级压力容器，每个一级压力容器内固设有储料仓和微量进料器，所述二级压力容器内固设有下料斗，所述微量进料器的出口位于下料斗的上方；本发明双级压力容器系统采用上下分层的两级压力容器的结构，一级压力容器用于燃料的存储与供给，二级压力容器用于汇集多个一级压力容器提供的燃料，通过调节不同一级压力容器的微量进料器改变进料量，可以在二级压力容器中形成不同配比的混合燃料，可实现超低挥发分碳基燃料在变压力条件下的燃烧。
进一步，所述一次风进气口背部设置有锥体，所述锥体可防止来自下料斗出口的煤粉堆积。
进一步，所述二次风进气口将反应管分为上下两部分，所述反应管上部均匀布置有一级加热炉丝并被一级保温层包覆，所述反应管下部均匀布置有二级加热炉丝并被二级保温层包覆。
进一步，所述储渣罐内部固设有旋风分离装置；所述旋风分离装置的入口连接反应管的出口。二级压力容器与反应管连通，同时反应管与储渣罐内的旋风分离装置入口连接，保证试验过程中压力可调范围为1atm～100atm。
进一步，所述一次风预热单元和二次风预热单元的入口处均设置流量计；用于根据实际需求调节一次风进气口和二次风进气口的进气量。本发明所述一次风预热单元和二次风预热单元相互独立，通过控制一次风进气口和二次风进气口的进气量可实现不同的试验条件组合。
进一步，所述一次风进气口和二次风进气口的内部均设置温度传感器，用于测量进入到反应管内的气体的温度。
进一步，所述二次风进气口斜向下设置，周向开孔数量为4的倍数，具体数量取决于孔径大小，气体入射中心线与反应管的管径一半的圆相切，形成与切圆燃烧锅炉内部相似的流场结构。
进一步，所述反应管设置有能上下移动的热电偶接口，所述热电偶接口连接热电偶，可以测量反应管内温度分布。
进一步，所述储渣罐的出口前设有减压阀，对燃烧产生的烟气进行减压后进入冷却装置。
进一步，所述烟气分析系统还包括与烟气分析仪连通的烟气流量计，与烟气流量计连通的冷却装置。
进一步，所述冷却装置和烟气流量计之间的管路上设有烟气温度传感器，以检测冷却后烟气的温度。
进一步，所述烟气流量计和烟气分析仪之间的管路上设有烟气排出支管路，一部分烟气通过烟气分析仪进行检测，其余的烟气通过烟气排出支管路排出试验台系统。
本发明的有益效果如下：
本发明超低挥发分碳基燃料变压力燃烧与排放特性试验台系统能采用的双级压力容器可以在加压富氧燃烧条件下，特别是较高压力条件下(压力范围1atm～100atm)，以紧凑的密封结构成倍提高燃料供应量并实现超低挥发分碳基燃料任意比例的动态掺烧和静态掺烧，保证连续给料和稳定燃烧，可以准确得到燃料的燃烧温度，可在线分析碳燃尽率、燃烧产物的成分，并对烟气成分进行分析，包括NOx、SOx等污染物的生成特性。
本发明沉降炉反应系统和气体预热系统的两级设置既能实现燃料的分级燃烧，也能实现不同比例的空气分级，可以进行降低NOx排放的研究，为超低挥发分碳基燃料的清洁利用提供技术支持。
本发明气体预热系统和沉降炉反应系统的加热炉丝的两级布置不仅可以实现传统沉降炉的试验效果，而且通过对气体预热系统和沉降炉反应系统加热炉丝的启停控制可实现不同的试验条件组合，有助于更加深入地分析超低挥发分碳基燃料变压力条件下的燃烧与排放特性。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出超低挥发分碳基燃料变压力燃烧与排放特性试验台系统的示意图。
图2示出了二次风进气口进气结构示意图。
附图中：1、双级压力容器系统，2、气体预热系统，3、沉降炉反应系统，4、烟气分析系统，5、一号一级压力容器，6、一号一级压力容器储料仓，7、一号一级压力容器微量进料器，8、二号一级压力容器，9、二号一级压力容器储料仓，10、二号一级压力容器微量进料器，11、二级压力容器，12、下料斗，13、下料斗出口，14、一次风流量计，15、一次风预热单元，16、二次风流量计，17、二次风预热单元，18、一次风温度传感器，19、一次风进气口，20、锥体，21、二次风温度传感器，22、反应管，23、一级加热炉丝，24、一级保温层，25、二次风进气口，26、二级加热炉丝，27、二级保温层，28、热电偶接口，29、热电偶，30、旋风分离装置，31、储渣罐，32、减压阀，33、储渣罐的出口，34、气体入射中心线，35、冷却装置，36、烟气温度传感器，37、烟气流量计，38、烟气分析仪。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
本发明提供了一种超低挥发分碳基燃料变压力燃烧与排放特性试验台系统，如图1所示，包括：双级压力容器系统1、气体预热系统2、沉降炉反应系统3和烟气分析系统4；
其中，所述双级压力容器系统1包括至少两个一级压力容器及与一级压力容器底部连通的二级压力容器11；其中，以两个一级压力容器为例，即包含一号一级压力容器5和二号一级压力容器8，所述一号一级压力容器5固设有一号一级压力容器储料仓6及与一号一级压力容器储料仓6的出口连接的一号一级压力容器微量进料器7；二号一级压力容器8固设有二号一级压力容器储料仓9及与二号一级压力容器储料仓9的出口连接的二号一级压力容器微量进料器10；所述二级压力容器11内固设有下料斗12，所述一号一级压力容器微量进料器7和二号一级压力容器微量进料器10的出口位于下料斗12的上方；本发明双级压力容器系统采用上下分层的两级压力容器的结构，一级压力容器用于燃料的存储与供给，二级压力容器11用于汇集多个一级压力容器提供的燃料，通过调节不同一级压力容器的微量进料器改变进料量，可以在二级压力容器11中形成不同配比的混合燃料，可实现超低挥发分碳基燃料在变压力条件下的燃烧。
所述沉降炉反应系统3包括与二级压力容器连通的反应管22和与反应管22连通的储渣罐31；所述下料斗12的出口对准反应管22的入口；所述反应管22的顶部开设有一次风进气口19，一次风进气口背部设置有锥体20，所述锥体20可防止来自下料斗12出口13的煤粉堆积。反应管22的侧壁设置二次风进气口25，所述二次风进气口25斜向下设置，气体入射中心线34与反应管22的管径一半的圆相切，形成与切圆燃烧锅炉内部类似的流场结构；所述二次风进气口25将反应管22分为上下两部分，所述反应管22上部均匀布置有一级加热炉丝23并被一级保温层24包覆，所述反应管22下部均匀布置有二级加热炉丝26并被二级保温层27包覆；所述反应管22设置有能上下移动的热电偶接口28，所述热电偶接口28连接热电偶29，可以测量反应管22内温度分布。所述储渣罐31内部固设有旋风分离装置30；所述旋风分离装置30的入口连接反应管22的出口。所述储渣罐的出口33之前设有减压阀32，对燃烧产生的烟气进行减压后进入烟气分析系统4。所述二级压力容器11与反应管22连通，同时反应管22的出口与储渣罐31内的旋风分离装置30入口连接，保证了试验过程中压力可调范围为1atm～100atm。
所述气体预热系统2包括一次风预热单元15和二次风预热单元17，一次风预热单元15的出口与一次风进气口19连通，所述二次风预热单元17与二次风进气口25连通，所述一次风预热单元15的入口处设置一次风流量计14，所述二次风预热单元17的入口处设置二次风流量计16，用于根据实际需求调节一次风进气口19和二次风进气口25的进气量，所述一次风进气口19的内部设置一次风温度传感器18和二次风进气口25的内部设置二次风温度传感器21，用于测量进入到反应管22内的气体的温度。所述一次风预热单元15和二次风预热单元17相互独立，通过控制一次风进气口19和二次风进气口25的进气量可实现不同的试验组合。
所述烟气分析系统4包括依次通过管路连通的冷却装置35、烟气流量计37和烟气分析仪38；所述冷却装置35的入口与储渣罐的出口33连通，通过所述冷却装置35和烟气流量计37之间的管路上设有烟气温度传感器36，以检测冷却后烟气的温度；所述烟气流量计37和烟气分析仪38之间的管路上设有烟气排出支管路，一部分烟气通过烟气分析仪38进行检测，其余的烟气通过烟气排出支管路排出试验台系统。
本发明超低挥发分碳基燃料变压力燃烧与排放特性试验台系统实际操作过程中，气源直接将气体供给至气体预热系统2，气体分别通过一次风流量计14和二次风流量计16进入一次风预热单元15和二次风预热单元17进行加热，气体温度最高可加热至600℃。气体加热后分别进入一次风进气口19和二次风进气口25，并分别由一次风温度传感器18和二次风温度传感器21测量气体温度。可根据实际需求调节一次风进气口19和二次风进气口25的进气量，二次风进气口25的进气量最低可为零。
一号一级压力容器5中的一号一级压力容器储料仓6和二号一级压力容器8中的二号一级压力容器储料仓9中既可装入相同的燃料，也可装入不同的燃料。装入相同燃料时，燃料可以是按特定比例掺混的燃料，实现静态掺烧；也可以是单一燃料，不进行掺烧，这时由于燃料储量增加，可以成倍提高燃料的供给量；装入不同燃料时，通过一号一级压力容器微量进料器7和二号一级压力容器微量进料器10实时调节燃料供给量，不同燃料在下料斗12中掺混，实现动态掺烧。一号一级压力容器微量进料器7和二号一级压力容器微量进料器10能实现燃料5g/min～15g/min的连续给料，燃料进入反应管22并在反应管22顶部与一次风进气口19的气体混合。一级加热炉丝23、二级加热炉丝26对反应管22加热，并通过一级保温层24和二级保温层27保温，温度最高可达1210℃，高温的反应管22可以将燃料点燃；其中，热电偶29可上下移动，改变温度测点，进而测量反应管中心线的温度分布。燃料燃烧后的烟气，通过旋风分离装置30实现气固分离，灰分进入储渣罐31，烟气由旋风分离装置30进入减压阀32，减压后由储渣罐的出口33进入烟气分析系统4。对储渣罐31中灰分的分析可以得到燃料的碳燃尽率。
进入烟气分析系统4的烟气经由冷却装置35冷却到合适温度后进入烟气流量计37，之后部分烟气进入烟气分析仪38在线测量烟气成分，其余烟气通过烟气排出支管路排出试验台系统。
双级压力容器系统1、气体预热系统2和沉降炉反应系统3可在高压下运行，试验台系统最高设计压力为100atm，可实现1atm～100atm不同压力条件下的超低挥发分燃烧过程。
本发明可以实现超低挥发分碳基燃料的动态与静态掺烧，能准确得到不同压力、不同燃料配比、不同气体比例下的燃料燃烧温度、燃尽率等燃烧特性参数，同时可以在线分析烟气成分，得到燃料燃烧的污染物生成特性。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (10)
1.一种超低挥发分碳基燃料变压力燃烧与排放特性试验台系统，其特征在于，包括：双级压力容器系统、气体预热系统、沉降炉反应系统和烟气分析系统；
所述双级压力容器系统包括一级压力容器及与一级压力容器底部连通的二级压力容器；
所述气体预热系统包括一次风预热单元和二次风预热单元；
所述沉降炉反应系统包括与二级压力容器连通的反应管和与反应管连通的储渣罐；所述反应管的顶部开设有与一次风预热单元连通的一次风进气口，反应管的侧壁开设有与二次风预热单元连通的二次风进气口；
所述烟气分析系统包括与沉降炉反应系统连通的烟气分析仪。
2.根据权利要求1所述的超低挥发分碳基燃料变压力燃烧与排放特性试验台系统，其特征在于，所述双级压力容器系统包含至少两个一级压力容器，每个一级压力容器内固设有储料仓和微量进料器，所述二级压力容器内固设有下料斗，所述微量进料器的出口位于下料斗的上方。
3.根据权利要求1所述的超低挥发分碳基燃料变压力燃烧与排放特性试验台系统，其特征在于，所述储渣罐内部固设有旋风分离装置；所述旋风分离装置的入口连接反应管的出口。
4.根据权利要求1所述的超低挥发分碳基燃料变压力燃烧与排放特性试验台系统，其特征在于，所述一次风进气口背部设置有锥体；所述二次风进气口将反应管分为上下两部分，所述反应管上部均匀布置有一级加热炉丝并被一级保温层包覆，所述反应管下部均匀布置有二级加热炉丝并被二级保温层包覆。
5.根据权利要求1所述的超低挥发分碳基燃料变压力燃烧与排放特性试验台系统，其特征在于，所述一次风预热单元和二次风预热单元的入口处均设置流量计；所述一次风进气口和二次风进气口的内部均设置温度传感器。
6.根据权利要求1所述的超低挥发分碳基燃料变压力燃烧与排放特性试验台系统，其特征在于，所述二次风进气口斜向下设置，气体入射中心线与反应管的管径一半的圆相切。
7.根据权利要求1所述的超低挥发分碳基燃料变压力燃烧与排放特性试验台系统，其特征在于，所述反应管设置有能上下移动的热电偶接口，所述热电偶接口连接热电偶；所述储渣罐的出口前设有减压阀。
8.根据权利要求1所述的超低挥发分碳基燃料变压力燃烧与排放特性试验台系统，其特征在于，所述烟气分析系统还包括与烟气分析仪连通的烟气流量计，与烟气流量计连通的冷却装置。
9.根据权利要求8所述的超低挥发分碳基燃料变压力燃烧与排放特性试验台系统，其特征在于，所述冷却装置和烟气流量计之间的管路上设有烟气温度传感器。
10.根据权利要求8所述的超低挥发分碳基燃料变压力燃烧与排放特性试验台系统，其特征在于，所述烟气流量计和烟气分析仪之间的管路上设有烟气排出支管路。
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