CN110332818A - 提高氧气/二氧化碳气氛下水泥回转窑煤粉燃烧性能的方法 - Google Patents

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刘庆
王发洲
张云峰
朱航
刘志超
杨露
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Wuhan University of Technology WUT
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Shanghai Yuanhan Energy Technology Co Ltd
Wuhan University of Technology WUT
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Abstract

本发明公开了一种提高氧气/二氧化碳气氛下水泥回转窑煤粉燃烧性能的方法，燃烧时，使用的煤粉平均粒径为50～60微米，其中，20微米下的超细级煤粉的混合质量百分比为10％～30％、20～60微米的中粒级煤粉的混合质量百分比为10％～40％、60微米上的大粒级煤粉的混合质量百分比为20％～50％。本发明不增加O2/CO2中O2浓度前提下，极大地提高了煤粉自身燃烧特性，抑制了煤粉燃烧过程中NOx的生成。

Description

提高氧气/二氧化碳气氛下水泥回转窑煤粉燃烧性能的方法
技术领域
本发明属于煤粉燃烧领域，具体涉及一种提高氧气/二氧化碳气氛下水泥回转窑煤粉燃烧性能的方法。
背景技术
随着我国经济的快速发展和工业化进程的加快，人们对水泥的需求量也迅速增加，我国已连续20多年为世界第一水泥生产大国，为满足原料中碳酸盐分解和熟料矿物烧成的需要，在水泥熟料的生产过程中，需要消耗大量的燃料，在燃料燃烧过程中会形成并排放大量的CO2和NOx(氮氧化物)，降低CO2和NOx的排放已成为全世界共同关注的问题。
近年来，O2/CO2水泥窑煤粉富氧燃烧技术被认为是一种能够同时控制CO2、SO2和NOx三种污染物的新型燃烧技术，已引起国内外学术界和工业界的高度重视。但研究发现，煤粉在O2/CO2气氛下燃烧易出现燃烧不稳定、燃烧不完全的现象。因此，该技术仍处于研究阶段，还没能得到广泛地应用。
为了改善煤粉在O2/CO2气氛下燃烧不稳定及燃烧不完全的情况，现有技术中常采用提高O2/CO2气氛中的O2浓度的方法。但是，大量研究表明，为了提高燃烧着火和稳定性而提高O2/CO2气氛中的O2浓度并不是一个理想的途径：O2浓度在促进着火燃烧和降低NOx的生成的作用方面是互相矛盾的。一方面，O2浓度的提高可以改善着火燃烧条件，稳定燃烧；而在此同时也改善了NOx的生成条件，使得NOx生成量增加。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高氧气/二氧化碳气氛下水泥回转窑煤粉燃烧性能的方法，不增加O2/CO2中O2浓度前提下，极大地提高了煤粉自身燃烧特性，抑制了煤粉燃烧过程中NOx的生成。
本发明所采用的技术方案是：
一种提高氧气/二氧化碳气氛下水泥回转窑煤粉燃烧性能的方法，燃烧时，使用的煤粉平均粒径为50～60微米，其中，20微米下的超细级煤粉的混合质量百分比为10％～30％、20～60微米的中粒级煤粉的混合质量百分比为10％～40％、60微米上的大粒级煤粉的混合质量百分比为20％～50％。
进一步地，燃烧时，调控一次风与二次风的风量、风速和出风角度，使水泥回转窑的内旋流风和高速外风构成速差射流，使得水泥回转窑内形成中心回流区。
进一步地，超细级煤粉的比表面积(单位质量物料所具有的总面积)为大粒径煤粉比表面积的3.5～4.5倍以上。
本发明的有益效果是：
1.本方法在不增加O2/CO2中O2浓度前提下，极大地提高了煤粉自身燃烧特性，抑制了煤粉燃烧过程中NOx的生成：单一超细煤粉燃烧技术研究表明，由于其着火燃烧快的特性，同时大量析出挥发分并燃烧，可以降低NOx的生成，同时，由于煤粉粒径小，燃烧所需时间短，研究结果表明超细煤粉应用于煤粉NOx再燃中是十分有效的。此外，超细煤粉与普通粒径煤粉的混合燃烧，能够保证普通粒径煤粉在煤粉品质变动和锅炉负荷降低时稳定燃烧，本发明采用多粒级复合煤粉并控制各粒级比例，在O2/CO2气氛下，一定比例的超细级煤粉快速升温并燃烧，其释放的热量可以提高煤粉颗粒温度，从而为提高煤粉整体性能着火燃烧创造了条件，使得大粒级煤粉均匀受热升温，随着超细级煤粉颗粒燃烧热流运动并次第燃烧，在燃烧过程中均匀地消耗窑内氧气，使得煤粉自身燃烧特性得到极大地提高，同时又抑制了煤粉燃烧过程中NOx的生成。
2.通过调整窑内空气动力工况，将多粒级复合煤粉均匀分散在窑内，并供给足够的氧浓度供其燃烧，加强了煤粉和空气的混合程度，实现煤粉快速点火和稳定燃烧，进一步提高了煤粉整体燃烧的稳定性，实现了多粒级煤粉和窑内空气动力工况结合的协同燃烧。
3.超细级煤粉升温速率可以提高3.5～4.5倍以上，使得超细级煤粉颗粒快速升温，其含有的挥发分快速析出燃烧，放出的热量提高了煤粉周围气氛的温度，为大粒径煤粉稳定燃烧创造了良好的条件，提高了煤粉整体燃烧的稳定性。
具体实施方式
如下为三组氧气/二氧化碳气氛下水泥回转窑煤粉燃烧性能对比试验。
试验例1
采用的平均粒径小于20微米的超细级煤粉，20～60微米中粒级煤粉以及大于60微米的大粒级煤粉，超细级煤粉10％和20％(质量百分比)，中粒级煤粉40％和30％(质量百分比)，大粒级煤粉50％(质量百分比)，在O2/CO2气氛下混合燃烧。
燃烧特性参数如表1所示，其中对比例采用平均粒径大于60微米的大粒径煤粉单独燃烧试验。
表1不同混合比例下煤粉的燃烧特性参数
从表1的燃烧特性参数可以看出：当向平均粒径大于60μm大粒级煤粉加入10％(质量百分比)超细煤粉和40％中粒级煤粉后，煤样的最大失重速率温度提前，从440℃提前到438℃，着火点从402℃提前到396℃，当超细级煤粉比例增加到20％，中粒级煤粉降低至30％时，最大失重速率出现在437℃，着火点提前到393℃。说明在O2/CO2气氛下，优化粒径之后的多粒级复合煤粉，其着火点降低，表明煤粉着火提前，易于达到着火温度而燃烧。
试验2
对水泥回转窑内混合煤粉燃烧过程进行计算研究，其中一次风携带煤粉喷入回转窑，另外从窑尾喷入二次风助燃。本实施例以超细级煤粉15％(质量百分比)，中粒级煤粉40％(质量百分比)，大粒级煤粉45％(质量百分比)，在O2/CO2气氛下混合燃烧。燃烧工况见表2。
表2燃烧工况
试验3
使用多粒级煤粉与试验2一致，以超细级煤粉15％(质量百分比)，中粒级煤粉40％(质量百分比)，大粒级煤粉45％(质量百分比)，在O2/CO2气氛下混合燃烧。不同之处在于一次风与二次风进风量的不一致，燃烧工况见表2。
试验2和试验3中回转窑内煤粉着火及稳定燃烧条件得以改善。通过煤粉着火快慢来反映煤粉着火性能。煤粉燃烧着火温度约在700K左右，计算表明，当试验2控制的一次风和二次风进风量时，回转窑中心轴面上入口处附近温度为353K，沿着中心轴线方向上温度慢慢上升，温度为700K时距入口距离为0.27m；试验3中改变一次风和二次风进风量，煤粉燃烧温度场在距入口0.25m处达到700K。因此，改变回转窑内空气工况，燃烧器中心线上温度达到700K时距入口距离大大缩短，表明优化的一次风和二次风进风量有利于煤粉的着火燃烧。
在O2/CO2气氛下，采用试验2控制的一次风和二次风进风量时，中心轴面上距入口0.05m处CO2体积浓度是0.705，出口处CO2体积浓度是0.859；试验3中改变一次风和二次风进风量，中心轴面上距入口0.05m处CO2体积浓度是0.710，出口处CO2体积浓度是0.864。所以，回转窑中心轴面上距入口0.05m处CO2体积浓度随着进风量的优化逐步升高，而作为煤粉主要产物的CO2在出口处体积浓度高于0.86，属于高CO2浓度，说明优化一次风和二次风进风量后大大加快了煤粉的燃烧。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种提高氧气/二氧化碳气氛下水泥回转窑煤粉燃烧性能的方法，其特征在于：燃烧时，使用的煤粉平均粒径为50～60微米，其中，20微米下的超细级煤粉的混合质量百分比为10％～30％、20～60微米的中粒级煤粉的混合质量百分比为10％～40％、60微米上的大粒级煤粉的混合质量百分比为20％～50％。
2.如权利要求1所述的提高氧气/二氧化碳气氛下水泥回转窑煤粉燃烧性能的方法，其特征在于：燃烧时，调控一次风与二次风的风量、风速和出风角度，使水泥回转窑的内旋流风和高速外风构成速差射流，使得水泥回转窑内形成中心回流区。
3.如权利要求1或2所述的提高氧气/二氧化碳气氛下水泥回转窑煤粉燃烧性能的方法，其特征在于：超细级煤粉的比表面积为大粒径煤粉比表面积的3.5～4.5倍以上。
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