飞灰含碳量的影响因素分析.pdf

煤粉再燃过程中飞灰含碳量的影响因素分析煤粉再燃过程中飞灰含碳量的影响因素分析引言引言燃料再燃技术是一种有效的氮氧化物燃烧控制技术， 在国外有一定的推广应用。 我国多煤少油少气的能源储存特点决定了煤粉再燃是适合我国国情最经济的再燃脱硝技术，北京一台65t/h 煤粉炉首次应用了细煤粉再燃技术。对煤粉再燃技术的机理研究中多将重点集中，在脱硝效率上， 以优化再燃技术主要影响因素来提高脱硝率。 对于再燃技术带来的燃尽率降低问题， 则主要通过研究超细粉再燃和三次风再燃技术来提高， 再燃技术的主要影响因素如再燃燃料比、 例主燃区过量空气系数、 再燃区过量空气系数和燃尽区空气系数不仅对脱硝率有重要影响，而且对燃尽率也有很大影响， 对再燃技术设计时，如何兼顾到脱硝率和燃尽率是方案成功的关键。这里针对一台410t/h 锅炉，提出再燃实施方案并就再燃主要影响因素对燃尽率的影响做出分析，为再燃技术设计和运行优化提供理论指导。1 1、再燃实施方案、再燃实施方案对象为四角燃烧、中储式、固态排渣410t/h 燃煤锅炉。燃用神华煤与准葛尔混煤煤质分析见表 1， 收到基挥发分含量 31.93%， 煤粉细度 R90= 28%， 100%负荷时燃煤耗量为48.82t/h。炉膛为 9.98m9.98 m，冷灰斗中心标高为 7448 mm，出口烟窗底部标高 29185 mm。燃烧器现为 3 层一次风喷口和 3 层二次风喷口交错布置，其一次风中心标高为13 648 mm。再燃实施方案将调整喷口布置，从下到上燃烧器布置依次为：下二次风、下一次风、中二次风、上一次风、上二次风、再燃风和燃尽风喷口，各层喷口的中心标高依次为 12205、12744、13208、13648、14148、15884、17884 mm。下二次风、下一次风、中二次风、上一次风、 上二次风成为一组， 将主燃料喷入炉膛。 再燃风喷口喷入再燃燃料来还原一氧化氮(NO)，再燃燃料与主燃料相同， 均来自煤粉仓上下一次风喷口中心到再燃喷口的炉膛区域为主燃区，高度为 2.69 m；再燃喷口与燃尽风喷口之间区域为再燃区，高度为2.00 m 燃尽风喷口到出口烟窗间的炉膛区域为燃尽区，高度为11.30 m 。2 2、 煤粉颗粒群变氧浓度燃尽计算模型煤粉颗粒群变氧浓度燃尽计算模型煤粉的燃烧过程分为煤的热解、 挥发份的着火和煤焦的燃尽3 个阶段。 煤的热解和挥发份的着火燃烧所占的时间都很短， 煤粉燃烧主要是挥发份析出后剩余煤焦的燃尽过程， 文献指出再燃煤粉挥发分仅需 0.4 s 释放完全，故文中计算煤粉的燃尽时只考虑煤焦的燃尽时间。文献给出了单一炭粒燃烧过程燃烧速率计算模型为式中：Gc为炭粒燃烧速率，kg/s；dp为炭粒直径，m；Kc为燃尽率常数，m2 /s；c为碳的密度，kg/m3；D 为氧气在烟气中的扩散系数，m2/s； 为烟气密度，kg/m3；fO2,为周围环境中的氧的质量浓度(无量纲)； 为碳与氧按化学当量反应时的质量比(无量纲) 。实际上煤粉燃烧是颗粒群的燃烧， 煤粉颗粒直径不均匀且相互影响。 随着燃烧耗氧，氧浓度降低，燃烧速率也降低。本文以单一炭粒燃烧速率计算模型为基础，结合微积分计算思想，提出煤粉颗粒群变氧浓度燃尽计算模型， 按如下方法考虑颗粒不同粒径， 氧浓度变化对燃尽度的影响；设所计算的燃料由若干组(n 组)单一粒径颗粒组分组成，除了粒径以外，各组分其余性质相同，计算时对每种组分分别计算。 针对氧浓度沿火焰行程变化问题， 以微小时间t 为步长进行计算，认为t 时间内 fO2,和 Kc 值保持不变，每一次迭代完成后重新计算氧浓度和燃尽率常数值，作为下一次迭代计算用，依次计算下去，终将得到燃烧一定时间 t 后的燃尽率。计算流程参见图13 3 、 计算结果计算结果针对上面的再燃实施方案， 采用上面的煤粉颗粒群变氧浓度燃尽计算模型计算分析不同配风情况，不同再燃比例下的煤粉颗粒燃尽率。式(1)、(2)中的某些参数按表 2 选取，计算时 D和 值将根据具体燃烧温度进行修正。选定以下工况为基本工况：再燃燃料比例 R= 20%、主燃区过量空气系数1=1.05， 再燃区过量空气系数2=1.05， 燃尽区过量空气系数3=1.2。在无特殊说明情况下，以上各参数均选用基本工况参数值。 根据各区的送入燃料量， 风量可得各区的烟气量、烟气流速和燃烧时间。根据锅炉传热及在现运行锅炉上的热态试验数据，计算烟气流速时主燃区、再燃区和燃尽区的烟气温度分别为1450、1400和 1300。将计算结果输入燃尽模型将得到炉膛出口的煤粉燃尽率，并以飞灰含碳量 w(C)表示。计算所得现运行锅炉焦炭燃尽率与热态试验结果相符见图2， 说明可用此模型进行再燃方案的分析评价 。现运行和基本工况的炉膛沿程燃尽情况如图2(a)所示。与现运行情况相比， 再燃实施方案对燃尽度有一定的影响。再燃燃料投入后，煤粉颗粒群的焦炭含量突增，燃尽度从 92.18%突降到 80.75%。由于主燃区和再燃区的过量空气系数减少，氧浓度降低，焦炭燃烧速率比现运行慢，虽然燃烧时间比现运行长 0.25 s，但炉膛出口处飞灰含碳量为 2.55%，比现运行的1.51%增加 1.04%。图 2(b)给出了距炉膛出口不同距离处的飞灰含碳量情况，从中可得到燃尽区大小对飞灰含碳量的影响。若其他因素不变，燃尽区高度l3 变小(即燃尽风喷入点距炉膛出口处距离减少)，飞灰含碳量会按 w(C)= 1.34+16.41el3/2.21快速增加，当保持燃尽区高度大于 7m(燃尽区燃烧时间大于 1.1s)，燃尽区高度每减少 1m，飞灰含碳量增加约 0.25%。若燃尽区高度小于 7m，则飞灰含碳量随燃尽区高度减少而增加的速度至少加快1 倍以上。因此，燃尽区高度应保持在7m 以上，以提供 1s 以上的燃尽时间，才能获得较高的燃尽度。表 3 给出不同计算工况的计算条件和计算结果，其中 t1、t2和 t3表示主燃区、再燃区和燃尽区的燃烧时间，从表中可知，改变炉膛各区的燃料投入比例和配风， 将引起各区燃烧时间变化，两者共同作用影响到煤粉的燃尽程度。 各工况的 t3均大于 1.7s，再燃煤粉在炉内燃烧时间均大于 2.1s，说明煤粉燃烧时间较长，有利于保持高燃尽度。主燃区过量空气系数和再燃区过量空气系数适量改变对飞灰含碳量的影响不大，飞灰含碳量相对变化均小于9%。燃尽区过量空气系数对飞灰含碳量有明显影响，飞灰含碳量相对变化最大达110.37%。再燃燃料比例适量变化引起飞灰含碳量相对变化小于0.40%，可认为无影响。4 4 、讨论、讨论图 3 给出了几个工况的主燃区和再燃区的燃尽度， 从中可知煤粉颗粒群的燃烧速率和燃烧过程 。工况 1 和工况 5 分别将 1 或 2 降低了 0.05 虽然炉膛出口处飞灰含碳量相差无几， 但燃烧过程却不相同，如图 3(a)所示。工况 1 降低了1，主燃区氧浓度低于基本工况，使得燃烧速率降低，主燃区出口处的燃尽度为 90.15%，比基本工况 92.18%低 2.03%。随着气流上升和再燃粉投入，颗粒群继续燃烧，燃尽度的差距减少，再燃区出口处燃尽度为 88.62%，低于基本工况 1.08%；炉膛出口处燃尽度为99.42%，比基本工况低 0.02%。工况 5 降低了2，不影响主燃区燃烧过程，主燃区出口处燃尽度 92.18%与基本工况相同。工况 5 再燃区氧浓度低于基本工况，使得大量煤粉颗粒的燃烧速率降低，再燃区出口处燃尽度为 86.32%，较基本工况和工况 1 低。在燃尽区里工，况5 的再燃粉因再燃区燃烧速率低，颗粒直径较大，燃烧速率高，使得炉膛出口处燃尽度与工况1 相差无几。 2 降低比 1 降低对再燃区出口处燃尽度影响大，再燃区出口燃尽度低， 燃尽区燃烧强，火焰上移，对炉膛出口烟温和蒸汽温度影响大。工况10和工况12的再燃燃料比例分别为15%和30%， 虽然炉膛出口处飞灰含碳量相差无几，但燃烧过程却不一样，如图 3(b)所示。工况 10 再燃燃料比例低，主燃区投入燃料多，生成烟气量大、流速高，使得主燃区燃烧时间短。工况10 的 t1 比工况 12 的小 0.11s，使得主燃区出口燃尽度 91.87%比工况 12 低 1.03%。但由于投入燃料不一样，两工况的未燃碳质量比需按投入燃料比例修正，其值为 139%，这表明工况 10 的未燃碳质量远高于工况 12。当再燃燃料投入后，工况10 因再燃燃料比例低，燃尽度高于工况12。随着燃烧继续在再燃区出口，工况10 燃尽度为 89.72%，比工况12 高 0.73%，炉膛出口处燃尽度则相差0.01%。高再燃比例导致再燃区出口燃尽度低， 燃尽区燃烧强，火焰上移，对炉膛出口烟温和蒸汽温度影响大 。图 4 给出了3对飞灰含碳量的影响曲线。虽然 80%以上的焦炭在主燃区和再燃区已经燃烧完全， 但燃尽区过量空气系数对飞灰含碳量有显著影响。 当燃尽区过量空气系数减少时，飞灰含碳量呈非线性快速增加， w(C)=180.92-279.493+10923与基本工况相比， 燃尽区过量空气系数减少 0.05，飞灰含碳量相对增加41.18% 。图 5 给出了再燃煤粉细度对飞灰含碳量的影响曲线， 飞灰含碳量与再燃煤粉细度呈指数函数。关系 w(C)=1.79+0.064eR90/11.39根据拟合公式可知， 无论再燃粉细度多少， 飞灰含碳量不可能保持在现运行的 1.51%水平，最小极限为 1.79%。粉越粗飞灰含碳量随细度降低而增加越快粉越细飞灰含碳量随细度增加而降低越慢，当 R90从 28%升到 38%时，飞灰含碳量升高了1.07%；当 R90从 28% 降到 13%时，飞灰含碳量降低了 0.54%。在选择再燃煤粉细度时不仅要考虑细度对 NO 还原的影响，还应权衡考虑再燃粉制粉成本和未燃尽损失。5 5 、 结论结论据文献报道国内外的煤粉再燃示范项目在降低NO 排放的同时， 飞灰含碳量均有不同程度的增加。 对于文中给定的再燃实施案例， 通过模拟计算研究不同再燃运行方式对煤粉颗粒燃烧过程和飞灰含碳量的影响，得到以下结论：1、对象锅炉再燃改造方案设计较为合理，能保证高燃尽度实施后飞灰含碳量将增加 1.04%相对增加量为 69% 。2、对于煤粉再燃为保证煤粉燃尽度燃尽区应高于 7m，使得煤粉在燃尽区的燃烧时间在 1s以上。3、主燃区过量空气系数和再燃区过量空气系数适量改变对飞灰含碳量的影响不大。再燃区过量空气系数过小，会影响再燃燃料焦炭的燃烧，使得燃尽风喷入后焦炭N 生成 NO 增加，影响脱硝率 。4、再燃燃料比例适量变化对飞灰含碳量影响较小，而对主燃区燃烧程度影响较大，再燃比例高，有利于主燃区燃烧充分，同时有利于NOx 还原 。5、燃尽区过量空气系数对飞灰含碳量影响显著，当燃尽区过量空气系数减少时，飞灰含碳量呈非线性快速增加。6、飞灰含碳量随再燃煤粉细度增加呈指数函数关系减少。再燃粉越细，飞灰含碳量随细度增加而降低变缓。