內(nèi)容摘要：本文針對(duì)燃用福建無煙煤的循環(huán)流化床（CFB）鍋爐在運(yùn)行中存在的問題和矛盾，提出了采用富氧燃燒技術(shù)改善福建無煙煤的著火和燃燒特性。作者通過熱重分析法研究了龍巖煤在不同氧濃度下（20%、30%、40%、60%、100%）的燃燒行為。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著氧濃度的增大，煤樣的著火溫度及燃盡溫度均呈下降趨勢(shì)，燃燒強(qiáng)度增強(qiáng)，著火提前且燃燒時(shí)間縮短。本文還對(duì)富氧燃燒技術(shù)應(yīng)用于CFB鍋爐燃燒福建無煙煤存在的若干問題進(jìn)行了較深入的探討，并提出了相關(guān)建議。

關(guān)鍵詞：福建無煙煤，富氧燃燒，熱重分析法，循環(huán)流化床鍋爐 

1. 前言

    福建省煤炭資源品種單一，多數(shù)屬揮發(fā)分2～4％的Ⅱ類無煙煤，其著火和燃盡非常困難，而循環(huán)流化床（CFB）鍋爐則因其具有燃料適應(yīng)性廣，燃燒效率高等優(yōu)點(diǎn)成為燃用福建Ⅱ類無煙煤的首選爐型。該爐型在福建省發(fā)展迅速，近幾年更是向大型化發(fā)展，220t/h以上的CFB鍋爐已有10多臺(tái)，福建龍巖坑口電站正投建的30萬千瓦發(fā)電機(jī)組中就采用蒸發(fā)量達(dá)到1000t/h的CFB鍋爐，計(jì)劃于2009年并網(wǎng)發(fā)電。

    在CFB鍋爐生產(chǎn)單位和用戶的共同努力下，采用CFB鍋爐燃燒福建無煙煤已經(jīng)積累了非常豐富的設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，但是，由于福建無煙煤的特殊性，在運(yùn)行過程中仍存在一些問題和矛盾，主要有以下幾點(diǎn)：第一，著火溫度較高，床溫要維持在950℃以上，對(duì)于高參數(shù)大容量的CFB鍋爐，甚至達(dá)到1000℃以上，接近福建無煙煤的灰熔點(diǎn)，不利于安全穩(wěn)定燃燒；第二，，CFB鍋爐一般采用爐內(nèi)添加石灰石脫硫，而石灰石的最佳分解溫度和硫化反應(yīng)溫度一般在850℃～900℃左右，因此造成福建無煙煤的燃燒和脫硫在溫度匹配上存在較大矛盾；第三，福建無煙煤中細(xì)顆粒多，又存在后燃性，因此飛灰含碳量較高，機(jī)械不完全燃燒損失高，影響了鍋爐熱效率，同時(shí)也不利于灰渣的綜合利用。因此，如何改善福建無煙煤的著火和燃燒特性是實(shí)現(xiàn)福建無煙煤高效穩(wěn)定燃燒的關(guān)鍵。

煤燃燒過程中反應(yīng)氣氛中氧濃度的大小是影響著火和燃燒特性的關(guān)鍵性因素之一[5]，因此，隨著富氧技術(shù)的成熟發(fā)展，特別是膜法富氧技術(shù)的發(fā)展[1，2] ，研究煤在高氧濃度下的燃燒特性，對(duì)煤的高效燃燒，特別是高灰分、低揮發(fā)分的劣質(zhì)煤和無煙煤的高效穩(wěn)定燃燒具有重要意義。

本文通過熱天平實(shí)驗(yàn)，研究在不同氧濃度下龍巖煤的燃燒特性，得到了一些有益的結(jié)論。同時(shí)對(duì)富氧燃燒技術(shù)應(yīng)用于CFB鍋爐燃燒福建無煙煤存在的若干問題進(jìn)行了探討，提出了相關(guān)建議。

2. 熱重分析實(shí)驗(yàn)

    熱重分析法是近年來國(guó)內(nèi)外研究煤燃燒特性最常用的方法之一。它利用熱天平在程序升溫條件下，研究煤在燃燒過程質(zhì)量隨時(shí)間溫度的變化，從而分析煤的燃燒特性。人們發(fā)現(xiàn)熱分析曲線不同的煤種，在實(shí)際爐膛中的燃燒特性也不同，相反當(dāng)煤種的熱分析曲線相近時(shí)，在實(shí)際爐膛中的燃燒特性卻會(huì)基本相同 [3，4] 。

2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

    實(shí)驗(yàn)是在德國(guó) Netzsch公司生產(chǎn)的 STA 409C型熱天平上進(jìn)行。工作氣氛為氮?dú)夂脱鯕?span>,氧濃度分別為20%、30%、40%、60%、100％；總流量200mL/min，升溫速率20℃/min，溫度范圍為室溫～1100℃，煤樣質(zhì)量約10.0±0.1 mg。

    本實(shí)驗(yàn)的煤樣為龍巖煤，實(shí)驗(yàn)煤樣直接取自電廠爐前，其工業(yè)分析和元素分析列于表1，平均粒度為69μm。

    實(shí)驗(yàn)時(shí)將煤樣平鋪在SIC質(zhì)平坩堝中,保證反應(yīng)氣與試樣充分而均勻接觸,減小擴(kuò)散阻力對(duì)反應(yīng)的影響。

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.2.1 燃燒失重曲線（DTG曲線）的分析  

    龍巖煤樣在不同氧濃度下的DTG曲線如圖1所示。從圖中可看出，隨著氧濃度的增加，煤的DTG曲線的峰值（即最大燃燒速率）增大并向低溫區(qū)移動(dòng)，并且峰區(qū)變窄，說明氧濃度的增加，提高了煤中可燃質(zhì)的燃燒反應(yīng)速率，使燃燒強(qiáng)度增強(qiáng)，縮短了煤樣從著火到燃盡所需的燃燒時(shí)間。

圖1. 龍巖煤樣在不同氧濃度下的DTG曲線

圖2 氧濃度對(duì)煤樣著火溫度和燃盡溫度的影響

2.2.1 氧濃度對(duì)煤樣著火特性和燃盡特性的影響

    煤的著火特性對(duì)燃煤鍋爐的高效穩(wěn)定燃燒和低負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行意義重大。煤的著火是由于放熱超過了散熱而使煤的化學(xué)反應(yīng)得到自加速的結(jié)果。著火溫度是體現(xiàn)煤著火性能的主要指標(biāo)。本文在TG－DTG曲線上采用切線法確定煤的著火溫度，燃盡溫度則定義為DTG曲線上燃燒結(jié)束區(qū)域失重速率為1%/min的點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度值[6] 。

    圖2給出了龍巖煤樣著火溫度和燃盡溫度隨氧濃度變化的關(guān)系曲線，由圖可知，煤樣的著火溫度和燃盡溫度均隨著氧濃度的增加而降低，其中燃盡溫度降低得更多。當(dāng)氧濃度為40％時(shí)，與氧濃度20％時(shí)相比，著火溫度和燃盡溫度分別降低了31.7℃和38℃。從圖中還可以看出當(dāng)氧濃度超過40%時(shí)，溫度降低的趨勢(shì)變緩。

3. 富氧燃燒技術(shù)應(yīng)用于CFB鍋爐燃燒福建無煙煤若干問題的探討

3.1對(duì)添加石灰石脫硫的影響

   CFB鍋爐爐內(nèi)脫硫通常采用向爐內(nèi)添加石灰石等脫硫劑在燃燒的同時(shí)實(shí)現(xiàn)脫硫。其主要反應(yīng)方程式如下：

    石灰石煅燒分解反應(yīng)：

    CaCO3CaO  +  CO2 ↑（1）

    脫硫反應(yīng)（硫酸鹽化反應(yīng)）：

    CaCO3+SO2+1/2 O2  →  CaSO4  +  CO2 ↑（2）

    CaO+SO2 + 1/2 O2  →  CaSO4（3）

    脫硫逆向反應(yīng)：

    CaSO4→CaO+SO2  +  1/2 O2（4）

    上述反應(yīng)的化學(xué)平衡受反應(yīng)溫度、SO2濃度和O2濃度的影響，毛玉如[7]等的研究認(rèn)為，SO2濃度的增大可以明顯升高硫化產(chǎn)物CaSO4的熱穩(wěn)定溫度（起始分解溫度）上限，即抑制了脫硫逆向反應(yīng)（4）式的進(jìn)行；O2濃度對(duì)反應(yīng)平衡的作用與SO2類似，高O2濃度也能有效抑制CaSO4的分解，并且，有利于保證硫化反應(yīng)在氧化性氣氛下進(jìn)行，生成產(chǎn)物以CaSO4為主導(dǎo)。此外，采用富氧燃燒，可以降低煤的著火和燃盡溫度，因此可以采用較低的床溫，這有利于解決福建無煙煤燃燒溫度和采用石灰石爐內(nèi)脫硫溫度不匹配的矛盾，提高石灰石的利用率。

3.2 對(duì)脫硫灰渣綜合利用的影響

    CFB鍋爐的脫硫灰渣的性質(zhì)與煤粉爐粉煤灰相比存在較大差別，主要特點(diǎn)為飛灰含碳量高、玻璃體較少、CaO含量高并具有一定的自硬性等[8] ，這些差異制約了CFB鍋爐脫硫灰渣的綜合利用。采用富氧燃燒則上述問題均可以得到一定程度的改善。其一，采用富氧燃燒降低了煤的燃盡溫度，縮短燃盡時(shí)間，這將有效提高煤的燃盡率，特別是提高在爐膛中停留時(shí)間最短的細(xì)顆粒的燃盡率，因此飛灰含碳量將大大降低；其二，由3.1中的分析可知，采用富氧燃燒可以提高石灰石利用率，這就意味著在達(dá)到相同脫硫效率的情況下可以降低鈣硫摩爾比，從而減少灰渣中的CaO和自硬性；最后，富氧燃燒提高了燃燒強(qiáng)度，因此有利于煤中礦物質(zhì)燃燒后形成玻璃體，即增加灰渣的活性和流動(dòng)性。

3.3 氧濃度的選取

    根據(jù)上述分析，采用富氧燃燒可以改善福建無煙煤的著火和燃燒特性，并且有利于CFB鍋爐爐內(nèi)添加石灰石的脫硫反應(yīng)及脫硫灰渣的綜合利用。但富氧濃度不宜過高，由熱重分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)氧濃度超過40%時(shí)，龍巖煤樣著火溫度和燃盡溫度降低的趨勢(shì)變緩，同時(shí)，氧濃度過高將造成燃燒強(qiáng)度太強(qiáng)，爐膛內(nèi)溫度急劇升高，從而造成煤和石灰石的燒結(jié)，反而不利于灰熔點(diǎn)較低的福建無煙煤的穩(wěn)定安全燃燒，以及石灰石的脫硫反應(yīng)，此外，制氧投資等費(fèi)用也將猛增，綜合效益反而下降，因此，建議富氧濃度在30％左右為最佳。

４. 結(jié)論　

   （1）隨著氧濃度的增加，龍巖煤的燃燒熱重曲線向低溫區(qū)移動(dòng)，最大燃燒速率增大且出現(xiàn)得越早，說明氧濃度的增加，提高了燃燒強(qiáng)度，加快了燃燒速度。

   （2）隨著氧濃度的增加，龍巖煤的著火溫度和燃盡溫度均降低，氧濃度對(duì)燃盡溫度的影響更大一些。結(jié)果顯示隨著氧濃度的增加，著火提前且燃燒時(shí)間縮短，促進(jìn)了燃燒完全。當(dāng)氧濃度超過40%時(shí)，這種趨勢(shì)變緩。

   （3）采用富氧燃燒有利于CFB鍋爐爐內(nèi)添加石灰石進(jìn)行正向的脫硫反應(yīng)，形成穩(wěn)定的產(chǎn)物CaSO4，并提高石灰石的利用率。

   （4）采用富氧燃燒可改善CFB鍋爐脫硫灰渣特性中制約其綜合利用的不利因素。

   （5）從對(duì)燃燒改善的程度和經(jīng)濟(jì)性等方面綜合考慮，建議富氧濃度在30％左右為最佳。

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文章作者：鄒崢 羅鴻春 集美大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 廈門 361021