固體燃料燃燒技術研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1、固體燃料燃燒技術研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢摘要 ：固體燃料主要是指煤及生物質燃料。 我國是一個煤資源豐富的大國， 工業(yè)用能主要以煤為主。 之前煤的燃燒低效高污染， 隨著環(huán)境污染問題日益嚴重，如霧霾以及溫室效應。這些問題促使人們重新研究煤及生物質原料的燃燒過程， 改進其燃燒技術， 發(fā)展新的燃燒設備， 以適應節(jié)能減排的國家戰(zhàn)略。 本文就是在 這一背景下提出的， 分析了國內外固體燃料燃燒技術研究現(xiàn)狀， 并大膽預測了固 體燃料燃燒技術的發(fā)展趨勢。0. 引言20 世紀后幾十年 , 雖然眾多學者在高效低污染燃燒技術方面開展了大量研 究 , 提出了很多新型燃燒方式和燃燒理念 , 但現(xiàn)有燃燒系統(tǒng)仍難以同時滿足高 效與

2、低污染的要求 . 例如 , 旋流燃燒器 1 和富氧燃燒器的應用雖然提高了火焰雖降低了火焰溫度 , 卻極易引起燃燒不穩(wěn)定性溫度、燃燒強度與火焰穩(wěn)定性，卻造成了大量污染物排放(如NOX);又如，火焰 冷卻技術 2(flame cooling),問題, 導致燃料的不完全燃燒 , 因而產生大量的 CO; 再如分級燃燒 , 通過分別 營造富燃與富氧兩個燃燒區(qū)域降低 NOx 排放, 卻也降低了燃燒強度并因此在某些 條件下降低了燃燒效率 ; 而流化床燃燒技術 3, 雖具有適應各種固體劣質燃料 及NOX排放少的優(yōu)點，但也無法克服燃燒溫度過低而導致燃燒效率不高的問題1.1 固體燃料燃燒過程煤碳的燃燒過程： 煤從

3、進入爐膛到燃燒完畢，一般經歷四個階段：水分蒸 發(fā)，當溫度達到105C左右時，水分全部被蒸發(fā)；揮發(fā)物著火階段，煤不斷吸收 熱量后，溫度繼續(xù)上升，揮發(fā)物隨之析出，當溫度達到著火點時，揮發(fā)物開始燃 燒。揮發(fā)物燃燒速度快，一般只為煤整個燃燒時間的 1/10左右；焦碳燃燒階段， 煤中的揮發(fā)物著火燃燒后， 余下的碳和灰組成的固體物便是焦碳。 此時焦碳溫度 上升很快， 固定碳劇烈燃燒， 放出大量的熱量。 煤的燃燒速度和燃燼程度主要取 決于這個階段； 燃燼階段， 這個階段使灰渣中的焦碳盡量燒完， 以降低鍋爐熱損 失，提高效率。1.2 良好燃燒的條件良好燃燒必須具備三個條件： 1、溫度。溫度越高，化學反應速度快

4、，燃燒就愈快。層燃爐溫度通常在11001300C。2、空氣?？諝鉀_刷碳表面的速度愈 快，碳和氧接觸越好，燃燒就愈快。 3、時間。要使煤在爐膛內有足夠的燃燒時 間。 碳燃燒時在其周圍包上一層灰殼，碳燃燒形成的一氧化碳和二氧化碳往往 透過灰殼向外四周擴散運動，其中一氧化碳遇到氧后又繼續(xù)燃燒形成二氧化碳。也即，碳粒燃燒時， 灰殼外包圍著一氧化碳和二氧化碳兩層氣體， 空氣中的氧必 須穿過外殼才能與碳接觸。因此，加大送風，增加空氣沖刷碳粒的速度，就容易 把外包層的氣體帶走； 同時加強機械撥動， 就可破壞灰殼， 促使氧氣與碳直接接 觸，加快燃燒速度。如果氧氣不充足，攪動不夠，煤就燒不透，造成灰渣中有許 多

5、未參與燃燒的碳核， 另外還會使一部分一氧化碳在爐膛中沒有燃燒就隨煙氣排 出。 對于大塊煤，必須有較長的燃燒時間， 停留時間過短， 燃燒不完全。因此， 實際運行中， 一般采取供給充足的氧氣， 采用爐拱和二次風來加強擾動， 提高燃 燒溫度，爐膛不宜過小等措施保證煤充分燃燒。2.1 固體燃料的燃燒方法與設備 特點空氣Siiia定床榕WK而進荷燒應.對at質與堤度均-定煙:2O3GmniftM*igS 一桂來說.常饒8度受丟彳追連制戰(zhàn)比較飪.但3a定性床昆厚度100- lom m. -為煤炊尺寸的涪*基+羌還反止產2 部過庫層.二 _生 床爲20A石分無人，典層上論 床跳中fiafeajfc ttAc

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7、 染。固體燃料儲量豐富，研究固體燃料的化學鏈燃燒將有利于實現(xiàn)固體燃料的高 效、經濟。清潔利用，具有廣闊的應用前景?；瘜W鏈燃燒（CLC）是一種潔凈、高效的新型燃燒技術，與傳統(tǒng)燃燒相比,最大的優(yōu)點是實現(xiàn)了 C02與其它廢氣的分離，避免了分離C02寸所需的昂貴設備和 系統(tǒng)效率的損失【3. 4| 0 CLC系統(tǒng)包括2個流化床反應器：空氣反應器（氧化反應 器）和燃料反應器（還原反應器），見圖1o它的基本原理MPnCOs+HjO=C03HaO空氣燃料圖1化學鏈燃燒原理示意圖是將燃料與空氣直接接觸的傳統(tǒng)燃燒借助于載氧體(oxygen carder)的作用分解為2個氣.固反應：一方面利用載氧體分離空氣中的氧；

8、另一方面載氧體將 分離的空氣中的氧傳遞給燃料，進行燃料的無火焰燃燒。基于兩步化學反應，能 夠實現(xiàn)能量的梯級利用，所以具有更高的能源利用率 【5J 0由于化學鏈燃燒中燃 料與空氣不直接接觸，所以不產生燃料型 NQ。而且無火焰的氣.固反應溫度遠 遠低于常規(guī)的燃燒溫度，因而可控制熱力型 NO的生成。因此，這種新穎的燃燒 方式可以根除NQ的生成，具有很好的經濟和環(huán)保效益。222 MILD 燃燒MILD燃燒是低氧稀釋條件下的一種溫和燃燒模式2,46.在爐內實現(xiàn)該 燃燒(特別燒燃氣和輕油)時,整個爐膛透亮，無局部高溫火焰存在6,故又稱 之為“無焰燃燒” (Flameless Combustion)或“無焰

9、氧化”(FlamelessOxidation, FLQX)2.由于實現(xiàn)該燃燒目前還需將燃燒空氣高 溫預熱到1000 C以上，因此亦常被定義為“高溫空氣燃燒”MILD燃燒是一種容積燃燒或彌散燃燒，其特征是反應速率低、局部釋熱少、 熱流分布均勻、燃燒峰值溫度低且噪音極小.該燃燒與傳統(tǒng)小區(qū)域局部高溫燃燒 相比，反應在大區(qū)域、甚至整個爐膛內進行，火焰鋒面消失；NQx和CQ等污染物 的生成顯著減少；爐膛整體溫度提高、輻射傳熱增強6.該燃燒自20世紀90年代問世后 , 迅速在德國、意大利、日本、美國、瑞典和中國等國家的鋼鐵和冶金 行業(yè)得到應用.大量的工業(yè)應用證明,蓄熱式MILD（即熟知的日本HiTAC和德

10、國FLOX）然燒系統(tǒng)的使用可提高熱利用效率（故降低CO2排放）30%以上,同時減少NOx 排放超過70%6. 另外, MILD 燃燒對使用低熱值 （劣質）燃料也有明顯的優(yōu)勢 . 由于集節(jié)能、減排、環(huán)保于一身 , 該燃燒技術被國際 燃燒界譽為 21 世紀最具發(fā)展前途的新型燃燒技術之一 47.2.2.3 脈動然燒簡單地說脈動燃燒是指聲振條件下發(fā)生的一種周期性的燃燒過程。 在燃燒區(qū) 內, 表征這個過程的狀態(tài)參數(shù) , 如溫度、壓力、氣流速度及熱釋放率等穩(wěn)態(tài)變量都 隨時間周期性波動 6脈動然燒最根本的特點是然燒器中的氣流脈動強化了然燒器及尾管中顆粒 與顆粒之間、顆粒與氣流之間的質量、動量和能量傳遞 7具

11、體表現(xiàn)為 :（1） 然燒強度高、效率高由于氣流的脈動強化了燃燒器中氣流與顆粒之間的混合 , 加快了化學反應速 度,然燒充分,使得脈動然燒器具有很高的然燒強度 ,此外脈動然燒所需要的過量 空氣量也很?。╝ =1.021.05）,故其排煙熱損失也很小,具有非常高的燃燒效率 （95%以上）。（2） 傳熱效率高脈動燃燒室中的聲共振引起了較大的流體振動 ,附加在這些 振動上的是湍流速度振動 ,湍流的作用增強了傳熱。同時由于氣流的脈動削弱了 管壁邊界層的阻力作用,使熱量傳遞加快。Galitseyskiy和Ryzhov8報道了高頻 湍動氣流中高達5咅的傳熱率,Hanby觀察到了相對穩(wěn)態(tài)流動增加240%勺傳熱

12、率 9（3） 排煙污染小充分燃燒使得排氣中的C、H2、CC及碳氫化合物的含量都降低,且由于脈動燃 燒的溫度一般較低,使得NOX勺排放更低,與常規(guī)鍋爐58138X 10-6的NO排放量 相比, 脈動燃燒器的排放量可減小到 34 36X 10-610, 有利于環(huán)保。（4） 結構緊湊、節(jié)省固定投資脈動燃燒技術優(yōu)良的傳熱、傳質特性使得在一定的發(fā)熱量前提下 , 燃燒室的體積和換熱面積都可相應地減小。2.3 固體燃料燃燒技術發(fā)展趨勢為了減少燃煤污染物排放和提高效率， 目前發(fā)展迅猛的潔凈煤技術有超臨界 壓力鍋爐加煙氣脫硫技術（PC. FCD）循環(huán)流化床鍋爐技術（CFBC）和增壓流化床 鍋爐聯(lián)合循環(huán)技術（PFBc）、整體式煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術（IGCC）?；剂系母咝鍧嵗?、 環(huán)境友好的多聯(lián)產資源化利用、 零排放燃煤發(fā)電 技術、3. 結論我國是世界上最大的煤炭生產和消費國， 煤炭的利用效率不高以及燃燒造成 的環(huán)境污染， 一直是制約我國可持續(xù)發(fā)展的最重要的因素