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    煤粉工業(yè)鍋爐技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用

    2020-03-19 05:32:40周建明崔豫泓崔名雙王彩虹
    潔凈煤技術(shù) 2020年1期
    關(guān)鍵詞:供料工業(yè)鍋爐旋流

    周建明,崔豫泓,賈 楠,崔名雙,張 斌 ,王彩虹

    (1. 煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司,北京 100013;2. 煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100013;3. 國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100013)

    0 引 言

    在科技部“十五”清潔能源行動(dòng)、“十一五”國家科技支撐計(jì)劃等課題支撐下,借鑒油氣鍋爐和德國煤粉工業(yè)鍋爐技術(shù)理念[1],煤粉工業(yè)鍋爐從2000年開始立項(xiàng)研發(fā),2005年完成0.5 MW中試驗(yàn)證,2006—2009年分別在忻州、大同和鎮(zhèn)江等地完成4 t/h蒸汽鍋爐和1.4~14 MW熱水鍋爐以及62.8萬kJ導(dǎo)熱油爐的工業(yè)示范,系統(tǒng)技術(shù)逐步發(fā)展成熟,從2010年至今,進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用階段,先后完成14~80 MW和70 MW天然氣/煤粉雙燃料等鍋爐系統(tǒng)的應(yīng)用。由于煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)具有高熱效率、低煙氣污染物排放等優(yōu)點(diǎn),有效帶動(dòng)了燃煤工業(yè)鍋爐產(chǎn)業(yè)發(fā)展,為中國工業(yè)鍋爐整體技術(shù)進(jìn)步提供了有力支撐。今后隨著煤粉鍋爐技術(shù)的發(fā)展,國家大氣治理的環(huán)保要求的嚴(yán)格,煤粉工業(yè)鍋爐向大型化和近零排放化方向發(fā)展。

    1 煤粉工業(yè)鍋爐技術(shù)及發(fā)展

    煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)由煤粉儲(chǔ)供、油氣點(diǎn)火、燃燒、鍋爐本體、煙氣凈化以及自動(dòng)化控制等系統(tǒng)構(gòu)成(圖1)。通過關(guān)鍵技術(shù)不斷發(fā)展完善,煤粉工業(yè)鍋爐裝備向大型化、模塊化和系列化發(fā)展,涵蓋蒸汽鍋爐、熱水鍋爐、有機(jī)熱載體鍋爐及熱風(fēng)爐四大品種,形成共計(jì)20個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品?,F(xiàn)在運(yùn)行鍋爐最大容量達(dá)到80 MW,天然氣/煤粉雙燃料鍋爐達(dá)到70 MW,鍋爐熱效率大于91%,煙氣污染物達(dá)到國家超低排放標(biāo)準(zhǔn),系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展符合國家煤炭清潔利用方向。

    煤粉鍋爐技術(shù)及裝備發(fā)展歷程見表1。

    圖1 煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)示意

    表1 煤粉鍋爐技術(shù)及裝備發(fā)展歷程

    2 關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展

    2.1 煤粉制備技術(shù)

    煤粉鍋爐采用高揮發(fā)分長煙煤煤粉作為燃料。其中,煤粉要求水分4%以下,粒度為0.075 mm。鍋爐發(fā)展初期,由于容量較小,煤粉需求量較低,生產(chǎn)采用先經(jīng)回轉(zhuǎn)烘干窯烘干,再由雷蒙磨磨制的兩步法生產(chǎn)工藝。隨著鍋爐數(shù)量及單體鍋爐容量的增加,對煤粉的需求也迅速增加,煤粉生產(chǎn)發(fā)展為采用立式磨機(jī),烘干和磨制同時(shí)進(jìn)行的一步法生產(chǎn)工藝。工藝原理為:煤粉作為燃料供入熱風(fēng)爐,燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)釤煔饨?jīng)配入空氣或低溫循環(huán)煙氣調(diào)節(jié)至適宜溫度后,與粉煤同時(shí)供入立式磨煤機(jī),粉煤在磨制過程中完成烘干,直接產(chǎn)出成品煤粉。熱煙氣既是干燥劑,也是輸送風(fēng),熱風(fēng)爐煤粉消耗量根據(jù)產(chǎn)能和空氣吸熱等因素設(shè)計(jì)。一般烘干能消耗為18~20 kg/t煤粉,電耗為30 kWh/t煤粉。

    一步法生產(chǎn)工藝系統(tǒng)在全負(fù)壓下運(yùn)行,無粉塵外漏,外排煙氣中粉塵濃度不高于30 mg/Nm3。相比兩步法,缺點(diǎn)為產(chǎn)出煤粉溫度高,安全保障措施要求高,優(yōu)點(diǎn)為流程短、設(shè)備少和比投資小等,可滿足百萬噸級大規(guī)模制粉需求。

    2.2 煤粉安定存儲(chǔ)技術(shù)

    隨著煤粉產(chǎn)量的提高,大容量安全穩(wěn)定存儲(chǔ)技術(shù)及裝備要求隨之提高。參照德國BGV c12(5)、TRD413(5)及VDI-Richtlinie2263(3673)等標(biāo)準(zhǔn),對煤粉流動(dòng)性、自燃特性及爆炸性能深入研究[2],通過優(yōu)化下料錐結(jié)構(gòu),完善流化系統(tǒng),配備溫度、料位、氣體監(jiān)測報(bào)警、CO2/N2保護(hù)和泄壓等全體系檢測和防爆措施,制定儲(chǔ)罐本體設(shè)計(jì)為0.35 MPa承壓能力,常壓下使用等標(biāo)準(zhǔn),使大容量煤粉安定存儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展成熟?,F(xiàn)整體存儲(chǔ)技術(shù)和裝備發(fā)展至最大可達(dá)1 000 m3儲(chǔ)存容量。爐前煤粉存儲(chǔ)輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

    圖2 爐前煤粉存儲(chǔ)輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

    2.3 濃相無脈動(dòng)供粉技術(shù)

    濃相無脈動(dòng)供粉是高效穩(wěn)定燃燒關(guān)鍵技術(shù)之一,在第1代螺旋式供料技術(shù)基礎(chǔ)上,第2代供料技術(shù)采用粉體氣動(dòng)活化、無脈動(dòng)給料及高速引射流濃相供粉技術(shù)[3],系統(tǒng)由供料鎖氣閥、勻料鎖氣閥以及文丘里等組成。其中,回轉(zhuǎn)卸料閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為斜槽式,通過出口加裝擋板,閥芯側(cè)面設(shè)置壓縮空氣氣封,葉片邊緣和殼體弧形密封面控制間隙等措施,有效提高了閥體的密封性。供料過程為:中間倉煤粉經(jīng)下料閥變頻控制轉(zhuǎn)速后,落入供料鎖氣閥,閥體采用較高轉(zhuǎn)速剪切方式進(jìn)料,煤粉被打散后落入回轉(zhuǎn)閥斜槽內(nèi),上一個(gè)凹槽中粉體尚未完全卸完,下一個(gè)凹槽中粉體已經(jīng)開始卸出,在密度保持不變的條件下均勻供入文丘里,由一次輸送風(fēng)形成高速混合引射流攜帶,穩(wěn)定供入燃燒器。目前已實(shí)現(xiàn)輸送阻力低于20 kPa,粉風(fēng)固氣比大于2.5 kg/m3,供料精度在±3.0%以內(nèi),最大供料量為5 t/h的濃相供料技術(shù)與裝備。由于雙鎖氣閥供料具有調(diào)節(jié)靈活,濃相均勻穩(wěn)定供料等優(yōu)點(diǎn),現(xiàn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鍋爐供料系統(tǒng)。供料器結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

    圖3 煤粉濃相供料器結(jié)構(gòu)示意

    第3代整體流化多孔濃相低脈動(dòng)圓盤供料器主要由煤粉流化系統(tǒng)、供料圓盤系統(tǒng)和壓力平衡系統(tǒng)等組成。流化系統(tǒng)先將煤粉均勻穩(wěn)定流化,再經(jīng)多孔圓盤結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)低脈動(dòng)輸出,供料器內(nèi)壓力由壓力平衡系統(tǒng)保證,從而實(shí)現(xiàn)圓盤供料器運(yùn)行穩(wěn)定。濃相低脈動(dòng)圓盤供料器驗(yàn)證設(shè)計(jì)供料量為2.5 t/h,現(xiàn)已成功完成長周期試運(yùn)行考核。供料量可在0.5~2.5 t/h調(diào)節(jié),供料精度在±2.0%以內(nèi),由于自帶煤粉儲(chǔ)存罐體,最短自供時(shí)間15 min,可應(yīng)對緊急情況處理,額定運(yùn)行壽命可達(dá)8 000 h以上。

    供料精度更高的第4代轉(zhuǎn)子秤供料器,供料精度在±1.0%以內(nèi),現(xiàn)在開展供料能力為2.5 t/h樣機(jī)試制及驗(yàn)證工作。

    2.4 燃燒技術(shù)

    2.4.1大功率燃燒技術(shù)

    大功率煤粉燃燒技術(shù)采用逆噴回流式結(jié)構(gòu),燃燒器由一次風(fēng)管、回流帽、二次風(fēng)管、旋流葉片、前后夾層水冷錐筒及點(diǎn)火系統(tǒng)等組成。借助計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展和數(shù)值模擬技術(shù)的成熟應(yīng)用,基礎(chǔ)研究依據(jù)燃燒器結(jié)構(gòu)特征,通過建立雙錐燃燒室旋流強(qiáng)度計(jì)算公式(式(1)[7])等計(jì)算方法,開展模擬氣流擴(kuò)展角、回流區(qū)域范圍、回流量、旋流強(qiáng)度以及溫度和速度場等研究工作[4-8],用以掌握錐體內(nèi)部溫度場、速度場和煤粉顆粒運(yùn)行軌跡,旋流強(qiáng)度對燃燒室流場的影響,以及直葉片與錯(cuò)角葉片結(jié)構(gòu)(圖4,β為葉片上邊和下邊在yz平面的投影在圓弧上錯(cuò)開角度)對燃燒器阻力和旋流強(qiáng)度影響等。切向葉片安裝示意如圖5所示(d為安裝葉片環(huán)內(nèi)徑,ε為2個(gè)葉片之間的最小間隙,R0為實(shí)際旋流半徑)。

    圖4 直角葉片和錯(cuò)角葉片示意[7]

    圖5 切向葉片安裝示意[7]

    錯(cuò)角葉片旋流強(qiáng)度計(jì)算公式為

    (1)

    式中,A為常數(shù),cosβ;d0為前錐入口長度,m;d1為一次風(fēng)管直徑,m;α為葉片傾斜角,(°);b為葉片長度,m;z為葉片數(shù)量。

    旋流強(qiáng)度較大時(shí),氣流旋轉(zhuǎn)強(qiáng)烈,直接影響氣流擴(kuò)展角,使回流區(qū)域增大,回流量增多,燃燒器阻力增大,一次風(fēng)逆噴距離減小,無法到達(dá)根部葉片部位,二次風(fēng)未達(dá)到前后錐位置就發(fā)生回流。6種旋流強(qiáng)度下模擬結(jié)果見表2。旋流強(qiáng)度n=1.37~1.64時(shí),一次風(fēng)逆噴距離能達(dá)到根部葉片處,火焰可在錐體中部前后錐結(jié)合位置產(chǎn)生回流[7]。旋流強(qiáng)度及葉片結(jié)構(gòu)對燃燒器阻力影響如圖6所示。

    表2 6種旋流強(qiáng)度下模擬結(jié)果[7]

    圖6 旋流強(qiáng)度及葉片結(jié)構(gòu)對燃燒器阻力影響[7]

    大功率煤粉燃燒器設(shè)計(jì)依據(jù)基礎(chǔ)研究,通過工程驗(yàn)證與優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)再驗(yàn)證的過程,最終完成定型。其中,14 MW燃燒器結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)參數(shù)經(jīng)過優(yōu)化后,內(nèi)部溫度場分布合理,經(jīng)過現(xiàn)場驗(yàn)證后,最終確定該燃燒器設(shè)計(jì)參數(shù)[8]。優(yōu)化后的溫度場分布如圖7所示?,F(xiàn)已經(jīng)開發(fā)出14、29、35和最大功率為42 MW系列功率燃燒器,通過規(guī)格和數(shù)量的選擇,滿足不同容量煤粉鍋爐配置需要。

    圖7 優(yōu)化后的溫度場分布[8]

    燃燒器燃燒過程為一次風(fēng)攜帶煤粉由中心風(fēng)管噴出,經(jīng)回流帽折返180°至燃燒器根部,在沿噴管外壁返回過程中,被周邊高溫?zé)煔饪焖偌訜嶂?00 ℃左右,至燃燒器根部時(shí),與高速強(qiáng)旋流二次風(fēng)接觸迅速著火燃燒,形成螺旋燃燒火焰,再經(jīng)出口高速噴入爐膛,完成剩余燃燒過程。由于雙錐特殊結(jié)構(gòu)和一次風(fēng)帶動(dòng),高溫火焰在錐體中部形成回流區(qū),約1/2高溫火焰回流至燃燒器根部區(qū)域,為后續(xù)煤粉燃燒提供穩(wěn)定的著火熱。

    燃燒空氣采用三次供給方式,著火燃燒空氣由一次煤粉輸送風(fēng)和二次風(fēng)提供,約占風(fēng)總量的60%。在空氣過剩系數(shù)α=0.7~0.8的低氧條件下,完成40%~60%燃燒過程,再以100~150 m/s速度由燃燒器旋流噴出,與布置在燃燒器出口周邊供入剩余40%的三次風(fēng)混合,在α>1的條件下完成剩余燃燒過程。由于火焰高速度旋流噴出,攜帶三次風(fēng)纏繞混合,從而實(shí)現(xiàn)拉長火焰,降低爐膛溫度峰值,均衡溫度場,抑制NOx生成的目的。燃燒器負(fù)荷可在30%~110%調(diào)整,燃燒效率≥99%,因采用濃相供粉,點(diǎn)火熱僅為稀相供粉的1/6~1/10。燃燒器前后夾層水冷錐筒由鍋爐系統(tǒng)除氧水進(jìn)行冷卻,起到保護(hù)作用。

    2.4.2天然氣/煤粉雙燃料燃燒器

    天然氣/煤粉雙燃料燃燒器采用逆噴式結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)充分兼顧了天然氣和煤粉的燃燒特性,滿足天然氣和煤粉燃料單獨(dú)及混合使用條件。由燃?xì)鈬娮?、回流帽中心逆噴管、?qiáng)旋流二次供風(fēng)葉片及前后夾層水冷錐筒等構(gòu)件組成。燃用天然氣時(shí),天燃?xì)庥梢淮物L(fēng)管單獨(dú)供入,與根部供入的二次風(fēng)充分混合燃燒,由燃燒器高速噴入爐膛,在高速強(qiáng)旋流氣流帶動(dòng)下,使燃燒火焰拉長,溫度峰值降低,分布均衡,初始NOx排放低于50 mg/m3;燃用煤粉時(shí),結(jié)合分級燃燒技術(shù),燃燒效率可達(dá)到99%以上,初始NOx排放低于400 mg/m3;混合燃燒時(shí),天然氣使用比例為10%~20%,此時(shí)既可燃用煤粉,還可燃用半焦粉等低揮發(fā)分燃料。因燃料均由一次風(fēng)管供給,從而具有快速著火,便捷切換等功能?,F(xiàn)在運(yùn)行燃燒器功率達(dá)35 MW。天然氣/煤粉雙燃料燃燒器結(jié)構(gòu)示意如圖8所示。

    圖8 天然氣/煤粉雙燃料燃燒器結(jié)構(gòu)示意

    2.4.3風(fēng)冷燃燒技術(shù)

    風(fēng)冷燃燒器采用逆噴式內(nèi)外雙級旋流供風(fēng)燃燒技術(shù),由一次風(fēng)管、回流帽、二次風(fēng)管、旋流葉片、半錐及點(diǎn)火系統(tǒng)等組成(圖9)。燃燒過程與水冷結(jié)構(gòu)燃燒器相近,一次風(fēng)攜帶煤粉由中心風(fēng)管供入,在回流帽的作用下,回流至燃燒器根部與供入的旋流內(nèi)二次風(fēng)混合著火燃燒,旋流噴出半錐,外二次風(fēng)由空氣和循環(huán)煙氣混合經(jīng)外二次風(fēng)冷夾套供入,在葉片作用下旋流噴出,與半錐噴出的螺旋火焰纏繞混合,在爐膛完成整個(gè)燃燒過程。外二次風(fēng)在經(jīng)過外二次風(fēng)冷夾套時(shí),同時(shí)對燃燒器進(jìn)行冷卻,起到保護(hù)作用。

    由于取消了水冷燃燒器水冷系統(tǒng)和雙錐結(jié)構(gòu),風(fēng)冷燃燒器結(jié)構(gòu)更加簡單,體積更小。結(jié)合分級供風(fēng)及煙氣再循環(huán)技術(shù),該型燃燒器具有點(diǎn)火迅速、燃燒穩(wěn)定、燃燒效率高和初始NOx排放低等優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)開發(fā)出最大功率為29 MW的燃燒器,成功應(yīng)用在天津新建4×58 MW煤粉工業(yè)鍋爐,取得了燃燒效率≥99%,NOx初始排放≤300 mg/m3的良好應(yīng)用效果。由于風(fēng)冷燃燒技術(shù)具有生產(chǎn)成本低,使用壽命長等特點(diǎn),通過與鍋爐系統(tǒng)整體燃燒優(yōu)化設(shè)計(jì),形成多只燃燒器同向或?qū)姷榷喾N布置方案,能夠滿足高參數(shù)大容量鍋爐需要。風(fēng)冷燃燒器結(jié)構(gòu)示意如圖9所示。

    圖9 風(fēng)冷燃燒器結(jié)構(gòu)示意

    2.5 鍋爐本體

    由于煤粉采用懸浮燃燒方式,與常規(guī)工業(yè)鍋爐燃燒方式存在較大差異。發(fā)展初期,鍋爐本體結(jié)構(gòu)因較鏈條鍋爐和循環(huán)流化床鍋爐結(jié)構(gòu)簡單,無相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系參照執(zhí)行,主要生產(chǎn)參照常規(guī)鏈條鍋爐結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),在應(yīng)用中存在燃燒效率低、爐膛結(jié)渣及鍋爐出力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求等問題。

    隨著煤粉鍋爐技術(shù)應(yīng)用迅速發(fā)展,鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在經(jīng)歷了探索與發(fā)展歷程后,逐步形成自有設(shè)計(jì)制造規(guī)范并日臻完善。目前,20 t/h以下小型鍋爐結(jié)構(gòu)主要采用WNS鍋殼型式火管結(jié)構(gòu),特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、強(qiáng)度高、氣密性好和安裝維護(hù)簡單。20~30 t/h容量鍋爐燃燒器前置,爐體采用DZS膜式壁爐膛耦合鍋殼高速煙火管對流換熱結(jié)構(gòu),提高了對流傳熱效果的同時(shí),也避免了低負(fù)荷積灰問題。40~160 t/h大型鍋爐燃燒器垂直頂置布置,爐體采用DHS全膜式壁爐膛耦合蛇形管對流換熱面立式結(jié)構(gòu),火焰下噴,SCR脫硝系統(tǒng)布置在對流換熱面和空氣預(yù)器之間。

    2.6 煙氣凈化技術(shù)

    2.6.1NGD高倍率灰鈣循環(huán)煙氣脫硫除塵技術(shù)

    NGD高倍率灰鈣循環(huán)脫硫技術(shù)是在德國CFB-FGD、RCFB、CFB及丹麥GSA等技術(shù)基礎(chǔ)上,開發(fā)的煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)的脫硫除塵技術(shù)[9-11]。該技術(shù)利用粉煤灰中堿性氧化物如活性CaO等,通過增濕循環(huán)脫除煙氣中SO2等酸性氣體及粉塵。特點(diǎn)是占地小,運(yùn)行成本低,可實(shí)現(xiàn)廢物資源再利用以及多種污染物聯(lián)合脫除。

    鍋爐排出的煙氣與加入定量水分的粉煤灰由反應(yīng)器下端進(jìn)入,煙氣中的SO2、SO3、HCl和HF等酸性氣體在懸浮流動(dòng)過程中,與含CaO的粉煤灰發(fā)生反應(yīng),生成CaSO3、CaSO4、CaCl2和CaF2等,從而將SO2等酸性氣體吸收脫除。參與脫硫反應(yīng)后的粉煤灰隨煙氣依次進(jìn)入旋風(fēng)分離器和布袋除塵器除塵,凈化后的煙氣經(jīng)引風(fēng)機(jī)排入大氣。由旋風(fēng)分離器、布袋除塵器底部排出的粉煤灰進(jìn)入儲(chǔ)倉。為保證活性鈣的高利用率,在Ca/S摩爾比為1∶1~2∶1,循環(huán)量與新鮮灰量循環(huán)倍率10~100的條件下,儲(chǔ)倉中粉煤灰經(jīng)供料器定量加水后再次供入混合器循環(huán)使用[11]。隨著運(yùn)行過程粉煤灰不斷產(chǎn)生,當(dāng)儲(chǔ)灰倉超過高料位時(shí),多余粉煤灰自動(dòng)卸入出灰系統(tǒng)。系統(tǒng)工藝原理如圖10所示。

    圖10 NGD脫硫工藝原理

    該工藝可實(shí)現(xiàn)煙氣一體化凈化過程,具有流程簡單、占地少、投資小、成本低和粉煤灰資源綜合利用等多種優(yōu)點(diǎn),可在低鈣硫摩爾比下,達(dá)到濕法工藝相近的脫硫率。系統(tǒng)脫硫和除塵效率分別達(dá)到90%和99.95%以上。

    2.6.2低溫炭基預(yù)氧化脫硝耦合NGD協(xié)同煙氣凈化技術(shù)

    低溫炭基預(yù)氧化脫硝耦合NGD協(xié)同煙氣凈化技術(shù)是利用活性焦炭基吸附性和催化性雙重性能,研發(fā)的鍋爐煙氣協(xié)同凈化技術(shù),與現(xiàn)國內(nèi)外協(xié)同煙氣凈化屬同一方向。系統(tǒng)主要由煙氣系統(tǒng)、吸附系統(tǒng)、解析系統(tǒng)、氧化劑供給系統(tǒng)、活性焦儲(chǔ)存及再生系統(tǒng)等構(gòu)成。技術(shù)原理為:在加入臭氧或其他氧化劑條件下,利用活性半焦吸附性和催化性,在70~100 ℃低溫條件下,將NOx、二噁英大分子和汞、砷等污染物吸附并氧化,達(dá)到飽和后,活性半焦通過350 ℃熱煙氣再生解析,釋放出高濃度的NO2、其他酸性氣體、汞和砷氧化物等污染物返回至NGD脫硫反應(yīng)器,脫除SO2的同時(shí),將NO2、HCl和HF等酸性氣體,以及二噁英大分子、汞和砷等污染物脫除。

    該技術(shù)具有工藝簡單,耗水少,廢物資源再利用,無二次污染產(chǎn)生等優(yōu)點(diǎn),更加適合于煤粉工業(yè)鍋爐的煙氣凈化。隨著技術(shù)的逐步成熟,將有效促進(jìn)煤粉工業(yè)鍋爐向集成化、協(xié)同化和近零排放化方向發(fā)展。系統(tǒng)工藝示意如圖11所示。

    圖11 炭基脫硝耦合灰鈣脫硫工藝示意

    2.7 智能控制技術(shù)

    測控系統(tǒng)由各種傳感器、數(shù)據(jù)電纜、動(dòng)力電纜、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、邏輯運(yùn)算模塊、工程組態(tài)軟件、配電柜、控制柜及開關(guān)柜組成。隨著鍋爐發(fā)展的大型化和規(guī)模化,鍋爐自動(dòng)控制技術(shù)也隨之發(fā)展,現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)鍋爐點(diǎn)火、熄火、故障聯(lián)鎖保護(hù),集散式遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能,控制水平得到較大提升。

    今后在鍋爐控制工藝和裝備不斷完善的基礎(chǔ)上,綜合運(yùn)用控制理論、其他信息技術(shù)及專家診斷系統(tǒng),通過儀器儀表、計(jì)算機(jī)以及一級和二級監(jiān)控室的硬件搭建,基于目前工業(yè)鍋爐應(yīng)用的遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)GPRS技術(shù)和Ether Net/IP固定IP和OPC通訊技術(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用[12-13],鍋爐系統(tǒng)控制逐步實(shí)現(xiàn)監(jiān)測、控制、優(yōu)化、調(diào)度、管理和決策向智能化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化和集成化方向發(fā)展,達(dá)到確保安全、增加產(chǎn)量、提高質(zhì)量以及降低能耗等管控目的。

    3 相關(guān)技術(shù)比較

    在國家對煤粉工業(yè)鍋爐技術(shù)的政策支持下,國外同類煤粉燃燒技術(shù)索普、Saacke及Pillard相繼進(jìn)入國內(nèi),國內(nèi)也陸續(xù)開發(fā)出主要以稀相供粉、旋流直噴分級供風(fēng)燃燒技術(shù),四角切圓鍋爐配百葉窗燃燒技術(shù),墻式鍋爐配旋流燃燒技術(shù)等。燃燒器布置方式也有差異,多為側(cè)置和頂置,部分為側(cè)置和低置,最大功率也達(dá)到42 MW。

    煤粉工業(yè)鍋爐技術(shù)建立在以濃相煤粉燃燒,實(shí)現(xiàn)燃油、燃?xì)庑Ч砟罨A(chǔ)上,相當(dāng)或優(yōu)于國外燃燒技術(shù),對比國內(nèi)同類煤粉燃燒技術(shù)在快速著火、燃燒穩(wěn)定、負(fù)荷調(diào)節(jié)、燃燒低氮以及煤種適應(yīng)性方面均有獨(dú)特優(yōu)勢和突出表現(xiàn),已達(dá)到世界先進(jìn)水平。綜合技術(shù)比較見表3。

    表3 國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)綜合比較

    4 技術(shù)應(yīng)用

    煤粉鍋爐自2006年起,在工業(yè)示范和規(guī)?;瘧?yīng)用過程中,采用了大量創(chuàng)新技術(shù),在節(jié)能性、環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性等方面較常規(guī)工業(yè)鍋爐具有顯著優(yōu)勢。目前已在國能集團(tuán)神東礦區(qū)、蘭州市、天津市及濟(jì)南市等20多個(gè)省市廣泛應(yīng)用,均取得了鍋爐熱效率高,運(yùn)行成本低,運(yùn)行穩(wěn)定,煙氣滿足國家排放排放標(biāo)準(zhǔn)的良好效果。

    2010—2014年,中國神華能源神東煤炭分公司先后在其礦區(qū)完成總計(jì)23臺(tái)510 t/h煤粉鍋爐和配套煤粉生產(chǎn)系統(tǒng)建設(shè),實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定的供熱,確保礦井冬季煤炭的順利生產(chǎn)。蘭州紅山根熱力公司于2014年建設(shè)完成5×58 MW煤粉鍋爐項(xiàng)目,滿足了其區(qū)域供熱增長需求。天津華苑熱力公司于2015和2019年分別完成100萬t/a煤粉制備系統(tǒng)和5×58 MW煤粉鍋爐系統(tǒng),以及4×58 MW空冷燃燒器煤粉鍋爐系統(tǒng)建設(shè),鍋爐煙氣凈化均采用布袋除塵+SNCR/SCR+濕法脫硫+濕式電除塵工藝,煙氣實(shí)現(xiàn)超低排放。2016—2018年,濟(jì)南漿水泉熱力公司分別完成3×80 MW煤粉鍋爐和1×70 MW天然氣/煤粉兩用鍋爐建設(shè),鍋爐煙氣凈化采用布袋除塵+SNCR/SCR+濕法脫硫+濕式電除塵,投入運(yùn)行后,較建設(shè)前燃煤量降低40%以上,煙氣實(shí)現(xiàn)超低排放。

    2010年11月—2019年11月,國家工信部等部委先后下發(fā)11份文件,在政策方面積極支持煤粉工業(yè)鍋爐技術(shù)發(fā)展,多次將煤粉工業(yè)鍋爐列入國家工業(yè)節(jié)能技術(shù)裝備推薦名錄。2019年6月16日,國家發(fā)改委又下發(fā)《關(guān)于解決“煤改氣”“煤改電”等清潔供暖推進(jìn)過程中有關(guān)問題的通知》,提出宜煤則煤適合我國能源賦存結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的使用方針。國家積極鼓勵(lì)政策的持續(xù)出臺(tái),為煤粉工業(yè)鍋爐今后發(fā)展提供了有力保障。

    5 未來煤粉工業(yè)鍋爐技術(shù)發(fā)展

    5.1 大型化

    目前煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)通過關(guān)鍵技術(shù)和裝備優(yōu)化升級,在大型化、模塊化和系列化方向已取得成效。隨著城鎮(zhèn)化的持續(xù)推進(jìn),供熱需求穩(wěn)步增加,煤粉工業(yè)鍋爐集中化和大型化發(fā)展成為必然趨勢。以天津市和濟(jì)南市為例,天津市華苑熱力先后完成百萬噸級煤粉制備系統(tǒng),以及9×58 MW煤粉鍋爐系統(tǒng)建設(shè),為京津冀地區(qū)規(guī)模最大的煤粉鍋爐區(qū)域集中供暖項(xiàng)目。濟(jì)南漿水泉熱力建設(shè)完成3×80 MW煤粉鍋爐+1×70 MW天然氣/煤粉兩用鍋爐,為國內(nèi)投入運(yùn)行最大單體煤粉鍋爐和天然氣/煤粉燃料鍋爐。隨著今后煤炭清潔燃燒利用整體技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,大容量高參數(shù)煤粉工業(yè)鍋爐規(guī)?;瘧?yīng)用將成為必然趨勢。

    5.2 半焦粉體復(fù)合生物質(zhì)燃燒技術(shù)

    生物質(zhì)與煤炭復(fù)合燃燒是近20年逐漸發(fā)展起來的生物質(zhì)利用技術(shù)[14-20]。由于生物質(zhì)與煤粉復(fù)合燃燒可以改善煤的著火、燃燒和燃盡特性,目前歐美燃煤電站鍋爐復(fù)合生物質(zhì)燃燒技術(shù)主流發(fā)展方向是生物質(zhì)顆粒與煤粉復(fù)合燃燒。主要應(yīng)用在燃煤火力發(fā)電鍋爐,技術(shù)發(fā)展圍繞提高生物質(zhì)摻混比例,降低污染物排放,緩解飛灰堿金屬對受熱面腐蝕開展。大型燃煤鍋爐混燒生物質(zhì)技術(shù)在英國、美國及德國等國家應(yīng)用較多,電廠裝機(jī)總量最高達(dá)1 100 MW。自2010年以來,已經(jīng)實(shí)現(xiàn)600 MW機(jī)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)0~15%的生物質(zhì)復(fù)合燃燒,600 MW以下機(jī)組實(shí)現(xiàn)15%~35%的生物質(zhì)復(fù)合燃燒,10~30 MW獨(dú)立工業(yè)單元超過35%的生物質(zhì)復(fù)合燃燒。工業(yè)鍋爐主要采用層燃爐和循環(huán)流化床鍋爐,雖然技術(shù)比較成熟,但也面臨生物質(zhì)燃料成本偏高、燃燒效率低及鍋爐受熱面積灰腐蝕等問題。

    由于政策方面的原因,我國生物質(zhì)與煤復(fù)合燃燒方式的電廠不多,最具代表性是山東十里泉電廠,總裝機(jī)容量140 MW,設(shè)計(jì)生物質(zhì)摻混比例為20%。工業(yè)鍋爐領(lǐng)域同歐美一樣,主要使用層燃爐和循環(huán)流化床鍋爐,但因燃燒技術(shù)差距,存在快速啟停、負(fù)荷調(diào)節(jié)、燃盡率及床料團(tuán)聚等不足。

    半焦粉是由高揮發(fā)分低變質(zhì)程度長煙塊煤經(jīng)中溫?zé)峤饣蚍勖旱蜏責(zé)峤獾玫降墓腆w產(chǎn)品,具有高熱值、低灰、低鋁、低硫及低磷等特點(diǎn),復(fù)合生物質(zhì)粉體燃燒可有效解決生物質(zhì)燃料低密度、高含水、低熱值、不便于運(yùn)輸及儲(chǔ)存等問題。目前浙江大學(xué)等高校開展了改善煤粉與生物質(zhì)粉復(fù)合燃料燃燒互補(bǔ)性,降低污染物排放,緩解飛灰堿金屬對受熱面腐蝕等研究工作,開發(fā)出不同類型的燃燒器,但整體粉體復(fù)合燃燒技術(shù)發(fā)展還處于研究階段。

    濃相強(qiáng)旋流逆噴燃燒技術(shù)具有可增加燃料在高溫區(qū)間的行程和時(shí)間,燃燒溫度均衡的特點(diǎn)[21-22],現(xiàn)開展的半焦粉單獨(dú)燃燒研究工作已經(jīng)取得了一定成果,處于技術(shù)放大驗(yàn)證階段。下一步將開展復(fù)合生物質(zhì)在30%~50%大摻混比條件下,復(fù)合燃料制備輸送、燃燒性能以及緩解受熱面腐蝕等方面研究工作。隨著國家能源政策重點(diǎn)向低碳和可再生能源等宏觀政策變化與市場需求,研究工作對推動(dòng)可再生生物質(zhì)合理利用、低階煤分質(zhì)利用發(fā)展、實(shí)現(xiàn)煤炭減量替代、優(yōu)化我國能源結(jié)構(gòu)、減輕環(huán)境污染將有積極意義。

    5.3 高效燃燒技術(shù)

    圍繞高效和環(huán)保的技術(shù)理念,高溫空氣燃燒、無焰燃燒及富氧燃燒等技術(shù)將成為未來燃燒技術(shù)發(fā)展方向[23-27]。其中,高溫空氣燃燒技術(shù)亦稱為無焰燃燒技術(shù),是20世紀(jì)90年代以來發(fā)達(dá)國家開始普遍推廣應(yīng)用的一種全新燃燒技術(shù)。在煤粉工業(yè)鍋爐技術(shù)應(yīng)用中,主要由一次煤粉輸送管和二次風(fēng)爐膛內(nèi)預(yù)熱結(jié)構(gòu)組成。燃燒過程為:煤粉由占總空氣量5%的一次風(fēng)攜帶供入,剩余空氣經(jīng)爐膛高溫預(yù)熱至8 00~1 000 ℃以上后分級供入,在低氧條件下,煤粉在高溫條氣流中完成燃燒過程。與傳統(tǒng)燃燒過程相比,技術(shù)最大特點(diǎn)是煤種適應(yīng)性寬,初始NOx排放低。

    5.4 協(xié)同化煙氣凈化技術(shù)

    燃煤煙氣污染超低排放控制技術(shù)經(jīng)歷了由單一污染物高效控制向多污染物協(xié)同脫除方向發(fā)展。前者主要在現(xiàn)有污染物脫除裝置上挖潛擴(kuò)容,使污染物排放濃度進(jìn)一步降低;后者綜合考慮了脫硫、脫硝和除塵之間的協(xié)同作用,在每個(gè)系統(tǒng)脫除主要污染物的同時(shí),協(xié)同脫除其他污染物或?yàn)橄掠蚊摮廴疚飫?chuàng)造有利條件,最終完成工藝優(yōu)化組合。

    目前,多種污染物協(xié)同脫除技術(shù)發(fā)展迅速,代表性工業(yè)化技術(shù)主要有MCFB技術(shù)、MPCS技術(shù)、活性炭技術(shù)、SNRB技術(shù)等[28-29]。其中,活性炭AC吸附法技術(shù)是利用活性炭的高吸附容量,在水蒸氣濃度適宜的條件下,在AC表面將煙氣中SO2和NO分別催化轉(zhuǎn)化為H2SO4和HNO3加以去除?;钚蕴课搅颉⑾醯任廴疚锏耐瑫r(shí),也會(huì)吸附其他污染物,如煙氣中的單質(zhì)氣相汞,且脫除效果較為突出。該方法具有工藝流程簡單、制造維護(hù)費(fèi)用低、無次生廢料和二次污染等優(yōu)點(diǎn),研究非?;钴S。德國、日本和韓國等國家也有大量活性炭脫硫脫硝工業(yè)裝置運(yùn)行[29]。

    國內(nèi)活性炭或協(xié)同脫除燃煤煙氣中污染物研究較多[30-31]。最早在四川的豆壩電廠進(jìn)行中試[32],2004年在貴州某電廠建立了推廣示范基地,SO2吸附脫除率達(dá)到95.7%,近期的示范工程為2014年建成的神華勝利電廠2×660 MW鍋爐配套脫硫脫硝脫汞一體化裝置,也取得了良好的運(yùn)行效果。未來隨著低溫炭基預(yù)氧化脫硝復(fù)合NGD協(xié)同煙氣凈化技術(shù)的發(fā)展成熟,煤粉工業(yè)鍋爐協(xié)同化煙氣凈化有望實(shí)現(xiàn)更加清潔的近零排放。

    6 結(jié) 語

    煤粉工業(yè)鍋爐技術(shù)系統(tǒng)自研發(fā)以來,經(jīng)歷了從煤粉生產(chǎn)、安定儲(chǔ)供、穩(wěn)定燃燒以及煙氣清潔排放等核心技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展,裝備向大型化、模塊化和系列化發(fā)展,以其高效清潔的特點(diǎn),取得了良好的應(yīng)用效果。未來隨著國家能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化,天然氣/煤粉鍋爐、低氮燃燒、生物質(zhì)復(fù)合半焦粉及協(xié)同化煙氣凈化等技術(shù)的開發(fā)與成熟,煤粉工業(yè)鍋爐技術(shù)將成為煤炭清潔燃燒利用主要技術(shù)之一。

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