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世界首台纯燃超低挥发分碳基燃料煤粉锅炉诞生记

  • 2019-12-30
  • 来源:中国煤炭报
近日,世界首台纯燃超低挥发分碳基燃料煤粉锅炉实现了长时间连续稳定运行,引发业内关注。

近日,世界首台纯燃超低挥发分碳基燃料煤粉锅炉实现了长时间连续稳定运行,引发业内关注。

这是中国科学院工程热物理研究所的研究成果。他们将纯燃超低挥发分碳基燃料预热燃烧技术应用于陕煤集团陕西煤业化工新型能源有限公司,并在其子公司咸阳新型热能公司的1号锅炉进行了工程试验,取得了成功。

12月18日,记者来到中国科学院工程热物理研究所,探访该锅炉关键技术的研发过程。

先预热,后燃烧

“我们之所以称之为‘世界首台’,是因为这台锅炉应用了预热燃烧技术,这项技术是我们自主研发的一项具有颠覆性的创新技术。”中国科学院工程热物理研究所的满承波博士告诉《中国煤炭报》记者。

该锅炉是国家重点研发计划“超低挥发分碳基燃料清洁燃烧关键技术”项目的成果之一。

在预热燃烧技术研发之初,研究团队的目标是实现无烟煤的高效清洁燃烧。无烟煤挥发分含量较低,难以点燃且燃烧特性较差。传统煤粉锅炉能够燃烧的煤粉挥发分含量一般在20%以上,而无烟煤的挥发分含量最高只有20%,应用传统的燃烧技术的燃烧效果不理想。

据介绍,20世纪90年代,作为一项燃料燃烧领域的新技术,高温空气燃烧技术由日本学者率先提出并研发成功。该技术首先将空气预热至800摄氏度到1000摄氏度,再与燃料混合进行燃烧,这样可以提高低挥发分燃料的着火、稳燃和燃尽特性。

研究团队首先从学习借鉴高温空气燃烧技术入手,希望找到解决无烟煤燃烧难题的方法。同时,研究团队边学习边思考:燃料和空气(氧气)是燃烧的两个必须要素,既然“预先”引入热量预热空气,可以降低燃料着火难度,那如果将燃料和空气一起预热,是不是可以更大程度地提高燃料着火、稳燃和燃尽性能?

在该思路引领下,研究团队研发了具有独创性、颠覆性的预热燃烧技术。

传统煤粉燃烧器是将煤粉和空气送入锅炉炉膛,通过热烟气卷吸和辐射吸收热量着火,再加以合理配风实现煤粉的燃烧。而预热式燃烧器是利用流态化预热技术,将燃料先送入流态化自预热燃烧器并预热到800摄氏度以上,再送入炉膛进行分级燃烧,从而实现高效低氮燃烧。800摄氏度以上的流态化预热,是实现低挥发分燃料稳定着火燃烧的制胜法宝。

“借鉴流态化和气化反应的原理,我们研发了通过重新设计煤粉工业锅炉的燃烧系统和烟风系统,实现超低挥发分燃料先预热、后燃烧的燃料空气双分级的创新技术。”满承波说。

研发过程中,研究团队又发现了更难啃的骨头:热解半焦和气化残炭。这两种燃料是煤炭分质利用的产物,具有难燃、残留热值高等特点,若能像煤一样加以利用,可大幅提高煤的梯级利用率。这两种燃料的挥发分很低,热解半焦挥发分含量最高不到10%,而气化残炭的仅在2%以下。基于对技术的深刻理解和判断,研发团队认为预热燃烧技术一样适用于这两种煤转化的副产品。

最终,研究团队发现,预热燃烧技术可实现无烟煤、热解半焦和气化残炭的稳定高效燃烧,并且燃烧产生的氮氧化物生成量相对较低。这正符合国家控制氮氧化物排放的要求。

2004年到现在,研究团队从基础研究开始,陆续开展了小试、中试研究,获得了一系列科研成果并形成了工程方案,最后在陕煤集团咸阳新型热能公司1号锅炉进行试验,并获得成功。

打破固有思维,探索研究新领域

1号锅炉原为一台额定蒸发量为每小时35吨的煤粉工业锅炉,于2013年建成投运。运行期间,锅炉负荷低,结焦严重,氮氧化合物原始排放值高。研究团队希望借助本次锅炉改造,开展燃用纯燃超低挥发分碳基燃料的高效低氮燃烧关键技术的工程试验,获得锅炉运行的关键参数,验证这项新技术集成方案的可行性。咸阳新型热能公司则希望能够利用这次机会,提升该锅炉负荷等综合性能。

虽然有了新的技术思路,但实践中依然面临很多难题。燃料上,对于研究了30年循环流化床燃煤技术的研究团队来说,打交道的虽然还是煤,但是从“黄豆”大小的煤粒变成了“面粉”式的煤粉,巨大的粒径差别带来了巨大的技术跨度。而且,预热燃烧技术并没有在传统煤粉燃烧锅炉应用过,这意味着锅炉要进行重新设计。经过改造后的锅炉,输粉背压发生了变化,会不会影响燃料输送?预热意味着更多热量提前进入锅炉,点火的时候,会不会出现“燃爆”?在改造过后的锅炉里,燃料的燃烧效果怎么才能达到预期指标?

经过前期实验室的研究和反复论证工艺方案,研究团队完成了工程设计,于今年4月开始进行1号锅炉的工程改造,将原传统煤粉燃烧器及燃烧系统更换为预热燃烧器及燃烧系统,并改进了锅炉给粉系统等相关部件。

“为什么说这是一项颠覆性的技术?因为我们没有经验可参考。我们以前研究燃烧,是以循环流化床技术为平台,虽然有很多经验,但有边界。现在我们要重新审视这台锅炉、燃料和燃烧效果。”满承波表示,他们要回答为什么,要打破固有思维,将擅长的循环流化床研究和煤粉锅炉研究“嫁接”起来,进入新的研究领域,探索有价值的研究方向。

实践证明,改造后的、应用了预热燃烧技术的1号锅炉不仅拓宽了燃料的使用范围,而且燃烧效果也符合预期。

9月7日,1号锅炉完成了改造后的72小时试运行,实现了纯燃半焦和纯燃煤粉工况的稳定、低氮、高效运行。与改造前相比,启炉压升更小,运行安全性更高,点火燃油量降低20%以上,氮氧化物原始排放值下降50%以上,燃烧效率提高到99%以上,锅炉可长期高负荷运行。

10月17日,研究团队开展了针对煤粉、半焦及半焦掺烧气化残炭的工业化验证试验,成功实现了锅炉的满负荷运行,燃料切换、负荷调整、风粉配比调整、预热燃烧器温度调整等多种工况、多种负荷水平的稳定运行。

第三方测试机构的测试结果表明,锅炉氮氧化合物原始排放值低于每立方米200毫克,最低可到每立方米116毫克。本次试验验证了预热燃烧技术在煤粉工业锅炉上表现出的燃烧效率高、氮氧化合物原始排放值低、燃烧稳定、负荷调节能力强等优点,还验证了研究团队研发的多项核心关键技术,为超低挥发分碳基燃料预热燃烧技术的产业化应用奠定了基础。

咸阳新型热能公司科研及品牌建设部的庞青涛博士算了一笔账:“初步核算,按照35吨锅炉年运行7200小时计算,刨去提升负荷、减少燃油、脱硝等成本,每年节省成本接近400万元。”

“我们现有煤粉锅炉31台,如果全部按1号锅炉改造,每年将节约成本接近5000万元。”咸阳新型热能公司党委书记、董事长方刚说。

“从工程示范效果来看,我们用挥发分这么低的燃料,证明了技术能达到的水平:不仅能烧,而且能实现各种负荷、各种参数的稳定燃烧;不仅能够满足工业应用的需求,还能够完全满足当前环保的严格要求。可以说,我们的技术展现了巨大的发展潜力和优势。”满承波表示,希望通过持续的技术研发为煤炭正名,证明煤炭是可以进行清洁燃烧的,可以甩掉“大气污染罪魁祸首”的帽子,煤炭也可以成为清洁燃料。

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