固体燃料燃烧技术研究现状及发展趋势

1、固体燃料燃烧技术研究现状及发展趋势摘要 ：固体燃料主要是指煤及生物质燃料。 我国是一个煤资源丰富的大国， 工业用能主要以煤为主。 之前煤的燃烧低效高污染， 随着环境污染问题日益严重，如雾霾以及温室效应。这些问题促使人们重新研究煤及生物质原料的燃烧过程， 改进其燃烧技术， 发展新的燃烧设备， 以适应节能减排的国家战略。 本文就是在 这一背景下提出的， 分析了国内外固体燃料燃烧技术研究现状， 并大胆预测了固 体燃料燃烧技术的发展趋势。0. 引言20 世纪后几十年 , 虽然众多学者在高效低污染燃烧技术方面开展了大量研 究 , 提出了很多新型燃烧方式和燃烧理念 , 但现有燃烧系统仍难以同时满足高 效与

2、低污染的要求 . 例如 , 旋流燃烧器 1 和富氧燃烧器的应用虽然提高了火焰虽降低了火焰温度 , 却极易引起燃烧不稳定性温度、燃烧强度与火焰稳定性，却造成了大量污染物排放(如NOX);又如，火焰 冷却技术 2(flame cooling),问题, 导致燃料的不完全燃烧 , 因而产生大量的 CO; 再如分级燃烧 , 通过分别 营造富燃与富氧两个燃烧区域降低 NOx 排放, 却也降低了燃烧强度并因此在某些 条件下降低了燃烧效率 ; 而流化床燃烧技术 3, 虽具有适应各种固体劣质燃料 及NOX排放少的优点，但也无法克服燃烧温度过低而导致燃烧效率不高的问题1.1 固体燃料燃烧过程煤碳的燃烧过程： 煤从

3、进入炉膛到燃烧完毕，一般经历四个阶段：水分蒸 发，当温度达到105C左右时，水分全部被蒸发；挥发物着火阶段，煤不断吸收 热量后，温度继续上升，挥发物随之析出，当温度达到着火点时，挥发物开始燃 烧。挥发物燃烧速度快，一般只为煤整个燃烧时间的 1/10左右；焦碳燃烧阶段， 煤中的挥发物着火燃烧后， 余下的碳和灰组成的固体物便是焦碳。 此时焦碳温度 上升很快， 固定碳剧烈燃烧， 放出大量的热量。 煤的燃烧速度和燃烬程度主要取 决于这个阶段； 燃烬阶段， 这个阶段使灰渣中的焦碳尽量烧完， 以降低锅炉热损 失，提高效率。1.2 良好燃烧的条件良好燃烧必须具备三个条件： 1、温度。温度越高，化学反应速度快

4、，燃烧就愈快。层燃炉温度通常在11001300C。2、空气。空气冲刷碳表面的速度愈 快，碳和氧接触越好，燃烧就愈快。 3、时间。要使煤在炉膛内有足够的燃烧时 间。 碳燃烧时在其周围包上一层灰壳，碳燃烧形成的一氧化碳和二氧化碳往往 透过灰壳向外四周扩散运动，其中一氧化碳遇到氧后又继续燃烧形成二氧化碳。也即，碳粒燃烧时， 灰壳外包围着一氧化碳和二氧化碳两层气体， 空气中的氧必 须穿过外壳才能与碳接触。因此，加大送风，增加空气冲刷碳粒的速度，就容易 把外包层的气体带走； 同时加强机械拨动， 就可破坏灰壳， 促使氧气与碳直接接 触，加快燃烧速度。如果氧气不充足，搅动不够，煤就烧不透，造成灰渣中有许 多

5、未参与燃烧的碳核， 另外还会使一部分一氧化碳在炉膛中没有燃烧就随烟气排 出。 对于大块煤，必须有较长的燃烧时间， 停留时间过短， 燃烧不完全。因此， 实际运行中， 一般采取供给充足的氧气， 采用炉拱和二次风来加强扰动， 提高燃 烧温度，炉膛不宜过小等措施保证煤充分燃烧。2.1 固体燃料的燃烧方法与设备 特点空气Siiia定床榕WK而进荷燒应.对at质与堤度均-定烟:2O3GmniftM*igS 一桂来说.常饶8度受丟彳追連制战比较飪.但3a定性床昆厚度100- lom m. -为煤炊尺寸的涪*基+羌还反止产2 部过库层.二 _生 床爲20A石分无人，典层上論 床跳中fiafeajfc ttAc

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7、 染。固体燃料储量丰富，研究固体燃料的化学链燃烧将有利于实现固体燃料的高 效、经济。清洁利用，具有广阔的应用前景。化学链燃烧（CLC）是一种洁净、高效的新型燃烧技术，与传统燃烧相比,最大的优点是实现了 C02与其它废气的分离，避免了分离C02寸所需的昂贵设备和 系统效率的损失【3. 4| 0 CLC系统包括2个流化床反应器：空气反应器（氧化反应 器）和燃料反应器（还原反应器），见图1o它的基本原理MPnCOs+HjO=C03HaO空气燃料图1化学链燃烧原理示意图是将燃料与空气直接接触的传统燃烧借助于载氧体(oxygen carder)的作用分解为2个气.固反应：一方面利用载氧体分离空气中的氧；

8、另一方面载氧体将 分离的空气中的氧传递给燃料，进行燃料的无火焰燃烧。基于两步化学反应，能 够实现能量的梯级利用，所以具有更高的能源利用率 【5J 0由于化学链燃烧中燃 料与空气不直接接触，所以不产生燃料型 NQ。而且无火焰的气.固反应温度远 远低于常规的燃烧温度，因而可控制热力型 NO的生成。因此，这种新颖的燃烧 方式可以根除NQ的生成，具有很好的经济和环保效益。222 MILD 燃烧MILD燃烧是低氧稀释条件下的一种温和燃烧模式2,46.在炉内实现该 燃烧(特别烧燃气和轻油)时,整个炉膛透亮，无局部高温火焰存在6,故又称 之为“无焰燃烧” (Flameless Combustion)或“无焰

9、氧化”(FlamelessOxidation, FLQX)2.由于实现该燃烧目前还需将燃烧空气高 温预热到1000 C以上，因此亦常被定义为“高温空气燃烧”MILD燃烧是一种容积燃烧或弥散燃烧，其特征是反应速率低、局部释热少、 热流分布均匀、燃烧峰值温度低且噪音极小.该燃烧与传统小区域局部高温燃烧 相比，反应在大区域、甚至整个炉膛内进行，火焰锋面消失；NQx和CQ等污染物 的生成显著减少；炉膛整体温度提高、辐射传热增强6.该燃烧自20世纪90年代问世后 , 迅速在德国、意大利、日本、美国、瑞典和中国等国家的钢铁和冶金 行业得到应用.大量的工业应用证明,蓄热式MILD（即熟知的日本HiTAC和德

10、国FLOX）然烧系统的使用可提高热利用效率（故降低CO2排放）30%以上,同时减少NOx 排放超过70%6. 另外, MILD 燃烧对使用低热值 （劣质）燃料也有明显的优势 . 由于集节能、减排、环保于一身 , 该燃烧技术被国际 燃烧界誉为 21 世纪最具发展前途的新型燃烧技术之一 47.2.2.3 脉动然烧简单地说脉动燃烧是指声振条件下发生的一种周期性的燃烧过程。 在燃烧区 内, 表征这个过程的状态参数 , 如温度、压力、气流速度及热释放率等稳态变量都 随时间周期性波动 6脉动然烧最根本的特点是然烧器中的气流脉动强化了然烧器及尾管中颗粒 与颗粒之间、颗粒与气流之间的质量、动量和能量传递 7具

11、体表现为 :（1） 然烧强度高、效率高由于气流的脉动强化了燃烧器中气流与颗粒之间的混合 , 加快了化学反应速 度,然烧充分,使得脉动然烧器具有很高的然烧强度 ,此外脉动然烧所需要的过量 空气量也很小（a =1.021.05）,故其排烟热损失也很小,具有非常高的燃烧效率 （95%以上）。（2） 传热效率高脉动燃烧室中的声共振引起了较大的流体振动 ,附加在这些 振动上的是湍流速度振动 ,湍流的作用增强了传热。同时由于气流的脉动削弱了 管壁边界层的阻力作用,使热量传递加快。Galitseyskiy和Ryzhov8报道了高频 湍动气流中高达5咅的传热率,Hanby观察到了相对稳态流动增加240%勺传热

12、率 9（3） 排烟污染小充分燃烧使得排气中的C、H2、CC及碳氢化合物的含量都降低,且由于脉动燃 烧的温度一般较低,使得NOX勺排放更低,与常规锅炉58138X 10-6的NO排放量 相比, 脉动燃烧器的排放量可减小到 34 36X 10-610, 有利于环保。（4） 结构紧凑、节省固定投资脉动燃烧技术优良的传热、传质特性使得在一定的发热量前提下 , 燃烧室的体积和换热面积都可相应地减小。2.3 固体燃料燃烧技术发展趋势为了减少燃煤污染物排放和提高效率， 目前发展迅猛的洁净煤技术有超临界 压力锅炉加烟气脱硫技术（PC. FCD）循环流化床锅炉技术（CFBC）和增压流化床 锅炉联合循环技术（PFBc）、整体式煤气化联合循环发电技术（IGCC）。化石燃料的高效清洁利用、 环境友好的多联产资源化利用、 零排放燃煤发电 技术、3. 结论我国是世界上最大的煤炭生产和消费国， 煤炭的利用效率不高以及燃烧造成 的环境污染， 一直是制约我国可持续发展的最重要的因素