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        陜西炎龍機(jī)電成套設(shè)備有限公司

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        燃燒機(jī)鍋爐怎樣提高熱值?

        所屬分類:行業(yè)新聞    發(fā)布時(shí)間: 2020-07-08    作者:admin
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        所謂的低熱值燃?xì)?,是指煤或焦炭等固體燃料氣化所得熱值較低的氣體燃料。在當(dāng)前節(jié)能降耗的大社會(huì)背景下,低熱值燃?xì)獾膽?yīng)用將會(huì)具有著極佳的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)意義,因此,我們需要對(duì)低熱值燃?xì)獾娜紵夹g(shù)進(jìn)行有效的分析,從而為推廣其的應(yīng)用帶來(lái)極大的幫助。

        1 低熱值燃?xì)馊紵匦?

        低熱值氣體燃料并沒(méi)有明確的概念,通常根據(jù)氣體燃料自身發(fā)熱量可將氣體燃料分為高熱值燃料(Q>15.07MJ/m3)、中熱值燃料(6.28MJ/m3<Q<15.07MJ/m3)及低熱值燃料(Q<6.28MJ/m3),工業(yè)中常見(jiàn)的低熱值氣體燃料主要有化工過(guò)程低熱值尾氣、高爐煤氣、石油化工行業(yè)冶煉尾氣、煤礦低濃度瓦斯氣等。其中,高爐煤氣、煤層氣等熱值介于3.0~6.28MJ/m3的低熱值燃料的研究應(yīng)用已逐步展開,但在工業(yè)生產(chǎn)中還存在一些工業(yè)廢氣,含有少量的可燃成分,熱值非常低,甚至遠(yuǎn)低于3.0MJ/m3,這種超低熱值燃?xì)夥N類很多,比如某些煤層氣、生物質(zhì)氣化氣、垃圾掩埋坑氣、炭黑尾氣、一些工藝廢氣等。超低熱值燃?xì)獗鹊蜔嶂等細(xì)恻c(diǎn)火、穩(wěn)燃更困難,能量密度低,長(zhǎng)距離輸送不經(jīng)濟(jì),在當(dāng)?shù)貨](méi)有合適的熱用戶時(shí)只能直接放散,既浪費(fèi)能源又污染環(huán)境。

        低熱值燃?xì)馊紵?/a>特性主要包括以下幾個(gè)方面:

        (1)燃?xì)庵锌扇汲煞稚?,熱值低,著火溫度高,火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷?,難以點(diǎn)火及穩(wěn)定燃燒;

        (2)燃?xì)鈮毫Φ颓也▌?dòng)范圍大,壓力過(guò)低、速度過(guò)慢時(shí)容易回火;

        (3)低熱值燃?xì)舛酁榛どa(chǎn)線的尾氣,需對(duì)多條生產(chǎn)線進(jìn)行匯總綜合利用,燃?xì)獾牧髁孔兓螅?

        (4)化工工藝過(guò)程的操作對(duì)尾氣的成分及熱值影響較大,尾氣的燃燒工藝如配風(fēng)系數(shù)需及時(shí)匹配調(diào)整,否則容易熄火。

        2 低熱值燃?xì)獾姆€(wěn)燃技術(shù)

        根據(jù)燃燒理論,為**低熱值燃?xì)獾姆€(wěn)定燃燒,主要的穩(wěn)燃措施包括優(yōu)化著火條件、提高火焰溫度以及優(yōu)化燃燒場(chǎng)分布等。

        (1)優(yōu)化著火條件

        低熱值氣體燃料的著火極限高,著火比較困難,燃燒溫度也較低。為此,需要提高燃?xì)鉄嶂?,降低燃料著火下限。如摻燒高熱值燃料,提高混合燃?xì)獾臒嶂?,降低著火溫度;燃料和空氣預(yù)熱提高初始溫度。

        (2)提高火焰溫度

        燃燒溫度的提髙可強(qiáng)化爐內(nèi)輻射換熱并改善爐內(nèi)的燃燒狀況。而實(shí)際火焰溫度與裝置類型、燃燒效率、燃料種類、空氣/燃?xì)忸A(yù)熱溫度等有關(guān)。如:強(qiáng)化燃料和空氣的混合,降低不完全燃燒損失;合理設(shè)計(jì)爐膛結(jié)構(gòu),進(jìn)行絕熱燃燒,減少系統(tǒng)散熱量;降低空氣過(guò)剩系數(shù)或采用純氧/富氧燃燒。

        (3)優(yōu)化燃燒場(chǎng)分布

        燃燒場(chǎng)的分布包括燃?xì)?、空間以及煙氣在燃燒空間的分布,燃燒場(chǎng)特別是溫度場(chǎng)的優(yōu)化分布來(lái)源于高溫?zé)煔鈱?duì)新鮮燃?xì)?、空氣的加熱,進(jìn)而促進(jìn)空氣與煙氣短時(shí)間內(nèi)升溫至著火溫度。如旋流燃燒中心回流區(qū)強(qiáng)化燃燒,提高火焰溫度;鈍體穩(wěn)定燃燒技術(shù)。

        2.1 摻燒高熱值氣體燃料

        摻燒高熱值氣體燃料分為兩種類型:

        (1)采用高熱值輔助燃料,作為長(zhǎng)明燈使用,形成穩(wěn)定的高溫?zé)嵩?,引燃主流燃?xì)夂涂諝饣旌衔铮?

        (1)全混型摻混燃燒,以均勻混合的高低熱值燃?xì)鉃槿剂希扇嘉锖吭黾?,降低著火溫度,提高燃燒溫度,改善了燃燒條件。該方法在低熱值燃?xì)夥€(wěn)定燃燒中較為常用。需要注意的是,因高熱值燃料成本較高,在**低熱值氣體燃料穩(wěn)定燃燒的前提下,髙熱氣體燃料的摻燒比例越小,則經(jīng)濟(jì)性越好。文午祺、陳福龍等基于回流區(qū)分級(jí)著火原理,針對(duì)鈍體或旋轉(zhuǎn)氣流等形成的燃燒器噴口附近的高溫低速回流區(qū),噴入小股高熱值燃料使其先行著火,然后點(diǎn)燃熱值僅為1250kJ/kg左右的超低熱值氣體主流,從而使火焰穩(wěn)定,燃燒強(qiáng)度提高。高低熱值燃料供熱比21:79,平均熱值1584kJ/kg。

        2.2 富氧燃燒/純氧燃燒

        燃燒反應(yīng)是燃料中可燃物與氧氣發(fā)生的氧化放熱反應(yīng),富氧燃燒/純氧燃燒就是指以氧含量大于21%甚至達(dá)到....的氧化劑與低熱值氣體燃料進(jìn)行混合燃燒。在理論需氧量不變的前提下,氧含量的提高減少燃燒煙氣量,爐內(nèi)火焰溫度大幅度提高,不具備輻射能力的氮?dú)馑急壤郎p少,有利于提高煙氣黑度,增強(qiáng)有利于爐膛內(nèi)部輻射傳熱。但富氧燃燒因需要配備空氣分離裝置,故釆用富氧燃燒方法時(shí),摻燒的空氣中的氧濃度不宜太高,否則會(huì)影響系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性,這也需要在低熱值氣體燃料回收的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定燃燒所需的.低氧濃度之間找到一個(gè).佳平衡點(diǎn),一般富氧濃度在26%~31%時(shí)為.佳。

        2.3 高溫空氣預(yù)熱燃燒

        高溫空氣預(yù)熱技術(shù)是充分利用加熱爐的排煙余熱將助燃空氣加熱到1000℃,甚至更高,使加熱爐排煙溫度降低到200℃,預(yù)熱的高溫空氣可以增大燃燒速率、穩(wěn)定低熱值燃料燃燒。該技術(shù)不僅能提高燃燒速率,還能回收尾排煙氣余熱,提高熱效率。朱彤、張健等對(duì)低熱值煤氣的高溫空氣燃燒過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬,當(dāng)燃?xì)夂椭伎諝忸A(yù)熱溫度由600℃增加到1000℃,爐內(nèi).高溫度和平均溫度分別上升267℃和268℃,有利于低熱值燃?xì)夥€(wěn)定燃燒。趙巖采用空-煤氣雙預(yù)熱技術(shù)將空氣預(yù)熱到600℃以上,煤氣預(yù)熱到450℃以上,預(yù)熱后的低熱值煤氣可直接用于加熱爐燃燒,實(shí)現(xiàn)了低熱值煤氣的直接利用和廢氣余熱回收。高溫空氣預(yù)熱通常與蓄熱燃燒相結(jié)合,空氣通過(guò)換向閥進(jìn)入高溫蓄熱體,熱能釋放給助燃空氣,溫度提高到接近爐膛溫度,由于空氣溫度在燃?xì)獾闹瘘c(diǎn)以上,可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒。

        2.4 旋流燃燒

        旋流燃燒是利用氣流旋轉(zhuǎn)強(qiáng)化低熱值煤氣燃燒和組織火焰的燃燒技術(shù),能夠有效提高燃燒的強(qiáng)度和火焰的穩(wěn)定性。旋轉(zhuǎn)射流除了具有直流射流存在的軸向分速度和徑向分速度外,還有一個(gè)切向分速度,而且其徑向分速度在噴嘴出口附近比直流射流的徑向分速度大得多,在強(qiáng)旋轉(zhuǎn)氣流作用下,旋轉(zhuǎn)射流的內(nèi)部建立了一個(gè)回流區(qū),不但從射流外側(cè)卷吸周圍介質(zhì),而且還從內(nèi)回流區(qū)中卷吸介質(zhì),在燃燒過(guò)程中,從內(nèi)外回流區(qū)卷吸的高溫?zé)煔鈱?duì)著火的穩(wěn)定性起著十分重要的作用。郭濤通過(guò)對(duì)高爐煤氣燃燒火焰的傳播速度、回火、脫火以及旋轉(zhuǎn)射流的研究,研制了高爐煤氣雙旋流燃燒器,實(shí)現(xiàn)了高爐煤氣的穩(wěn)定燃燒。

        陳寶明等利用旋流加強(qiáng)空氣與低熱值燃?xì)獾幕旌希Y(jié)合蓄熱穩(wěn)燃技術(shù),成功研制了低熱值燃?xì)馊紵?,可?shí)現(xiàn)高爐煤氣、工業(yè)尾氣、炭黑尾氣等種類的燃?xì)庠诓慌溟L(zhǎng)明火的情況下穩(wěn)定高效燃燒。

        2.5 鈍體穩(wěn)燃

        鈍體穩(wěn)燃機(jī)理是利用煙氣在鈍體后形成的高溫低速回流區(qū)作為穩(wěn)定的點(diǎn)火源。當(dāng)空氣燃?xì)饫@過(guò)鈍體時(shí),鈍體后形成一個(gè)穩(wěn)定的回流區(qū),在回流區(qū)內(nèi)充滿回流的高溫?zé)煔猓够亓鲄^(qū)成為內(nèi)部蓄熱體,在回流區(qū)外側(cè)與主流之間的區(qū)域,是新鮮燃?xì)饪諝饣旌衔锖蜔峄亓鳠煔獾耐牧骰旌蠀^(qū),邊界上存在較大的徑向速度梯度,可燃混合物與高溫?zé)煔庵g發(fā)生強(qiáng)烈的質(zhì)量、動(dòng)量及能量交換,可燃混合物就不斷被加熱而升溫,并達(dá)到著火溫度開始著火。

        3 低熱值燃?xì)獾?a class=" wrap external" target="_blank" rel="nofollow noreferrer" data-za-detail-view-id="1043">低氮燃燒器技術(shù)

        NOx是NO、NO2和N2O等多種氮氧化物的統(tǒng)稱,燃燒產(chǎn)生的NOx以NO為主。NOx的生成有燃料型(fuel-NOx)、熱力型(thermal-NOx)、快速型(prompt-NOx)、N2O-中間體型和NNH型5種機(jī)理。通常認(rèn)為,燃料氣和燃料油往往不含或含有少量的燃料氮,其燃燒過(guò)程產(chǎn)生的NOx以熱力型為主,但由于低熱值尾氣來(lái)源于不同的化工生產(chǎn)過(guò)程,如炭黑生產(chǎn),其生產(chǎn)過(guò)程除生成NOx外,還有HCN、NH3等氮氧化物前驅(qū)體的生成,這些前驅(qū)體在尾氣處理燃燒過(guò)程中則可能發(fā)生如下式(1-4)所示的反應(yīng),既有可能被氧化生成NOx,也有可能成為脫氮的還原劑。當(dāng)溫度超過(guò)1000℃,反應(yīng)(1)(2)加劇,因此此類燃料型NOx同樣需要控制燃燒溫度,否則將進(jìn)一步增加煙氣中的NOx含量。

        4NH3+5O2→4NO+6H2O (1)

        4HCN+7O2→4NO+2H2O+4CO2 (2)

        4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O (3)

        4HCN+4NO+3O2→4N2+2H2O+4CO2 (4)

        3.1 低過(guò)量空氣燃燒

        低過(guò)量空氣燃燒是燃燒過(guò)程盡可能在接近理論空氣量的條件下進(jìn)行,隨著煙氣中過(guò)量氧的減少,可以抑制煙氣中氮氧化物前驅(qū)體與O2的反應(yīng),這是一種.簡(jiǎn)單的降低NOx排放的方法,可降低NOx排放15%~20%。但同時(shí),如果爐內(nèi)氧含量過(guò)低,如低于3%,則有可能導(dǎo)致燃?xì)獾牟煌耆紵隹跓煔庵蠧O含量或其他可燃物含量增加,降低燃燒效率。

        3.2 空氣分級(jí)燃燒

        空氣分級(jí)燃燒技術(shù)是將助燃空氣分級(jí)送入燃燒裝置的技術(shù),通常在..級(jí)燃燒區(qū),將助燃空氣量減少到總?cè)紵諝饬康?0%~75%(相當(dāng)于理論空氣量的80%),使燃料先在缺氧的富燃料燃燒條件下燃燒,過(guò)量空氣系數(shù)α<1,在降低了燃燒區(qū)內(nèi)的燃燒速度和溫度水平的同時(shí),在燃燒區(qū)域形成還原氣氛,抑制了NOx在..級(jí)燃燒區(qū)的生成量。為了完成燃?xì)馊紵^(guò)程,將完全燃燒所需的其余空氣送入第二級(jí)燃燒區(qū),與..級(jí)“貧氧燃燒”產(chǎn)生的煙氣混合,此階段空氣系數(shù)α>1,**了燃?xì)獾娜紶a度,同時(shí),由于..階段產(chǎn)生的煙氣對(duì)空氣的稀釋,局部氧含量降低,有利于降低反應(yīng)(1)(2)的反應(yīng)速率。由于整個(gè)燃燒過(guò)程所需空氣是分兩級(jí)或多級(jí)送入燃燒區(qū)域,故稱為空氣分級(jí)燃燒法。才雷等將空氣分級(jí)燃燒技術(shù)作為降低鍋爐NOx排放的主要燃燒控制手段,通過(guò)對(duì)一次風(fēng)二次風(fēng)的給入控制,將煙氣出口NOx含量由1164.92mg/m3降低至704.7mg/m3。

        3.3 燃料分級(jí)技術(shù)

        燃料分級(jí)燃燒技術(shù)又稱為三級(jí)燃燒技術(shù)或再燃燒技術(shù),空氣和燃料都分級(jí)送入爐膛,形成初始燃燒區(qū)、再燃區(qū)和燃盡區(qū)。其原理是利用燃燒中已生成的NO遇到烴根CHi和未完全燃燒產(chǎn)物CO、H2、C和CnHm時(shí),會(huì)發(fā)生NOx的還原反應(yīng),進(jìn)而降低NOx的排放。將80%~85%的燃料送入..級(jí)燃燒區(qū),在α>1條件下,燃燒并生成NOx;其余15%~20%的燃料送入二級(jí)燃燒區(qū),在α<1的條件下形成很強(qiáng)的還原性氣氛,使得在一級(jí)燃燒區(qū)中生成的NOx在二級(jí)燃燒區(qū)內(nèi)被還原成氮?dú)?,二?jí)燃燒區(qū)又稱再燃區(qū),在再燃區(qū)中不僅使得已生成的NOx得到還原,還抑制了新的NOx的生成;由于可能存在未燃燼的燃料,需在第三級(jí)燃燒區(qū)送入空氣,**再燃區(qū)中生成的未完全燃燒產(chǎn)物的燃盡。美國(guó)John Zink公司利用燃料分級(jí)燃燒原理開發(fā)了適用于管式加熱爐的遠(yuǎn)距離分級(jí)式爐子工業(yè)燃燒器結(jié)構(gòu)及方法的..技術(shù),與未采用該技術(shù)的加熱爐相比,可減少28%左右的NOx排放。

        3.4 煙氣再循環(huán)

        煙氣再循環(huán)時(shí)將一部分低溫?zé)煔庵苯铀腿肴紵齾^(qū)域,或與一次風(fēng)或二次風(fēng)混合后送入燃燒區(qū)域,不僅降低燃燒溫度,同時(shí)也降低了氧氣濃度,進(jìn)而降低了NOx的排放濃度。美國(guó)卡博特公司在炭黑尾氣余熱鍋爐系統(tǒng)中采用了煙氣再循環(huán)技術(shù)對(duì)尾排煙氣進(jìn)行了有效控制,當(dāng)循環(huán)煙氣量由占總給入氣體量的0%、6%增大到39%時(shí),煙氣NOx含量由522mg/m3降低為376mg/m3及246mg/m3。顯然,再循環(huán)煙氣進(jìn)入燃燒區(qū)域后需要吸收熱量,重新升溫至燃燒溫度,過(guò)量的再循環(huán)煙氣將導(dǎo)致較低的燃燒溫度,必然引起不燃燒或燃燒不完全的現(xiàn)象,進(jìn)一步將導(dǎo)致燃料無(wú)法穩(wěn)定燃燒,通常煙氣再循環(huán)率控制在30%以內(nèi),以確保燃?xì)獾姆€(wěn)定燃燒。

        3.5 低NOx燃燒器

        燃燒器的性能對(duì)低熱值燃?xì)馊紵O(shè)備的可靠性和經(jīng)濟(jì)性起著主要作用。從NOx的生成機(jī)理出發(fā),通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的燃燒器結(jié)構(gòu)以及通過(guò)改變工業(yè)燃燒器的風(fēng)煤比例,可以將前述的空氣分級(jí)、燃料分級(jí)和煙氣再循環(huán)降低NOx濃度的低氮燃燒技術(shù)用于燃燒器,以盡可能地降低著火氧的濃度、適當(dāng)降低著火區(qū)的溫度達(dá)到.大限度地抑制NOx生成的目的,這是目前低NOx燃燒器的主要設(shè)計(jì)理念。李陽(yáng)扶等通過(guò)特殊的燃?xì)馊紵鹘Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),將燃料與空氣分級(jí)分段給入、燃料與助燃空氣以亞化學(xué)當(dāng)量比率給入、抽取鍋爐尾部煙氣經(jīng)混合裝置與空氣混合后進(jìn)入燒嘴,將強(qiáng)化燃?xì)馀c助燃空氣的混合、分級(jí)分段燃燒、煙氣循環(huán)等技術(shù)進(jìn)行集成,大大降低了NOx的生成。低NOx燃燒器中還有一種比較常用的燃燒技術(shù)為低NOx旋流燃燒技術(shù),如2.4節(jié)所述。旋流燃燒技術(shù)強(qiáng)化反應(yīng)物混合與穩(wěn)定燃燒方面研究者們已形成了共識(shí),旋流燃燒能夠形成燃燒產(chǎn)物的中心回流區(qū),回流區(qū)內(nèi)高溫低速的燃燒產(chǎn)物和中間體對(duì)未反應(yīng)的空氣和燃料進(jìn)行預(yù)熱、稀釋,能夠有效地強(qiáng)化低熱值合成氣燃燒,在高速射流下形成穩(wěn)定的火焰。與此同時(shí),煙氣循環(huán)使得爐內(nèi)溫度分布更加均勻,稀釋燃燒反應(yīng)物,降低.高燃燒溫度、縮小高溫區(qū),降低氧含量,有可能抑制NOx的形成,但不同研究者對(duì)旋流燃燒降低氮氧化物排放的研究結(jié)果卻存在較大差異。Coghe等分別采用了不同的燃燒器或旋流方式研究旋流數(shù)對(duì)NOx生產(chǎn)量的影響,結(jié)果表明隨著旋流數(shù)的提高,NOx排放量可降低25%~30%。而Zhou等的研究結(jié)果表明,隨著旋流數(shù)的提高,NOx排放量先增高后減小,且仍高于無(wú)旋流時(shí)的排放量。