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| 世界首臺(tái)純?nèi)汲蛽]發(fā)分碳基燃料煤粉鍋爐誕生 |
| 來(lái)源：中國(guó)煤炭報(bào) 作者：王世雅 孫楓凱 時(shí)間：2019/12/30 |
近日，世界首臺(tái)純?nèi)汲蛽]發(fā)分碳基燃料煤粉鍋爐實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，引發(fā)業(yè)內(nèi)關(guān)注。
這是中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所的研究成果。他們將純?nèi)汲蛽]發(fā)分碳基燃料預(yù)熱燃燒技術(shù)應(yīng)用于陜煤集團(tuán)陜西煤業(yè)化工新型能源有限公司，并在其子公司咸陽(yáng)新型熱能公司的1號(hào)鍋爐進(jìn)行了工程試驗(yàn)，取得了成功。
12月18日，記者來(lái)到中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所，探訪該鍋爐關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)過(guò)程。
先預(yù)熱，后燃燒
“我們之所以稱之為‘世界首臺(tái)’，是因?yàn)檫@臺(tái)鍋爐應(yīng)用了預(yù)熱燃燒技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)是我們自主研發(fā)的一項(xiàng)具有顛覆性的創(chuàng)新技術(shù)�！敝袊�(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所的滿承波博士告訴《中國(guó)煤炭報(bào)》記者。
該鍋爐是國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“超低揮發(fā)分碳基燃料清潔燃燒關(guān)鍵技術(shù)”項(xiàng)目的成果之一。
在預(yù)熱燃燒技術(shù)研發(fā)之初，研究團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)無(wú)煙煤的高效清潔燃燒。無(wú)煙煤揮發(fā)分含量較低，難以點(diǎn)燃且燃燒特性較差。傳統(tǒng)煤粉鍋爐能夠燃燒的煤粉揮發(fā)分含量一般在20%以上，而無(wú)煙煤的揮發(fā)分含量最高只有20%，應(yīng)用傳統(tǒng)的燃燒技術(shù)的燃燒效果不理想。
據(jù)介紹，20世紀(jì)90年代，作為一項(xiàng)燃料燃燒領(lǐng)域的新技術(shù)，高溫空氣燃燒技術(shù)由日本學(xué)者率先提出并研發(fā)成功。該技術(shù)首先將空氣預(yù)熱至800攝氏度到1000攝氏度，再與燃料混合進(jìn)行燃燒，這樣可以提高低揮發(fā)分燃料的著火、穩(wěn)燃和燃盡特性。
研究團(tuán)隊(duì)首先從學(xué)習(xí)借鑒高溫空氣燃燒技術(shù)入手，希望找到解決無(wú)煙煤燃燒難題的方法。同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)邊學(xué)習(xí)邊思考：燃料和空氣(氧氣)是燃燒的兩個(gè)必須要素，既然“預(yù)先”引入熱量預(yù)熱空氣，可以降低燃料著火難度，那如果將燃料和空氣一起預(yù)熱，是不是可以更大程度地提高燃料著火、穩(wěn)燃和燃盡性能?
在該思路引領(lǐng)下，研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了具有獨(dú)創(chuàng)性、顛覆性的預(yù)熱燃燒技術(shù)。
傳統(tǒng)煤粉燃燒器是將煤粉和空氣送入鍋爐爐膛，通過(guò)熱煙氣卷吸和輻射吸收熱量著火，再加以合理配風(fēng)實(shí)現(xiàn)煤粉的燃燒。而預(yù)熱式燃燒器是利用流態(tài)化預(yù)熱技術(shù)，將燃料先送入流態(tài)化自預(yù)熱燃燒器并預(yù)熱到800攝氏度以上，再送入爐膛進(jìn)行分級(jí)燃燒，從而實(shí)現(xiàn)高效低氮燃燒。800攝氏度以上的流態(tài)化預(yù)熱，是實(shí)現(xiàn)低揮發(fā)分燃料穩(wěn)定著火燃燒的制勝法寶。
“借鑒流態(tài)化和氣化反應(yīng)的原理，我們研發(fā)了通過(guò)重新設(shè)計(jì)煤粉工業(yè)鍋爐的燃燒系統(tǒng)和煙風(fēng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)超低揮發(fā)分燃料先預(yù)熱、后燃燒的燃料空氣雙分級(jí)的創(chuàng)新技術(shù)�！睗M承波說(shuō)。
研發(fā)過(guò)程中，研究團(tuán)隊(duì)又發(fā)現(xiàn)了更難啃的骨頭：熱解半焦和氣化殘?zhí)�。這兩種燃料是煤炭分質(zhì)利用的產(chǎn)物，具有難燃、殘留熱值高等特點(diǎn)，若能像煤一樣加以利用，可大幅提高煤的梯級(jí)利用率。這兩種燃料的揮發(fā)分很低，熱解半焦揮發(fā)分含量最高不到10%，而氣化殘?zhí)康膬H在2%以下�；趯�(duì)技術(shù)的深刻理解和判斷，研發(fā)團(tuán)隊(duì)認(rèn)為預(yù)熱燃燒技術(shù)一樣適用于這兩種煤轉(zhuǎn)化的副產(chǎn)品。
最終，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，預(yù)熱燃燒技術(shù)可實(shí)現(xiàn)無(wú)煙煤、熱解半焦和氣化殘?zhí)康姆�(wěn)定高效燃燒，并且燃燒產(chǎn)生的氮氧化物生成量相對(duì)較低。這正符合國(guó)家控制氮氧化物排放的要求。
2004年到現(xiàn)在，研究團(tuán)隊(duì)從基礎(chǔ)研究開(kāi)始，陸續(xù)開(kāi)展了小試、中試研究，獲得了一系列科研成果并形成了工程方案，最后在陜煤集團(tuán)咸陽(yáng)新型熱能公司1號(hào)鍋爐進(jìn)行試驗(yàn)，并獲得成功。
打破固有思維，探索研究新領(lǐng)域
1號(hào)鍋爐原為一臺(tái)額定蒸發(fā)量為每小時(shí)35噸的煤粉工業(yè)鍋爐，于2013年建成投運(yùn)。運(yùn)行期間，鍋爐負(fù)荷低，結(jié)焦嚴(yán)重，氮氧化合物原始排放值高。研究團(tuán)隊(duì)希望借助本次鍋爐改造，開(kāi)展燃用純?nèi)汲蛽]發(fā)分碳基燃料的高效低氮燃燒關(guān)鍵技術(shù)的工程試驗(yàn)，獲得鍋爐運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)，驗(yàn)證這項(xiàng)新技術(shù)集成方案的可行性。咸陽(yáng)新型熱能公司則希望能夠利用這次機(jī)會(huì)，提升該鍋爐負(fù)荷等綜合性能。
雖然有了新的技術(shù)思路，但實(shí)踐中依然面臨很多難題。燃料上，對(duì)于研究了30年循環(huán)流化床燃煤技術(shù)的研究團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，打交道的雖然還是煤，但是從“黃豆”大小的煤粒變成了“面粉”式的煤粉，巨大的粒徑差別帶來(lái)了巨大的技術(shù)跨度。而且，預(yù)熱燃燒技術(shù)并沒(méi)有在傳統(tǒng)煤粉燃燒鍋爐應(yīng)用過(guò)，這意味著鍋爐要進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)改造后的鍋爐，輸粉背壓發(fā)生了變化，會(huì)不會(huì)影響燃料輸送?預(yù)熱意味著更多熱量提前進(jìn)入鍋爐，點(diǎn)火的時(shí)候，會(huì)不會(huì)出現(xiàn)“燃爆”?在改造過(guò)后的鍋爐里，燃料的燃燒效果怎么才能達(dá)到預(yù)期指標(biāo)?
經(jīng)過(guò)前期實(shí)驗(yàn)室的研究和反復(fù)論證工藝方案，研究團(tuán)隊(duì)完成了工程設(shè)計(jì)，于今年4月開(kāi)始進(jìn)行1號(hào)鍋爐的工程改造，將原傳統(tǒng)煤粉燃燒器及燃燒系統(tǒng)更換為預(yù)熱燃燒器及燃燒系統(tǒng)，并改進(jìn)了鍋爐給粉系統(tǒng)等相關(guān)部件。
“為什么說(shuō)這是一項(xiàng)顛覆性的技術(shù)?因?yàn)槲覀儧](méi)有經(jīng)驗(yàn)可參考。我們以前研究燃燒，是以循環(huán)流化床技術(shù)為平臺(tái)，雖然有很多經(jīng)驗(yàn)，但有邊界。現(xiàn)在我們要重新審視這臺(tái)鍋爐、燃料和燃燒效果。”滿承波表示，他們要回答為什么，要打破固有思維，將擅長(zhǎng)的循環(huán)流化床研究和煤粉鍋爐研究“嫁接”起來(lái)，進(jìn)入新的研究領(lǐng)域，探索有價(jià)值的研究方向。
實(shí)踐證明，改造后的、應(yīng)用了預(yù)熱燃燒技術(shù)的1號(hào)鍋爐不僅拓寬了燃料的使用范圍，而且燃燒效果也符合預(yù)期。
9月7日，1號(hào)鍋爐完成了改造后的72小時(shí)試運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了純?nèi)及虢购图內(nèi)济悍酃r的穩(wěn)定、低氮、高效運(yùn)行。與改造前相比，啟爐壓升更小，運(yùn)行安全性更高，點(diǎn)火燃油量降低20%以上，氮氧化物原始排放值下降50%以上，燃燒效率提高到99%以上，鍋爐可長(zhǎng)期高負(fù)荷運(yùn)行。
10月17日，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了針對(duì)煤粉、半焦及半焦摻燒氣化殘?zhí)康墓I(yè)化驗(yàn)證試驗(yàn)，成功實(shí)現(xiàn)了鍋爐的滿負(fù)荷運(yùn)行，燃料切換、負(fù)荷調(diào)整、風(fēng)粉配比調(diào)整、預(yù)熱燃燒器溫度調(diào)整等多種工況、多種負(fù)荷水平的穩(wěn)定運(yùn)行。
第三方測(cè)試機(jī)構(gòu)的測(cè)試結(jié)果表明，鍋爐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。本次試驗(yàn)驗(yàn)證了預(yù)熱燃燒技術(shù)在煤粉工業(yè)鍋爐上表現(xiàn)出的燃燒效率高、氮氧化合物原始排放值低、燃燒穩(wěn)定、負(fù)荷調(diào)節(jié)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，還驗(yàn)證了研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)的多項(xiàng)核心關(guān)鍵技術(shù)，為超低揮發(fā)分碳基燃料預(yù)熱燃燒技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
咸陽(yáng)新型熱能公司科研及品牌建設(shè)部的龐青濤博士算了一筆賬：“初步核算，按照35噸鍋爐年運(yùn)行7200小時(shí)計(jì)算，刨去提升負(fù)荷、減少燃油、脫硝等成本，每年節(jié)省成本接近400萬(wàn)元�！�
“我們現(xiàn)有煤粉鍋爐31臺(tái)，如果全部按1號(hào)鍋爐改造，每年將節(jié)約成本接近5000萬(wàn)元�！毕剃�(yáng)新型熱能公司黨委書(shū)記、董事長(zhǎng)方剛說(shuō)。
“從工程示范效果來(lái)看，我們用揮發(fā)分這么低的燃料，證明了技術(shù)能達(dá)到的水平：不僅能燒，而且能實(shí)現(xiàn)各種負(fù)荷、各種參數(shù)的穩(wěn)定燃燒;不僅能夠滿足工業(yè)應(yīng)用的需求，還能夠完全滿足當(dāng)前環(huán)保的嚴(yán)格要求�？梢哉f(shuō)，我們的技術(shù)展現(xiàn)了巨大的發(fā)展?jié)摿蛢?yōu)勢(shì)�！睗M承波表示，希望通過(guò)持續(xù)的技術(shù)研發(fā)為煤炭正名，證明煤炭是可以進(jìn)行清潔燃燒的，可以甩掉“大氣污染罪魁禍?zhǔn)住钡拿弊�，煤炭也可以成為清潔燃料�?br />
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