固体燃料燃烧过程的控制研究

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1、中习丁程热物理学会 燃烧学 鹚 r晨年会 ：文编号： 04026固体燃料燃烧过程的控制研究 吕清刚，那永洁，包绍麟，高鸣 中国科掌院工程热物理研究所，北京 100080010-62520685 ， luqgpublic east net cn摘要：燃烧一直是 们关注的研究本文通过螭述固体燃料的燃烧及燃烧过程提出了燃烧过程 控书的核心碳念，通过列举典型的在燃烧过程实现污染控制实例，说明燃烧过程控韵的必 要性和观实一肆、固体燃料燃烧的发展趋势以及燃烧过程控制所起的作用、对燃烧技术的发 崖提供新的探索方向。关键词：燃烧燃烧过程控制。部分燃烧，分级燃烧。1月 lj吾对燃烧白。掌握真接导致了人类文明的进

2、步。直到当代，燃烧仍然是重要构研究领 域，其中最为复杂的是固体燃料的燃烧，因为固体燃料燃烧不仅伴有多相流动及传热， 还有污染问题等，本文主要以固体化石燃料煤和其它固体衍生燃料为对象，研究固体 燃斟燃烧过程及其控制，我国舵煤炭资源丰富，约占化石能源探明储量的 90，由于水能和其它可再生能 源 向开发受剑诸多条什的限制，因此在相当长的时期内，煤炭还将是我国的主要能源， 煤炭庄能源箱构中的主导地位不会改变。其中，煤炭近 75是通过燃烧完成利用业能 源转化的。娱炭的燃烧会产生大量的污染物 (包括粉尘和有害气体 )，园此如何在煤的 j封；烧过释中直接控制污染物的生成是一个值得深入研究的课题。吲态瘦弃物的

3、处理技术是当今竞相研究的热点，而固态废弃物焚烧处理是选刮蚓 态废弃物减量化、无害化和资源化的有效手段之一。对于固态废弃物焚烧，其重点是 控龃 ii染物的生成与排放，将控制污染物生成引入燃烧过程控制，是一个迫切雨义重 要构峤宄课题，燃烧的传统学科定义为激烈的发光发热的化学反应。因此燃烧是将燃料的化学能 转变为热能的主要方式。热动力系统 (包括火力发电厂 )的不可逆性和摊放的污染主要 采口丁燃料燃烧。闭此，一方面，燃烧设备的性能与燃料的品质决定了热动力系统的 热力学效率千 【l 污染排放特性另一方面，从热力学的角度出发，热力循环的熵增主要 来白丁燃烧发热产生的高温与低温工质间的不可逆换热。一般而言

4、，对于煤炭的燃烧， 人们最关心的是燃烧稳定与安全、燃烧完全司 j燃烧排放，以及燃烧过程中的能量转换，589冈此，研究燃烧过程的控制技术是一个带有广泛及深刻的学科背景的研究领域。 由于煤炭和固体废弃物燃烧的复杂性，使得燃烧过程难于用经典方程全面表达，也很难将燃烧用其它的统计数学方法进行严格的数字描述。因此围绕如何实现燃烧和控制燃烧过程进行了广泛的实证式的实践并取得了一定的成功。到目前为止，大规 模采用的固体燃料燃烧的方法有气粉相燃烧 (煤粉燃烧 )，大颗粒固定床燃烧和气固流 态化燃烧，人 Hj主要研究燃料的燃烬性，燃烧安全性和抑制污染物的排放等方面，但 是吲体燃料的燃烧过程与控制的研究结果还远未

5、形成技术与学科体系。本文分析和总 结了当前人们对燃烧过程控制的研究状况，提出固体燃料燃烧过程及控制的方向，试 图为持续不断地研究固体燃料的高效洁净燃烧与利用提供有益的探索与思考。2燃烧过程控制2 1燃烧过程控制的一般含义 燃烧过程控制源于受控燃烧 (多种燃料 )，主要是针对燃烧目的和取向的不同，进而实现对影响燃烧的主要参量进行控制，以达到对燃烧的控制，其中包括燃烧速率的控制、燃烧环境的控制、燃烧污染的控制和燃烧进程的控制。 燃烧速率的控制一般体现在燃烧温度的控制上，而燃烧温度的控制是通过使得燃烧放热和换热达到热平衡来实现的，同时结合通过燃烧气氛的控制和燃烧的不均匀性米逃剑控制燃烧进程和燃烧污染

6、生成。为了蚓体燃料的燃烧过程控制有效性，人们主要关心的是燃烧的燃烬性，燃烧的 安全性和燃烧的清沽性等方面。燃烧的安全性要求将燃烧温度控制在殴备允许范围内 并且使得燃烧稳定：燃烧的燃烬性要求最大限度地实现燃料的完全燃烧；燃烧的清洁 性要求燃烧过程对污染物的释放达到最小。根据人们对这些方面中的某些点的侧重， 通过不同的控制手段来达到完全不同的效果。例如，对于煤的燃烧，污染物主要为 SO： KO、 和荻渣，需要同时兼顾排放与燃烬；固体废弃物的焚烧，首要条件是污染物排放最低 和燃烧安全。2 2燃烧过程控制的狭义意义 到目前为止，大规模采用的固体燃料燃烧的方法有气粉相燃烧 (煤粉燃烧 )，大颗粒同定床燃

7、烧和气同流态化燃烧。燃烧过程控制的 El的为安全稳定、燃烬和低排放。层燃燃烧，分为固定炉排和移动炉排，燃烧过程的控制停留在燃烬和燃烧稳定性 上。煤粉燃烧为火炬燃烧，主要定位于燃烧的安全性和燃烬性。虽然人们不断改进燃 烧器，有限地降低氮氧化物，通过配风和配粉实现稳定燃烧但是由于燃料采崩高温 燃烧方法实现，这必然带来较高氯氧化物排放水平目前关于煤粉的类石墨化、氨在 燃烧过程的生成过程等项的研究是为此燃烧过程控制的补充，但是很难对燃烧过程控 制有亚犬突破。590流态化燃烧，特别是循环流态化燃烧，彻底改变了传统燃烧的单一性。循环流态 化燃烧在燃烧过程实现污染物的抑制。燃烧被控制在 850(2上下同时加

8、入的石灰石在 此温度 F煅烧其分解物 CaO与燃料中释放的 sO：生成固相反应物 caS0。，从而实现在 燃烧过程中脱硫，石灰石的循环利用成为现实，实现了在燃烧过程中的高教脱硫：通 过低温 (850C)燃烧和分级配风实现低氮氧化物的生成：低温燃烧形成的灰渣活性好， 易丁综合利用。由于循环流态化燃烧，彻底解决了燃烧稳定性问题，使得负荷调节范 围火，燃料适应性强，不但可以燃煤，还适用于衍生燃料的燃烧和固体废弃物的焚烧。 因此循环流态化燃烧是在单一的设备上，在燃烧过程中同时实现高效稳定燃烧与污染 生成的严格控制，使煤炭的直接燃烧在很长一段时间内能够满足日益严格的环境保护 的要求。固体废弃物焚烧是达到

9、垃圾减量化、无害化和资源化的有效手段之一。固体废弃 物焚烧的核心是在燃烧过程中阻止污染物的生成，最主要控制的是巨毒性污染物一一一恶英的生成。二恶英的产生使得问题复杂化，由于其巨毒性，即使被收集下来，也 需要进一步的处理。垃圾中的氯是生成二恶英的必要条件，因此对氯的控制变得非常 重要。目前的先焚烧后净化的技术工艺是比较落后的。按照燃烧过程控制的思想应 当拄燃烧过抖中对氯迸行控制，彻底控制二恶英的生成与排放，因此，在固体废弃物焚烧过程中控制氯是个值得深入研究的课题。2 3燃烧过程控制的广义性 在传统的燃烧方式中，燃烧与污染物控制基本上是分开进行的，例如常规煤粉燃烧与尾气脱硫脱氯技术混合使用，其局限

10、性日益显现。随着人们对燃烧过程控制 (狭义燃烧 )研究的深入，广义燃烧概念应运而生。广义燃烧要求对燃烧全过程进行控制 t包 括燃烧速率、燃烧进程和有害物的生成的控制，如无火焰燃烧，分级品位燃烧催化 燃烧等通过控制燃烧过程的某一个或多个方面达到目的的。其中分级品位燃烧的思路 是对燃烧进程进行控制，将固体燃料在一定的工艺条件下释放气体燃料和固体燃料 t 针对不同的品位，采用不同燃烧方式。燃烧是将燃料化学能释放为热能的桥梁，因为燃烧能够在很小空间和极短时间内， 连续地可控地实现能源转化。但是由于燃烧使得污染物的伴生出现和热动力系统效率 低 (简单的蒸汽转化为有效能的转化率低 )的原因，人们研究其它转

11、化形式 t因此整体 煤气化联合循环技术及煤的多联供技术应运而生，将煤炭的直接燃烧变成先制气，在 制气过程中脱除污染物，然后用于发电或煤化工原料等。在进行了广泛的研究后，人们开始重新看待燃烧，探索是否将燃烧演变成部分氧 化反应过程，探索除燃烧之外的燃料化学能释放新过程。目的是得到高品位能源 t而 不污染环境。但是化学能的释放新途径的探索，不单纯是燃烧控制问题，已经向交叉 学科延伸。常规的化学反应速率太缓慢，无法与传统燃烧的反应速率相比 因此面对59l立 何提高反麻速率，并且是定向反应，而又避免燃烧所带来的污染物问题。将二氧化 碳刑为温室气体限制排放后燃料的化学能的转化和释放再次成为研究的热点，通

12、过 改变化学平衡条件，控制污染物的生成。虽然请如加压氢化和混合燃料的氢烷化等工 艺已经开始研究，并且有可喜进展，但在未来一段时间内还没有可直接实现的技术，这 需要 K朗的研究。3燃烧过程控制的应用3 1煤的传统燃烧层燃燃烧的控制点：温度控制，煤粒控制，煤种控制，配风控制，达到燃烧效率 高但是氮氧化物总体水平较高。通过调节相应的控制点，可以达到高效燃烧，但是 如果偏离适用范围，会出现燃烧效率低、污染大的情况。目前可以采取通过加装尾气 脱硫装置来降低二氧化硫的排放。直接形成的燃烧设备是固定排炉锅炉和移动排炉锅 炉。由于受炉排的限制，一股容量较小，常用作热水、采暖和工业锅炉。煤粉燃烧控制点：温度控制

13、，粒度控制，煤种控制，配风控制，达到燃烧效率高、 降低氰氧化物排放，但是氢氧化物排放下降的程度极为有限：炉内脱硫效率很低，需 要加装尾气脱硫净化装置进行脱碗。直接形成的燃烧设备是煤粉锅炉根据燃烧器及 布置形式不同，形成了多种燃烧组织方式。燃烧器一股分为直流燃烧器和旋流燃烧器 两天类，目前来看，旋流燃烧器不但在燃烧稳定性和降低污染物排放而且在大容量 上占有优势。大容量煤粉锅炉主要用于发电，为了达到较高发电效率，一般采用提高 蒸汽参数的办法，囡此蒸汽参数可咀达到超临界和超超临界水平主要是材料的限制。3 2煤的流态化燃烧循环流态化燃烧的控制点：温度控制，粒度控制，配风控制及循环物料控制，从 而实现高

14、效燃烧低污染排放的燃烧过程控制。由于循环流态化燃烧可以在燃烧过程甲 实现脱硫脱氮过程，同时由于流态化燃烧的特点，彻底解决了燃烧稳定问题，使得燃 杠适应性宽广，负荷调节范围大，灰渣易于练合利用因此循环流态化燃煤技术具有 其它燃烧技术无法比拟的优点，关键创新点为在燃烧过程中实现对污染物生成的控制。 这项技术还可以解决带有某些共性的、可作为低品位或有害燃料 (包括城市与工业固体 废弃物 )的燃烧技术。直接形成的燃烧设备是循环流化床锅炉，目前循环流化床锅炉的 人型化一直是人们研究开发的课题，大型化主要是从容量上和参数上向传统煤粉燃烧 殴备连行挑战，以期取而代之。采用提高参数的办法，可实现高散热力循环和

15、低污染 排放，如超临界循环流化床锅炉可以直接向传统的 IGCC挑战。以循环流化床燃烧技术为基础，可以实现煤的清洁燃烧与谋成分品位的梯级利用。 强化在燃烧过程中实现对污染物生成的控制，创建与优化煤成分品位的梯级利用流程一 根据煤的特性，进行煤的部分气化，形成的高品位部分加以利用形成的低品位半焦采书循环流化来燃烧技术，从而优化煤成分品位的综合利用。基于循环流化床燃烧的 多联供技术将俣留循环燃烧的优点同时实现煤的梯级生产和利用。3 3固体衍生燃料及废弃物燃烧固体废弃物燃烧的目标是通过燃烧达到减量化、无害化及资源化。因此研究将污 染韧排放的控制引入燃烧过程，形成低污染排放的固体废弃物的焚烧技术。目前所

16、采 取韵技术有移动炉排焚烧炉、流化床焚烧炉、回转窑焚烧炉、火炬式焚烧炉等。但是 主要是通过高温实现低污染物的排放，殷采用一氧化碳的排故作为二恶英排放的标 识物来监控 -二恶英的排放。垃圾气化与焚烧结台技术思路也是如此。特别是垃圾的火 炬式燃烧使得高温抑制二恶英的办法达到极限，实现二恶英的零排放，但是代价很 高。它要求垃圾热值很高，并且经过严格的分选和破碎工艺才能实现。对于城市固体 废弃物，目前的做法是，采用具有前处理的焚烧技术与高温燃烧技术相结合，极大减 少污染排放物的形成，同时对尾气进行净化处理 (主要是氯化氢和二恶英 )。采用循环 流态化燃烧方式的垃圾焚烧设备充分利用其特点，如果能够在燃烧过程中将氰固化， 可以实现晟大限度地低污染物的排放。3 4新型燃烧联