混煤燃烧过程中着火促进与燃尽抑制作用的实验与模拟研究

摘要

混煤燃烧在我国燃煤电站中应用广泛。混煤中组分煤煤种和燃烧特性差异使得混煤在燃烧过程中存在交互作用。易燃煤优先着火燃烧会促进难燃煤的着火，即着火促进作用；同时易燃煤会先燃烧消耗氧气，抑制了难燃煤煤焦的燃烧与燃尽，即燃尽抑制作用。与空气气氛相比，在高浓度CO2气氛下，气体物性的改变、煤焦气化反应的存在等会影响传热传质和化学反应过程，进而对混煤着火促进和燃尽抑制作用的强度产生复杂的影响。因此，探究混煤燃烧过程中着火促进与燃尽抑制强度的变化规律，可为混煤燃烧优化提供有益的信息。本文结合实验与数值建模方法，研究了高浓度CO2气氛下混煤燃烧过程中着火促进与燃尽抑制强度的变化规律，主要开展了以下几个方面的工作： 首先，在低温任意氧条件下,研究了不同因素对煤混燃和煤焦混燃过程中着火促进与燃尽抑制强度的影响。挥发分燃烧增加了着火促进和燃尽抑制的强度。与O2/N2气氛相比，O2/CO2气氛下混煤燃烧过程中着火促进和燃尽抑制强度都减弱；而由于挥发分燃烧与气体物性对煤焦燃烧抑制的影响程度不同，O2/CO2气氛下煤焦混燃过程中的燃尽抑制强于O2/N2气氛。提高氧气浓度或者减小煤粉粒径，都会减弱着火促进强度并增加燃尽抑制强度；氧气浓度超过40%后着火促进和燃尽抑制强度变化缓慢。提高升温速率，着火促进强度增强，燃尽抑制强度减弱。在低温任意氧条件下，H2O的存在会增强混煤O2/CO2燃烧过程中着火促进和燃尽抑制强度。提高H2O/CO2比例会增强着火促进和燃尽抑制的强度；提高O2/H2O比例或O2/CO2比例会减弱着火促进强度并增强燃尽抑制强度。在低温任意氧条件下，混煤着火温度越低，着火越容易，促进作用强度越弱；燃尽温度越低，燃尽越容易，抑制作用强度越强。 其次，在高温低氧条件下，研究了煤焦CO2气化反应对煤焦混燃着火促进和燃尽抑制强度的影响。煤焦CO2气化反应存在时，增强CO2气化反应会提高着火促进强度并减弱燃尽抑制强度；增强煤焦氧化反应会减弱着火促进和燃尽抑制强度；增强CO2气化反应且减弱氧化反应，着火促进和燃尽抑制强度都增强。在高温低氧条件下，混煤着火温度越低，着火越容易，促进作用强度越弱；燃尽温度越低，燃尽越容易，抑制作用强度越弱。 然后，在高温高氧条件下，结合沉降炉实验和数值建模深入揭示了煤焦CO2气化反应以及气体物性改变等因素对难燃煤挥发分析出促进与煤焦燃尽抑制的影响。煤焦CO2气化反应在挥发分析出阶段较弱，对挥发分析出和着火的促进作用强度的影响较小；而在煤焦燃烧阶段，煤焦CO2气化反应提高了难燃煤煤焦的反应速率，并减弱了煤焦燃尽抑制作用的强度。与空气气氛下相比，21%O2/79%CO2气氛下促进作用强度减弱，抑制作用强度增强，这主要CO2比N2具有更高的比热容和更低的氧扩散率所造成的。提高氧气浓度或减小煤粉粒径都会增强促进作用强度并减弱抑制作用强度；在含氧30~35%的O2/CO2气氛下，促进和抑制强度与空气气氛下相当。提高过量氧气系数或者反应器温度都会减弱促进和抑制强度。在高温高氧条件下，着火越容易，挥发分析出和着火的促进作用越强；燃尽越容易，煤焦燃尽的抑制作用越弱。 最后，基于建立的数值模型开展了着火促进与燃尽抑制对锅炉混煤燃烧的影响和燃尽优化研究。在炉外掺混方式下，着火促进作用可明显改善混煤的着火特性；燃尽抑制作用降低了混煤中难燃煤的燃尽率，对混煤的总燃尽率产生了不利的影响；高浓度CO2气氛下提高入炉氧浓度可以提高难燃煤的燃尽率，进而改善混煤的燃尽特性；炉内掺混方式可明显提高混煤中难燃煤的燃尽率。由于炉型和燃烧器布置的差异，不同因素对四角切圆和W型火焰锅炉混煤燃尽的影响存在差异性。对于四角切圆锅炉，在炉外掺混方式下，由于停留时间对难燃煤的燃尽影响明显，从中上层燃烧器送入炉内的难燃煤的燃尽特性较差，对混煤总燃尽率的不利影响较显著；采用正宝塔配风方式可提高难燃煤的燃尽率，进而提高混煤的总燃尽率。在炉内掺混方式下，难燃煤从下层燃烧器送入炉内能有效地提高难燃煤的燃尽率和混煤的总燃尽率。在炉外+炉内联合掺混方式下，难燃煤与小比例易燃煤混合后从下层燃烧器送入炉内，既能提高混煤燃烧的稳定性，又能改善混煤的燃尽特性。对于W型火焰锅炉，在炉外掺混方式下，从炉膛中心区域燃烧器送入的难燃煤的燃尽特性较差，对混煤总燃尽率的不利影响较显著。为提高混煤中难燃煤的燃尽率和混煤的总燃尽率，应增加拱上背火侧二次风风量同时减少向火侧二次风风量，燃尽风风率不宜过高，并避免采用拱上凹型配风方式。

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