低热值气体燃料燃烧技术及其工业应用

摘要

低热值气体燃料是指热值小于1460kcal/Nm3的气体燃料,广泛存在于煤炭生产、煤化工、石油化工、钢铁、冶金、纺织印染等行业的生产过程中,如高炉煤气、转炉煤气、炭黑尾气等。以上几类气体的热值均在600kcal/Nm3以上,工业应用比较广泛。而更低热值水平的超低热值气体燃料工业应用研究机近年来才受到重视,这类气体热值更低,但来源更加广泛,总量也更巨大,强化其循环利用具有重要的节能和环保意义,也有利于提高能源利用率,进而缓解我国能源供需矛盾。
　　基于此背景,本文选取了研究对象——300kcal/kg的超低热值气体燃料。并针对低热值气体燃料特点,提出了两种超低热值气体燃料的强化燃烧方法——高低热值气体燃料混合燃烧、燃煤与低热值气体燃料混合燃烧,并开展了实验和工业化应用研究。主要研究情况如下:
　　(1)在高低热值气体燃料混合燃烧环节,基于回流区分级着火原理,本文通过旋流燃烧器的结构优化和调整燃料配比等措施研究了燃烧器的低热值气体稳燃性能,研究结果表明:当二次空气和主燃料喷口旋流角度均为60°时,燃烧器可实现300kcal/kg低热值主燃料的稳定燃烧,此时高低热值燃料供热比21:79,平均热值379kcal/kg。而采用乙炔掺烧时可以将主辅燃料平均热值进一步降低到300kcal/kg,原因在于乙炔等小分子燃料具有更好的着火和稳燃性能。
　　同时,本文将实验成果应用到褐煤提质工艺的热解气热风炉中也取得了较好的燃烧效果,高低热值热量比达到了23.5:76.5,从而证明了基于回流区分级着火原理设计的气体燃烧器在低热值气体燃料稳燃方面具有独特优势。
　　(2)在燃煤与低热值气体燃料混合燃烧环节,本文通过分体式燃烧和一体式燃烧实验对比发现:一体式燃烧装置性能更优,可实现273kcla/kg的低热值气体燃料稳定燃烧,其稳定燃烧条件是保证炉膛温度在850℃以上。同时,根据实验现象发现加煤速度与燃煤烟气温度、助燃的燃煤烟气温度与低热值气体可燃热值之间均存在边际递减效应,也根据实验现象总结出了吸热射流扩散燃烧和平衡极限热值等概念。
　　在燃煤与低热值气体燃料混合燃烧实验基础上,本文还进行了褐煤提质工艺中燃煤替代LNG作为补充燃料的工业化应用研究,研究结果表明燃煤替代LNG方案技术上是可行的,经济效益也比较显著。投产后一年运行成本可节约1362.17万元,5个月内即可收回486.28万元的改造工程款。它的建成投产将大幅度降低系统运行成本,提升褐煤提质技术含量,从而有利于在褐煤提质技术大规模推广应用。

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1 绪 论

1.1 课题背景

1.2 气体燃料燃烧特点

1.3 国内外气体燃料燃烧研究现状

1.4 本文研究内容

2 气体燃料燃烧基本理论

2.1 概述

2.2 气体燃料燃烧的化学动力学

2.3 预混可燃气体的着火与燃烧

2.4 气体燃料的射流扩散燃烧

2.5 低热值气体燃料燃烧

2.6 本章小结

3 高低热值气体燃料混合燃烧实验研究

3.1 引言

3.2 实验原理及方法

3.3 燃烧系统设计及说明

3.4 混合燃烧实验

3.5 实验结果分析

3.6 本章小结

4 高低热值燃料混合燃烧技术在热风炉中的应用

4.1 概述

4.2 热风炉系统设计

4.3 热风炉工业应用

4.4 本章小结

5 燃煤与低热值气体燃料混合燃烧实验研究

5.1 引言

5.2 分体式燃烧实验

5.3 一体式混合燃烧试验

5.4 本章小结

6 燃煤与低热值气体燃料燃烧工业化应用研究

6.1 燃煤热风炉系统

6.2 燃煤热风炉系统设计

6.3 燃煤热风炉燃烧控制

6.4 热风炉防爆

6.5 燃煤热风炉经济性分析

6.6 本章小结

7 全文总结与展望

7.1 全文总结

7.2 建议与展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间撰写及发表的主要论文

附录2 攻读博士学位期间申请的专利

附录3 攻读博士学位期间承担和参与的项目