低挥发分水煤浆燃烧特性及其在燃油锅炉上的应用

第29卷第8期中国电机工程学报Vol.29No.8Mar.15,2009342009年3月15日ProceedingsoftheCSEE©2009Chin.Soc.forElec.Eng.文章编号：0258-8013(2009)08-0034-06中图分类号：TK224文献标志码：A学科代码：470·20低挥发分水煤浆燃烧特性及其在燃油锅炉上的应用张传名1，郑晓康2，刘建忠1，周俊虎1，赵卫东1，张光学1，岑可法1(1．能源清洁利用国家重点实验室(浙江大学)，浙江省杭州市310027；2．浙江省能源集团有限公司，浙江省杭州市310007)CombustionCharacteristicsofLow-volatileCoalWaterSlurryandItsUtilizationinOilBoilersZHANGChuan-ming1,ZHENGXiao-kang2,LIUJian-zhong1,ZHOUJun-hu1,ZHAOWei-dong1,ZHANGGuang-xue1,CENKe-fa1(1.StateKeyLaboratoryofCleanEnergyUtilization(ZhejiangUniversity),Hangzhou310027,ZhejiangProvince,China;2.ZhejiangProvincialEnergyGroupCompanyLTD.,Hangzhou310007,ZhejiangProvince,China)ABSTRACT:Combustioncharacteristicsofakindoflow-volatilecoalwaterslurry(CWS)andanotherkindofrefinedcoalwaterslurrywereinvestigatedandcomparedbyusingthermogravimetry(TG).ResultsshowthatignitionandburnouttemperaturesofrefinedCWSarelowerthanlow-volatileCWS,andrefinedCWShasahighercomplexindexofRw,whichindicatesitiseasierandmorestableforignitionandcombustion.ThenthetwoCWSwerecombustedinaCWSboilerwhichwasretrofitedfromanoilboiler.Furnacetemperture,flameemissivity,fluegascomponentsweretested.Datashowthatwhenlow-volatileCWSiscombusted,themainoperationparameterscanreachthedesignedstandardsandmeettheoperationrequirementsofboilersandsteamturbines.However,thecombustionefficiencyandthermalefficiencyarelowerthanthedesignedvalue,measuressuchasaircontrollingshouldbetakentoimprovetheefficiencies.Inrespectofcombustioncharacters,thereisawellconsistencybetweentheresultsofthermogravimetryandtherealboilertesting,whichcanprovideusesforreferencewhensuchkindoflow-volatileCWSispopularizedinlargepowerstations.KEYWORDS:low-volatilecoalwaterslurry;combustioncharacteristics;thermogravimetry;coalwaterslurryboilers摘要：通过热重分析研究对比了一种精煤水煤浆和一种低挥发分水煤浆的燃烧特性。结果表明，精煤水煤浆样品的着火和燃尽温度均低于低挥发分水煤浆，其着火、稳燃综合指数Rw高于低挥发分水煤浆。利用220t/h燃油改水煤浆锅炉基金项目：浙江省科技攻关计划项目资助(2004C36010)。试烧该低挥发分水煤浆样品，得到炉内温度、火焰黑度分布规律以及排烟成分特征，发现主要运行参数基本达到设计燃料数值，能够满足锅炉和机组运行要求，但锅炉燃烧效率和热效率均比设计值低。可通过调风等措施提高锅炉效率。燃料燃烧特性的热重分析结果与实际锅炉燃烧测试结果较吻合，为大型电站锅炉燃用低挥发分类水煤浆提供了借鉴和参考。关键词：低挥发分水煤浆；燃烧特性；热重分析；水煤浆锅炉0引言世界石油需求在未来较长时间内依然保持强劲增长趋势，我国原油产量也将只能维持在1.6亿~1.9亿吨水平，供需缺口较大。如果完全依靠进口，到2010年我国石油对国际市场的依赖程度将高达57%。面对日趋严峻的石油供求形势和国际油价变动的不确定性，寻求行之有效的清洁价廉的替代燃料，以缓解石油进口和消耗的压力，保持国民经济的持续发展，保障能源与经济安全已势在必行。水煤浆是一种新型低污染物的煤基代油燃料，因在储存、运输、燃烧排放方面具有明显的环保优势，世界许多国家都进行研究和开发，在我国也已成为许多城市推广清洁燃料的选择之一，并已在部分电厂锅炉上推广应用[1-4]。目前国内外电厂使用的水煤浆都是精煤水煤浆，挥发分很高，容易着火，燃烧稳定，但水煤浆成本较高；如能采用低挥发分煤制浆或通过混煤的方法降低对挥发分的要求，则不仅能第8期张传名等：低挥发分水煤浆燃烧特性及其在燃油锅炉上的应用35拓宽水煤浆的燃料品种，还能一定程度上降低水煤浆成本，从而节约电厂发电成本。文献[1]研究表明因水煤浆含有大量水分，使着火困难，着火热是煤粉的1.67倍，需要采取稳燃措施，因此，制浆用的精煤干燥无灰基挥发分一般要求在30%以上(国家水煤浆技术标准一级指标GB/T18855—2002)，低于20%~25%被认为不适合制备水煤浆[5-6]。笔者近年来从降低燃料成本角度出发，采用低挥发分原煤(20%以下，如贫煤、混煤等)直接制浆，利用热重分析方法对这类水煤浆的着火和燃烧特性进行了研究，并成功地在大型锅炉上进行试烧和测量分析。1燃料特性用于水煤浆制备的原煤来自山东精煤和贫混煤，海运到广东汕头后在南方水煤浆厂制备成浆。水煤浆的特性见表1和表2。其中工况1为对比水煤浆样，采用精煤，收到基挥发分17.42%(煤的干燥无灰基约30%)，其他3个工况均为同一煤种，收到基挥发分10.3%(煤的干燥无灰基约18%)。从表2的水煤浆特性数据看，成浆性还是较理想，符合国标要求。表1水煤浆工业分析和元素分析Tab.1ProximateandultimateanalysisofCWSsamples工业分析/%元素分析/%工况MtAarVarFCarQnet,ar/(kJ/kg)CarHarNarSt,arOar136.046.7017.4239.841937650.072.570.720.803.10235.0210.4610.2844.241933449.432.670.791.300.33335.6110.0010.2244.171910849.152.660.801.300.48434.9410.1410.2944.631937249.512.670.781.100.86表2水煤浆特性Tab.2CWSproperties工况体积平均粒径d/µm表观粘度η/(mPa⋅s)静态稳定性SBsta/%浓度/%灰软化温度/℃149.122778—65.271457241.0015936.65865.471500352.4883306.22864.841500449.31456821.41865.5515002热重分析2.1实验装置和方法实验采用瑞士METTLER-TOLEDO的TGA/SDTA851系统对样品进行热分析，温度昀高可达1600℃，升温速率昀高可达100℃/min。实验时分别以12.5、33.3和50℃/min的升温速率将样品由30℃加热到900℃。反应气氛为空气，流量为50mL/min；保护气采用氮气；水煤浆样品用量为10~14mg。2.2样品燃烧特性分析图1为实验所用精煤水煤浆和低挥发分水煤浆样品在升温速率为12.5℃/min条件的失重曲线。燃烧过程中，水煤浆样品经历了快速失水阶段、挥发分析出燃烧和焦炭燃烧失重等阶段[7-8]。图中曲线显示，失水阶段结束后，精煤水煤浆样品再次失重出现的比低挥发分水煤浆早，这是因为前者所含挥发分高于后者，挥发分含量越高，该失重阶段发生的越早，着火越提前[9]。燃尽方面，低挥发分水煤浆比精煤水煤浆较为延迟，说明其燃尽较后者困难。0200400600800020406080100样品质量百分数/%t/℃精煤水煤浆低挥发分水煤浆图1不同水煤浆样品失重曲线Fig.1WeightlossversustemperaturesofdifferentCWSsamples样品着火温度采用TG-DTG联合定义法，取失水结束时刻作为TG分析基线的起点，采用热力学温度坐标[10]，如图2所示，在DTG曲线上，过峰值点A作垂线与TG曲线交于一点B，过B点作TG曲线的切线，该切线与失重开始时的平行线相交于C，C点对应的温度即为着火温度Ti；值得指出的是，失水阶段结束后，样品维持一定时间的恒重，可以认为热重实验条件下，可以忽略水分的蒸发对30060090012002468样品质量/mgT/KTG曲线DTG曲线BC失重速率/(mg⋅min−1)A−0.7−0.5−0.3−0.10.1图2TG-DTG法确定样品着火温度Fig.2IgnitiontemperaturedeterminedbyTG-DTGmethod36中国电机工程学报第29卷水煤浆着火过程的影响。燃尽温度Th的确定则取可燃物质燃烧至98%时刻对应的温度[11]。昀大失重速率对应的样品温度为Tmax。为了较全面表征水煤浆样品的燃烧特性，采用以下指数[12]：可燃性指数D：定义为(dW/dT)max/Ti2，是昀大燃烧速率与着火温度平方的比值，反映了样品燃烧反应前期的反应能力。着火稳燃特性指数Rw：由西安热工所与普华燃烧研究中心共同制定，可用来表示煤的着火稳燃特性，其值越大，说明其着火稳定性越好，表达式为Rw=560/Ti+650/Tmax+0.27(dW/dT)max各参数汇总于表3。表3各水煤浆样品燃烧特性参数Tab.3Combustioncharateristicsofcwssamples样品β/(℃/min)ti/℃th/℃tmax/℃D/(10−6⋅%/℃3)Rw12.54366155312.692.5133.34407275831.162.39精煤水煤浆504507566001.662.3312.54726325392.292.3933.34947455881.172.24低挥发分水煤浆504928035891.262.24表3中数据表明，精煤水煤浆和低挥发分煤浆样品的ti、th、tmax随升温速率升高而升高，说明各燃烧特性参数有随升温速率向高温区转移的趋势，与文献[13]结论相似。相同升温速率下，精煤水煤浆的ti和th都低于低挥发分水煤浆，说明其着火和燃尽都比后者容易。另外，同一升温速率2种水煤浆样品的昀大失重速率对应的温度tmax相当；精煤水煤浆的可燃性指数D稍高于低挥发分水煤浆样品，说明其前期燃烧反应能力稍高，燃尽率也优于低挥发分水煤浆；Rw表明精煤水煤浆着火以及稳燃的综合性能优于低挥发分水煤浆，这与二者ti和th规律相一致。3在燃油锅炉上的应用3.1锅炉和燃烧器以及测试方法介绍汕头万丰热电厂220t/h燃油锅炉型号为WGZ220/9.