煤粉工业锅炉技术专刊_中国煤炭行业知识服务平台

煤粉工业锅炉技术专刊

来源：洁净煤技术2020年第2期

我国能源资源赋存特点和能源结构决定了在较长时期内我国以煤为主的能源结构不会发生根本性改变。我国燃煤工业锅炉是仅次于燃煤发电的第二大燃煤型污染源，是煤炭清洁高效利用领域研究的重中之重，近年来国家出台了多个相关政策文件，提出要大力推广高效煤粉工业锅炉替代落后的燃煤小锅炉。

煤粉高效低氮燃烧技术是决定煤粉工业锅炉燃烧效率和污染物初始排放水平的核心技术，煤粉供料技术是决定煤粉工业锅炉是否稳定运行的核心技术，烟气超低排放净化技术决定了煤粉工业锅炉系统最终排放是否满足国家日益严苛环保要求，这些因素决定煤粉工业锅炉稳定运行、锅炉效率和污染物排放水平的核心技术研究将是未来的研究重点。

《洁净煤技术》编辑部积极响应国家环保政策，策划出版主题专刊：“煤粉工业锅炉技术”，以期帮助同行更加全面、深入地了解煤粉工业锅炉的发展现状。

行业视野: 煤化工
类别; 91个
关键词; 35位
专家; 20篇
论文; 14231IP
点击量; 14051次
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中国燃煤工业锅炉政策解析与展望

作者(Author)：王翰锋

摘要：我国能源资源赋存特点和能源结构现状决定了在今后较长时期内，煤炭作为我国能源安全稳定供应兜底保障的作用很难改变，促进煤炭清洁高效利用既是我国能源革命的必然要求，也是大气污染防治的有效途径。长期以来，我国燃煤工业锅炉是仅次于燃煤发电的第二大燃煤型污染源，也是PM2.5、PM10的主要来源之一。近年来，中国煤炭科工集团煤科院节能技术有限公司组织科研团队开展煤粉工业锅炉关键技术攻关，并在国内多个大中城市和工业园区推广应用，取得了显著的经济效益、环境效益和社会效益。笔者从单台锅炉蒸吨数、节能以及减排3个方面对2011—2019年我国关于燃煤工业锅炉的政策文件及行业标准进行解析，形成对煤粉锅炉政策的连续性认知，并对行业未来的潜在预期进行展望。未来我国将继续加大燃煤小锅炉淘汰力度，污染物排放标准不断加严，对污染控制水平的要求不断提高，应从提高行业装备制造水平、开发集成控制技术、培养研发团队及技术服务机构、推动与数字经济的融合以及加强国际合作等方面提升行业内核，打造不可替代的核心竞争力。

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2020年第02期

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逆向射流燃烧技术研究进展

作者(Author)：贾楠, 牛芳, 周建明, 王乃继, 柳康信

摘要：逆向射流燃烧技术是可同时适用于燃气和燃煤领域的高效低污染燃烧技术，逆喷结构和射流流速比决定了其流场特性。笔者综述了逆向射流燃烧技术在燃气和燃煤领域的发展历史、研究现状和发展趋势。在燃气领域，逆向射流主要起稳定火焰作用，具有良好的燃料-空气混合条件，形成一个近似均匀的热流场，避免燃烧过程中出现局部热点，但目前仅为一种为燃气轮机和飞机发动机提供的探索性技术，工程应用还需克服燃料和空气在一个狭小空间里的流场合理控制以及从简化装置到工程放大等问题。在燃煤领域，对于煤粉燃烧器，逆向射流可形成一个可控组分、大小、形状和位置的回流区，且将煤粉直接送进回流区，还可控制煤粉在回流区内的停留时间，该技术与传统火焰稳定方式相比，火焰稳定能力更强、停留时间更长、污染更低，更适用于低阶煤的高效燃烧，目前，逆向射流燃烧技术耦合其他稳燃、低氮技术为煤粉高效清洁利用发展提供了新方向，且已有实际工程应用，但对于其机理研究不够深入，限制了其进一步发展与推广。对于电站锅炉，部分一次风或燃尽风逆向偏转射入炉内，可缓解四角切圆燃烧方式下炉膛出口烟气的烟速和烟温偏差，目前主要是燃尽风反切的工业应用，但如何合理控制燃尽风反切角度、反切动量以及反切层数等关键问题还需进一步研究。

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2020年第02期

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煤粉燃烧热态试验研究方法综述

作者(Author)：王学文, 王乃继, 陈福仲, 罗伟, 崔豫泓

摘要：燃烧器是煤粉锅炉的核心部件，燃烧器的性能关系到煤粉燃烧程度和污染物排放水平。采用热态试验方法研究燃烧器的性能，获得的数据对于开发高效低氮煤粉燃烧器更具有指导意义。笔者从基本原理出发论述了煤粉燃烧各热态试验方法的优缺点以及适用场所，对于火焰温度测量，热电偶测温操作简易、便捷，但精确度不高，且只能同时单点测温，对火焰扰动较大；抽气式高温测温准确度较热电偶高，但操作复杂，对气流易造成干扰；光谱法有足够的精确度，对火焰扰动较小，可同时多点测量，能进行三维温度场重建，但相较于热电偶测温法和抽气式高温测温法，光谱法操作复杂、造价高。对于气固相采集，冷却取样法是准确采集燃烧器内煤粉燃烧烟气实时成分的常用手段，由于水的比热容较大，因而水冷式取样法是应用最广的取样方法；XPS和灰示踪法均为煤粉燃烧过程中测量煤焦样品化学组成的常用方法，均可定量分析固体煤焦样品，但两者检测重点不同，XPS主要分析化学官能团组成，灰示踪法着重分析其元素组成、计算煤转化率等；XPS操作较繁琐，灰示踪法操作简单。对于气体样品的检测和分析，电化学检测法和红外检测法均可测量多种气体，具有较强的适用性，但红外检测法检测范围更广；溶液吸收法适用于检测NH3和HCN浓度，但由于测量中不易捕捉、较为繁琐，且易受其他因素干扰，工程应用较少。在现场测量时，尽可能采用多种测量方法或多次测量，以规避可能导致误差的因素。通过多种测量方法可建立煤粉燃烧器热态下三维温度场、三维气氛场等，多维度研究煤粉的燃烧过程及污染物生成过程，从而采取有效手段治理污染，对于新型高效低氮燃烧器的开发以及煤粉工业锅炉污染物的综合治理具有重要意义。

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2020年第02期

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低NOx燃气燃烧技术研究进展

作者(Author)：崔名双, 李小炯, 苗鹏, 郑祥玉, 邢文朝, 宋强

摘要：气体燃料具有易于点火、燃烧迅速、燃烧完全等特点，且氮、硫、灰分低，因此燃烧后产生的污染物相对较少，属于较清洁的燃料，且国家燃气补贴政策的实施，使气体燃料燃烧近年来有很好的发展前景。但随着国家对大气污染物的控制更加严格，控制气体燃料燃烧过程中NOx的生成至关重要。笔者介绍了不同种类NOx的产生机理及影响因素，并基于NOx的产生机理提出控制措施，分析目前应用较广泛的燃气燃烧技术的低氮原理及应用现状，最后提出燃气燃烧器应用的展望。燃气燃烧过程中主要以热力型NOx及快速型NOx为主，温度和过量空气系数是影响NOx生成的主要影响因素。燃烧温度高于1500 ℃时，热力型NOx呈指数型增长，温度是影响NOx生成的最重要因素。根据NOx产生机理，低NOx燃烧技术的实质是降低最高燃烧温度，控制燃烧区燃料浓度以及氧浓度，缩短烟气在高温区的停留时间，破坏NOx生成的最佳条件，最终抑制NOx的生成。低NOx燃烧技术一定程度降低了NOx的生成，但又会破坏整个燃烧进程，对燃烧和放热过程造成不利影响，降低了燃烧效率和传热效率，因此如何解决这些矛盾是亟需解决的问题。在实际应用中，应根据需求选择合适的燃烧技术，同时可将不同燃烧技术相结合起到稳燃、低氮的效果。应用较广泛的燃气燃烧技术主要是阶段型燃烧技术、烟气再循环燃烧技术、无焰燃烧技术等，其中催化燃烧技术发展前景较好，目前已应用于多个领域，其催化剂的热稳定性和寿命问题是限制其工业上广泛应用的核心问题。

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2020年第02期

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燃煤锅炉烟气脱硫技术对颗粒物排放影响研究进展

作者(Author)：王建朋, 段璐, 王乃继, 李杰

摘要：随着环境问题的日益严峻及燃煤锅炉超低排放工作的实施，由燃煤引起的大气污染问题及脱硫和除尘设备协同脱除污染物的作用逐渐受到关注。由燃煤释放的SO2和颗粒物对人类健康及自然环境造成严重危害，因此对SO2和颗粒物的治理至关重要。笔者综述了湿法烟气脱硫技术如石灰石-石膏法、氨法等，半干法烟气脱硫技术如循环流化床烟气脱硫技术(CFB)、高倍率灰钙循环烟气脱硫(NGD)等以及干法烟气脱硫技术如电子射线辐射法脱硫技术、活性炭(活性焦、活性半焦)吸附脱硫技术等的发展历史、技术特点及适用范围，并对比分析了各脱硫技术对颗粒物排放特性的影响。结果表明，湿法烟气脱硫技术SO2脱除效率最高，尤其是石灰石-石膏法烟气脱硫技术，总效率可达99%以上。入口颗粒物浓度高于5mg/m3时，此技术能够协同脱除烟气中的颗粒物，除尘效率可达50%～80%，脱硫前后粒径分布都为典型的双峰分布，且脱硫后粒径峰值向小粒径偏移，硫酸盐成分增加；入口颗粒物质量浓度低于5mg/m3时，出口颗粒物浓度可能出现不降反增的现象，另外，由于其投资和运行成本高，多应用于大型燃煤机组和脱硫剂来源丰富的地区，同时湿法烟气脱硫产物还具有一定的经济效益；半干法和干法烟气脱硫技术SO2脱除效率在60%～90%，与湿法脱硫技术相比具有投资和运行成本低，占地面积小和节约水资源等优点，在中小型锅炉领域如燃煤工业锅炉具有较好的应用前景，但大量脱硫产物和脱硫剂随烟气进入除尘设备，浓度高达1000g/m3以上，为除尘设备造成极大的运行压力，加大了投资和运行成本。目前半干法烟气脱硫技术及干法烟气脱硫技术对颗粒物排放特性的影响研究较少，还需在脱硫系统对颗粒物粒径、成分及形貌特性等方面的影响规律做进一步研究。

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基于EDM、PDF和FR/ED模型的煤粉燃烧过程适应性研究

作者(Author)：程晓磊

摘要：还原气氛下煤粉反应过程兼具燃烧和气化的特点，是煤粉实现低氮燃烧的关键因素，合适的化学反应模型是准确模拟该过程的基础。笔者基于煤粉双锥燃烧器，对比了EDM模型、PDF模型和FR/ED模型在氧化气氛和还原气氛的模拟结果，通过与试验结果的对比验证，确定了不同反应气氛适合的化学反应模型。研究结果表明，3种模型在煤粉着火位置和逆喷传播距离的预测上存在差别，PDF模型起火点更靠近燃烧器逆喷喷口，EDM模型一次风和煤粉喷出经过一段升温过程后逐渐燃烧，FR/ED模型的升温过程更长，壁面低温区域接近前锥长度一半；使用FR/ED模型模拟时燃烧器内平均温度最高，EDM模型次之，PDF模型最低；EDM模型中未考虑CO反应，燃烧器内基本无CO存在，PDF模型高CO浓度区域集中在煤粉燃烧初期，燃烧器出口CO含量较低，FR/ED模型化学反应动力学参数在煤粉燃烧整个区域内均有较高CO浓度存在。由于考虑了焦炭与氧气气化反应的影响，FR/ED模型模拟燃烧器内氧含量明显低于EDM和PDF模型，当过量空气系数为1.2时，燃烧器出口处氧含量为7.0%，明显低于EDM模型的11.1%和PDF模型的12.0%，燃烧器出口处CO含量为3.5%，明显高于EDM（0）和PDF模型（0.8%）；过量空气系数为0.5时，EDM模型对CO成分的预测结果偏差较大，燃烧器出口CO浓度为0.05%，采用PDF和FR/ED模型时燃烧器出口CO含量分别为5.73%和10.7%。从模拟结果与试验结果的对比来看，在氧化气氛下，主要发生煤粉的燃烧反应，EDM模型和PDF模型在温度、CO含量上的预测较为准确，与试验数据偏差较小，FR/ED模型偏差较大；在还原性气氛下，EDM模型模拟的结果几乎不生成CO和H2，并不适合还原性气氛，PDF模型和FR/ED模型有较合理的还原气氛模拟结果，两者的差别在于还原性气体的生成位置，PDF模型喷口位置CO浓度较高，出口浓度偏低，FR/ED模型随着煤粉反应流程的进行，CO浓度逐渐升高，出口浓度更接近试验结果。综合考虑，氧化气氛下双锥燃烧器适合采用EDM模型和PDF模型进行模拟，还原气氛下适合采用FR/ED模型进行模拟。

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2020年第02期

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空气冷却式煤粉燃烧室数值模拟研究

作者(Author)：王永英, 杨石, 张深

摘要：双锥煤粉燃烧室在小容量工业锅炉中广泛采用水冷却方式，但随着市场对高容量锅炉需求的增加，双锥燃烧室体积增大、数量增多，如仍采用水冷却的方式将导致安装困难、水系统复杂等问题，亟需开发新的冷却方式。空气冷却形式具有结构简单、预热后的空气可以增加煤粉的着火稳定性等优点，需要考察其首次应用于双锥煤粉燃烧室中的效果。为了确定空气冷却式燃烧室燃烧和壁面冷却情况，采用数值模拟技术对14MW工业锅炉燃烧室和炉膛进行三维建模，得到50%和100%两种负荷下不同内外二次风配风比例下燃烧室内部燃烧情况、金属壁面温度、出口火焰形状和炉膛充满度。结果表明：控制总空气过量系数不变，随着内二次风比例的逐渐增加，燃烧室内的平均温度逐渐降低；50%负荷下金属壁面温度随二次风比例的增加逐渐降低，100%负荷下金属壁面温度先降低后升高，这是内二次风助燃燃烧和外二次风的冷却共同作用的结果。随着内二次风比例的增加，金属壁面的高温区域逐渐后移，集中于后锥出口区域；在50%负荷下内二次风量占总空气量比例为0.4时，金属壁面具有最高温度930 K,100%负荷下内二次风量占总空气量比例为0.2时，壁面金属最高温度835K，2个最高温度均出现在后锥收缩段，据最高温度推荐壁面材料选取0Cr18Ni9，2种负荷下最高温度出现时燃烧室内的内二次风配风量为2600 Nm3/h，应尽量使内二次风远离此配风量；50%负荷下燃烧室平均温度、金属壁面平均温度及最高温度均高于100%负荷，是空气冷却结构需要重点考察的工况。随着内二次风比例的逐渐增加，火焰长度先增加后减小，当内二次风过小时，出口气速较小，外二次风具有向中心的速度分量，火焰主要集中在炉膛前部。随着内二次风比例的增加，出口速度增大，火焰变长变细。但随着比例的继续增加，外二次风的轴向速度变小，出口火焰的旋流强度完全由二次风决定，出口旋流强度的增大导致了火焰的变短变粗，在2种负荷下，火焰长度较长时，内二次风比例为0.4～0.5。内外二次风比例为0.5∶0.5时，燃烧室内燃烧情况和壁面温度均匀稳定，火焰在炉膛内的充满度最好，是2个考察负荷下均较适合的运行参数。

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风粉混合器内气固两相流动的模拟及试验研究

作者(Author)：张朝, 崔豫泓, 刘羽, 王鹏涛

摘要：煤粉工业锅炉系统中风粉混合器是实现煤粉与一次风快速均匀混合的关键设备，测量及计算风粉混合器内煤粉、一次风气固两相流流场，对于优化风粉混合器结构，强化风粉混合效率及提高一次风粉的均匀稳定供给具有重要意义。笔者针对竖直结构及倾斜结构的2种风粉混合器，开展了数值计算及现场工程试验研究。基于几何拓扑学知识，采用ICEM软件针对2种风粉混合器划分了合适的三维网格；多相流理论模型中，多相连续介质模型中的双流体模型各相视为相互渗透、耦合但又保持各自运动特征的连续介质，相比于单流体模型，双流体模型考虑了固相的湍流输运以及气固两相间相互滑移引起的阻力，使得计算结果更接近实际情况；冷态双流体模型基本方程由守恒方程、相间耦合方程以及封闭方程构成，其中相间耦合方程用于表征气固相动量之间的耦合；为了探究不同停留时间下风粉混合器内气固两相的流场特征，采用非稳态数值计算方法，利用Fluent软件开展数值计算。基于两相流模型及Schilller-Naumann曵力系数模型研究了不同结构下风粉混合器内煤粉浓度分布随停留时间变化特征，采用德图testo425热敏风速仪测量了不同煤粉落料量下风粉混合器内负压变化规律。结果表明，竖直结构的风粉混合器内停留时间由0.25s增至1s时，混合器底部颗粒沉积的现象一直存在，即存在较长时间的颗粒流动死角区域；而对于倾斜结构的风粉混合器，当停留时间大于0.3s，混合器内颗粒浓度基本降为0，较好避免了颗粒在混合器底部的沉积，该结构对于强化混合器内风粉混合及降低供料波动具有重要意义。不同落料量下的现场工程试验结果表明，高落料量下竖直结构的风粉混合器内平均负压偏小，几乎接近正压，且存在间断正压喷粉的现象，故该风粉混合器在高落料量下负压不足，易造成供料波动较大；高落料量下倾斜风粉混合器负压平均值仍大于-1000Pa，且无喷粉现象。相比于竖直结构，倾斜风粉混合器具有稳定且较宽的负压变化范围，能较好地克服供料波动大的现象。

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