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国家重点研发计划项目“超低挥发分碳基燃料清洁燃烧关键技术”研究进展
发稿时间:2019-08-14         作者:李诗媛          来源:循环流化床实验室     【字号:

  一、项目概述 

  煤炭梯级利用是煤炭清洁高效利用的重要途径之一。利用煤热解和气化的副产品半焦和残炭作为高品位洁净燃料来燃烧发电,是实现煤炭清洁高效梯级利用的重要组成部分。然而半焦和残炭的挥发分含量很低,实现清洁高效燃烧难度很大,通常存在着火稳燃困难、燃尽率低、NOx排放高等问题。因此,实现此类超低挥发分碳基燃料的清洁高效燃烧利用,已成为我国煤炭清洁高效梯级利用产业化应用的关键技术瓶颈。 

  国家重点研发计划项目超低挥发分碳基燃料清洁燃烧关键技术研究目标是开发出适用于纯燃半焦及气化残炭的煤粉预热燃烧技术和适用于电站煤粉锅炉大比例掺烧超低挥发分碳基燃料的高效低NOx燃烧技术,并完成相应的工程试验及示范,推动工业化应用。该项目预期将形成超低挥发分碳基燃料清洁燃烧共性关键技术,完成不低于35t/h24 MWth)纯燃热解半焦及气化残炭的清洁高效锅炉工程试验验证及示范;形成300MW660MW等级掺烧不低于45%的电站煤粉锅炉混烧技术,并完成工程试验验证及示范。 

  该项目牵头单位为中国科学院工程热物理研究所,参与单位包括哈尔滨工业大学、西安交通大学、西安热工研究院有限公司、哈尔滨锅炉厂有限责任公司、陕西煤业化工集团有限公司等16家单位。项目执行期为2017.7-2020.12 

  二、已取得的研究成果 

  项目团队已在纯燃超低挥发分碳基燃料的预热式燃烧器研发、超低挥发分碳基燃料和煤掺混协同燃烧关键技术研究、超低挥发分碳基燃料低NOx燃烧技术、大比例掺烧半焦及气化残炭的电站煤粉锅炉工程试验研究、预热燃烧技术工程验证等方面取得突破性研究进展。20193月,项目顺利通过了科技部高技术研究发展中心组织的项目中期检查和中试平台现场检查。 

  1.纯燃超低挥发分碳基燃料的预热式燃烧器研发 

  围绕预热式燃烧器开发和预热式燃烧器与炉膛耦合技术两项拟解决的重大关键技术展开研究,突破了超低挥发分碳基燃料预热燃烧器中气固流动、传热以及反应过程控制等关键技术,成功研制了热功率16MW内循环预热式燃烧器。16MW内循环预热式燃烧器是基于中国科学院工程热物理研究所自主开发的预热燃烧技术,针对超低挥发分碳基燃料研发的一款新型煤粉预热燃烧器,体积小、操作简便,可实现超低挥发分碳基燃料的高效低氮燃烧。为测试此款预热式燃烧器的燃烧性能,中国科学院工程热物理研究所和哈尔滨锅炉厂有限公司合作在哈尔滨锅炉厂燃烧技术中心实验室建设了16MW预热式燃烧器测试平台。 

  20193月,以超低挥发分热解半焦掺混8%的气化残炭为燃料,项目委托第三方测试机构对16MW内循环预热式燃烧器测试平台进行了第三方测试,测试结果表明NOx排放为110mg/Nm3,燃烧效率为99.27%,在保证较高燃烧效率的前提下,燃烧后生成的NOx原始排放浓度比其他现有燃烧技术降低60%,全面达到了课题考核指标。 

 

  2.超低挥发分碳基燃料和煤掺混协同燃烧关键技术研究 

  开展了燃料分层混燃时直流燃烧器之间协同稳燃、燃尽技术研究,在250 kW直流煤粉立式热态燃烧试验系统上研究了热解半焦不同掺混比(0100%)、过量空气系数(0.81.1)和燃烧器高宽比(1.652.323.22)对半焦掺混燃烧下主燃区燃烧特性的影响。获得了着火距离、着火温度、NO生成量和燃尽率随半焦掺混比例和过量空气系数变化规律。 

  深入研究了混合燃料浓度深度调控与空气逐级匹配强化燃烧特性及促进燃尽工艺,完成了热容量300MW掺烧超低挥发分碳基燃料燃烧器稳燃方案设计。在10MW四角切圆直流燃烧器试验平台上完成了掺烧比30%40%10MW四角切圆热态中试试验研究。  

  3.超低挥发分碳基燃料低NOx燃烧技术 

  完成了空气深度分级燃烧NOx排放控制实验系统的搭建,获得了超低挥发分碳基燃料和煤燃料氮气固耦合转化机理,得到了炉内整体深度空气分级与燃烧组织优化控制NOx规律,明确了扩散效应对超低挥发分碳基燃料与煤混合燃料的影响机制,获得了掺混比例、过量空气系数、氧浓度等因素对燃料氮转化影响;全面分析了目前低氮燃烧方式及低氮燃烧器的设计特点,优化设计了适用于半焦的低氮燃烧器;通过Chemkin软件模拟研究得到了半焦与烟煤掺烧过程中的燃料氮迁移转化路径;优化了超低挥发分碳基燃料混燃过程中的辐射计算模型,获得了炉膛深度空气分级条件下主燃区过量空气系数、二次风配风方式等对燃料燃尽和NOx排放的影响规律。 

  4.大比例掺烧半焦及气化残炭的电站煤粉锅炉工程试验研究 

  在项目关键技术工程验证及示范方面,开展了300MW电站煤粉锅炉大比例掺烧超低挥发分碳基燃料关键部件优化研究、改造和调试。系统研究了各类热解半焦与电站煤粉锅炉燃料的匹配性和适应性,在全面掌握半焦、气化残炭及其与国内典型煤种不同比例混样的燃烧特性基础上,按照制粉系统、燃烧系统、锅炉设备安全稳定运行的要求分析评价现役不同煤种机组锅炉与半焦及气化残炭的适应性及适宜燃用的比例。完成了陕煤集团长安石门电厂300MW亚临界电站煤粉锅炉大比例掺烧超低挥发分碳基燃料的关键部件优化和改造,并系统开展了大比例掺烧热解半焦及气化残炭的工程试验研究,完成了不同锅炉负荷,掺烧比30%50%下锅炉性能及污染物排放研究,并完成了掺烧比为50%情况下的第三方测试。实测结果:热解半焦及气化残炭掺烧比为50.80%300MW负荷下锅炉效率为92.98%,燃烧效率为99.43%NOx排放浓度为442 mg/m3@6%氧量,掺烧前为494mg/m3)。 

 

  5.超低挥发分碳基燃料预热燃烧关键技术工程验证 

  针对纯燃热解半焦和气化残炭,开展了26 MWth双喷口底置预热燃烧器工程设计,完成了陕西咸阳35 t/h煤粉锅炉改造方案。截止目前已完成预热燃烧器的加工制造,正在进行锅炉辅助系统改造和燃烧器安装,预计6月份开始进行35 t/h纯燃超低挥发分碳基燃料预热燃烧锅炉示范工程调试。 

  三、下一阶段工作计划 

  项目2019年主要研究任务包括35t/h纯燃超低挥发分碳基燃料预热燃烧煤粉锅炉工程试验、660MW超临界电站煤粉锅炉大比例掺烧超低挥发分碳基燃料工程试验、预热式燃烧器与炉膛耦合技术及关键部件研究、兆瓦级四角切圆高温燃烧试验台大比例掺烧半焦中试试验研究,以及燃料预热与燃烧分级协同调控的NOx排放控制关键技术研究。 

 
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