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文 献 综 述 一、研究背景及研究意义 为了降低煤电煤炭消耗，改善能源结构，人们开始将目光投放到废弃物耦合燃煤焚烧进行能源回收。对于耦合燃烧的不同方面，国内外的诸多学者进行了大量的研究。垃圾焚烧方式利用热分解、燃烧、熔融等反应，使垃圾经过高温下的氧化进行减容，将垃圾处理成残渣或者熔融物质。国家能源局最近提出，生物质作为固体燃料， 煤电企业利用现有优势，加快燃料侧灵活性转变，生物质混烧将在煤电厂的灵活性改造中发挥重要作用。煤与可再生能源耦合发电是一种成熟的发电技术，国际上已普遍应用，技术的可行性已得到了验证。“十三五”期间，国家将力推煤电＋生物质（农林残余物）耦合发电，积极开展试验示范，探索利用高效清洁燃煤电厂的管理和技术优势，掺烧消纳秸秆和农林废弃物、污泥垃圾等燃料的有效途径。同时，国家将参照可再生能源政策，出台一系列煤电耦合发电的支持政策，鼓励煤电企业因地制 宜地开展不同类型的耦合发电改造。国家能源局认为，这是优化资源配置，促进生态文明，推动经济社会绿色发展，利国利企利民，功在当代，利在千秋的大事。 二、国内外研究现状 1.燃煤耦合废弃物焚烧技术研究现状 煤与垃圾的耦合有烟气侧耦合、燃料侧耦合、蒸汽侧耦合三个方面。燃料侧耦合方式是将垃圾干燥破碎成小颗粒后，与煤一同送入锅炉内燃烧产生高温烟气。这一方式主要适用于流化床锅炉，但对锅炉的正常运行影响较大；此外，垃圾和煤在锅炉内共同燃烧的方式使得垃圾焚烧产生的热量无法准确计量，不利于企业获得垃圾焚烧相关的政府补贴。蒸汽侧耦合方式设置单独的垃圾焚烧锅炉对垃圾进行焚烧处理，垃圾焚烧锅炉产生的蒸汽通过管路并入燃煤锅炉的蒸汽循环中。这一方式将垃圾与煤在不同的锅炉内分别燃烧处理，对燃煤锅炉的正常运行没有干扰；但垃圾焚烧锅炉需设置额外的蒸汽发生设备，占地面积大、系统投资较高。烟气侧耦合方式将垃圾在单独的焚烧炉内焚烧，产生的高温烟气通过管路送入燃煤锅炉内，燃煤锅炉的水冷壁吸收混合烟气的热量，产生蒸汽送入蒸汽循环。这一方式不需要建设额外的蒸汽发生设备，且垃圾焚烧烟气和燃煤烟气可共用烟气净化设备，系统投资较小；垃圾焚烧产生的烟气进入燃煤锅炉，对燃煤锅炉的正常运行影响也较小。与其他耦合方式相比，烟气侧耦合方式具有较好的技术优势和市场前景。 其中流化床垃圾焚烧发电系统在焚烧低热值垃圾时会掺混部分燃煤，因此可将混煤的流化床燃烧系统认为是燃料侧的煤与垃圾耦合系统。其通过煤的掺入提高了垃圾燃烧的稳定性，实现垃圾焚烧发电。 魏小林[1]等人从技术、经济和环保等方面，对于煤与垃圾在流化床中的混烧利用技术进行了比较详细的分析。结果表明，对于我国目前的垃圾混烧比率宜小于90%；与纯烧煤相比，混烧时除SOX外，其余污染物排放均有所增加，但混烧有利于提高燃烧温度，降低二噁英类物质的生成量。该结果对于混烧处理厂的规划以及相关政策的制定有一定参考价值。柏继松[2]等人进行了热重分析仪和0.5MW循环流化床进行了煤与垃圾衍生燃料混烧实验。热重试验表明：混烧过程中，两者基本上保持各自的燃烧特性，同时垃圾衍生燃料的加入能显著提高煤粉的燃烧性能。循环流化床试验表明：相对于煤粉单独燃烧，混烧能使整个炉膛的温度分布更均匀。 Chyang C S[3]等人研究了垃圾衍生燃料（RDF）和煤共烧产生的污染物排放。结果表明，随着RDF-5共烧比例的增加，NOX和HCl排放量增加。燃烧器底部烟道气中的NOX浓度高于顶部。但是，与NOX排放相比，HCl释放的趋势是相反的。 烟气侧耦合燃烧系统通过烟气循环的方式将垃圾焚烧后的能量引入煤粉炉，利用煤粉炉的设备进行发电，实现垃圾能量发电。 孙俊威[4]等人分析了不同再循环烟气抽取点。分别从省煤器和引风机后抽取烟气，并引入到炉膛底部和上部共4种烟气再循环方案。结果表明，烟气再循环会降低炉膛出口烟温和升高排烟温度。张卫[5]通过采用烟气再循环技术，将烟气尾道中一部分低温烟气，通过循环风机送入炉膛，控制炉膛温度分布，抑制或防止炉膛结焦，提高锅炉出力及降低NOX等污染物的排放。雷雨[6]研究了烟气再循环与SNCR耦合的低氮燃烧技术。研究了SNCR与烟气再循环耦合低氮燃烧系统的参数,如烟气再循环率，再循环烟气一、二次风室的送入比例，氨氮摩尔比，锅炉负荷变化等脱硝系统参数对NOX脱除效率及链条炉燃烧特性的影响，确定了烟气再循环与SNCR技术耦合脱硝的最佳运行参数。Zhang G[7]等人在600MW燃煤锅炉下采用新型的FGR方案进行实验研究，与比传统方案相比在最佳再循环率和煤炭输入条件下，净煤炭消耗率可降低2.35-2.60g/(kW.h)与使用常规再循环系统获得的相比较。与没有气体再循环系统相比，该净煤消耗率可降低3.50-5.11g/(kW.h）。 2.复杂氛围下煤粉的燃烧特性污染物生成特性研究现状 烟气侧耦合燃烧系统通过烟气循环的方式将垃圾焚烧后的能量引入煤粉炉，利用煤粉炉的设备进行发电，实现垃圾能量发电。在烟气循环式燃煤耦技术中，煤粉是在空气与垃圾燃烧烟气的混合气氛中燃烧的，焚烧烟气中CO2和H2O浓度较高，必定会影响煤粉的燃烧特性，目前关于复杂氛围下煤粉的燃烧特性国内外已经开展了一系列研究。 Bartosz[8]等人研究了O2/CO2/H2O气氛下磨煤质量对于粉煤燃烧过程中传热参数以及煤灰中可燃物的影响，采用了单颗粒燃烧以及半工业0.5MW燃烧室两个实验平台。结果发现，在含氧燃料气氛中煤转化速度更快，可以使用质量较低的磨煤，从而节省磨煤所需要的能量，同时发现NOx排放含量比在空气中燃烧低约20%。 Wu[9]等人研究了O2/CO2气氛下高温条件和分离燃烧（挥发分和焦炭分离燃烧）模式对于粉煤燃烧过程中 SO2 排放特性的影响。结果表明，随着温度升高，SO2释放曲线从单锋转为双峰，温度对挥发分燃烧过程中释放的SO2影响很小，但对焦炭燃烧过程中释放的SO2影响很大，温度升高导致灰中固定的硫质量急剧下降，SO2排放增加，分离燃烧导致的SO2释放量高于耦合燃烧。同时根据热平衡计算发现，碱金属和碱土金属的硫固定作用显著，主要为CaSO4和Na2SO4。 Khatami[10]等人利用单颗粒燃烧法，研究了不同煤阶的煤颗粒在O2/N2和O2/CO2气氛下的着火特性，发现在静止气氛中，煤颗粒在O2/N2和O2/CO2气氛中的着火延迟并无明显差异，而在流动气氛中，煤颗粒在O2/CO2气氛中的着火延迟明显延长。 Liu[11]等人采用一维降管式炉系统研究了O2/CO2气氛下超细粉煤燃烧燃烧的NO排放特性。分析了煤粒度、煤质量、炉温、化学计量比等的影响。结果发现，煤的粒径对于NO排放影响较大，较小的煤颗粒可以在富燃料的条件下抑制NO的形成，对于贫燃料条件下则无法较好抑制。 3.复杂氛围下废弃物的燃烧及污染物生成特性研究现状 回转窑内的燃烧与普通燃烧有所不同，高温烟气与空气掺混进入焚烧炉，提高了焚烧炉空气温度，降低了空气中氧浓度，建立了温和燃烧（MILD combustion）工况，使炉膛温度分布更加均匀，整体温度提升，抑制了二噁英的生成。MILD燃烧不同于扩散燃烧，其燃烧无明显的火焰锋面，因此又称为无焰燃烧或无焰氧化、无色分布燃烧；又因为其高温预热过程，也称为高温空气燃烧。 李志伟[12]在CFB试验台上开展了城市污泥与煤的焚烧试验，城市垃圾与煤的CFB混烧过程能够满足城市垃圾焚烧处理的“3T”要求，实现低二噁英类的排放水平（当量毒性小于1.0ng／m3）。混烧率的增加导致SO2的排放浓度急剧下降，HCl的排放浓度并没有增加，燃料硫向SO2的转化率和燃料氯向HCl的转化率降低。楼波[13]等人结合高温空气燃烧技术，利用Fluent进行回转窑内部生物质在传统燃烧和不同温度下的HATC等3中典型工况进行模拟。结果表明，生物质燃烧存在水分蒸发、挥发分逸出燃烧和焦炭燃烧的3个过程；高温低氧燃烧可以降低炉内温度峰值，使炉膛内温度场均匀，抑制NOX的产生；提高空气温度和氧气体积分数可以加快燃烧过程；低氧燃烧时，要使燃烧完全，须提高过剩空气系数，同时还需要增加回转窑长度。J.A. Wuuml;nning[14]等人提出一种特殊的燃烧形式称为无焰氧化。与稳定火焰中的燃烧相反，在无焰氧化时可以避免温度峰值。因此，即使在非常高的空气预热温度下，NOX的形成也被大大抑制。 Cavaliere A[15]等人认为实现MILD燃烧需要满足两个重要条件：（1）反应物预热到燃料的自燃温度；（2）燃烧过程中将反应物稀释到可燃极限以下。Suda T[16]等人对中等规模的煤粉MILD燃烧进行了研究。研究发现着火延迟随温度升高而减小；燃烧空气在623K和1073K时，峰值火焰温度差异在100K以内；高温情况下煤快速挥发，还原区增加，NOX浓度降低。 4.总结 根据国内外的研究现状了解到，耦合燃烧的研究进展依旧停留在燃料侧掺混燃烧，虽然掺混燃烧可以提高垃圾燃烧的稳定性，但烟气循环式的耦合燃烧系统会大大提高垃圾焚烧效率。目前的研究缺乏对整个烟气循环式的耦合燃烧系统的研究，燃料侧的掺混燃烧研究与烟气侧的耦合燃烧有所不同，但是在某些方面也可以为烟气侧耦合燃烧的研究提供指导。同时，关于废弃物焚烧炉的烟气循环研究，也可以一定程度反映耦合燃烧系统中的回转窑废弃物焚烧规律；回转窑的燃烧工况是高温低氧工况，现阶段关于温和燃烧的研究，对于研究回转窑的燃烧具有一定的指导意义。烟气循环式耦合系统的研究具有重要的意义：可以降低垃圾焚烧的成本；在高温混合烟气进行垃圾的焚烧，对于燃烧污染物的生成具有抑制作用，可以降低污染物的生成；垃圾焚烧后的烟气通入煤粉锅炉，火电机组可以利用垃圾焚烧的能量进行发电，可以降低燃煤的消耗。基于此，将对耦合燃烧系统进行研究，为耦合系统的未来应用提供有价值指导。 |
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２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）： |
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1.复杂氛围下煤粉燃烧及污染物排放特性研究 在烟气循环式燃煤耦合垃圾焚烧发电系统中，煤粉炉中通入了废弃物焚烧产生的烟气，由于废弃物焚烧烟气中的主要成分为 N2、CO2和 H2O，将改变煤粉炉的气氛，具体表现在降低其中的 O2浓度以及提高 CO2和 H2O 浓度，进而影响煤粉的燃烧特性，如煤粉火焰形态、着火延迟、燃尽时间和燃烧温度等，而这些参数对煤粉炉的设计和改造具有重要的指导作用。因此，有必要开展实验对烟气循环式燃煤耦合废弃物焚烧发电系统中煤粉的燃烧特性进行研究。通过气象色谱仪等装置研究对燃烧后烟气进行检测，探究复杂气氛下煤粉的污染物排放特性以及气氛对于 NOX、SO2 等主要污染物生成的影响。 2.复杂气氛下废弃物的燃烧特性及污染物排放特性 搭建燃煤锅炉与回转窑燃烧实验平台，进行废弃物在燃煤锅炉高温烟气和高温空气混合气氛下的燃烧实验，探究不同工况下废弃物的燃尽率、烟气停留时间、燃烧温度、污染物排放以及重金属残留情况。 参考文献 [1] 魏小林,田文栋,盛宏至,黎军,吴东根.煤与垃圾在流化床中的混烧利用技术分析[J].环境工程,2000(04):37-40 4. [2] 柏继松,余春江,李廉明,李兴亮,王勤辉,骆仲泱.煤和垃圾衍生燃料循环流化床混烧的试验研究[J].中国电机工程学报,2012,32(14):36-41. [3] Chyang C S,Han Y L,Wu L W,et al.An investigation on pollutant emissions from co-firing of RDF and coal[J].Waste Management, 2009, 30(7):1334-1340. [4] 孙俊威,蔡培,黄启龙,阎维平,戴维葆,陈国庆,李超凡,马凯.烟气再循环对某1000MW超超临界二次再热锅炉运行参数的影响[J].动力工程学报,2018,38(11):861-866 873. [5] 张卫.烟气再循环技术在垃圾焚烧炉的应用[J].节能,2008,27(5):52-53. [6] 雷雨,刘洋,牛艳青,惠世恩.SNCR/烟气再循环协同脱硝技术研究[J].洁净煤技术,2019,25(03),110-115 [7] Zhang G,Xu W,Wang X,et al.Analysis and optimization of a coal-fired power plant under a proposed flue gas recirculation mode[J].Energy Conversion and Management, 2015, 102:161-168. [8] Swiatkowski B, Marek E. Optimisation of pulverized coal combustion in O2/CO2/H2O modified atmosphere – Experimental and numerical study[J].Energy,2015,92 (DEC):47-53. [9] Xiaofeng Wu, Weidong Fan, Songlin Liu, et al. Effect of high temperature and separated combustion on SO2 release characteristics during coal combustion under O2/CO2 atmosphere[J]. Journal of the Energy Institute. 2020. [10] Khatami R, Stivers C, Levendis YA. Ignition characteristics of single coal particles from three different ranks in O2/N2 and O2/CO2 atmospheres[J]. Combustion amp; Flame, 2012, 159(12):3554-3568. [11] Liu J, Gao S, Jiang X, et al. NO emission characteristics of superfine pulverized coal combustion in the O2/CO2 atmosphere[J]. Energy Conversion amp; Management, 2014, 77:349-355. [12]吕清刚,那永洁,包绍麟,孙运凯,贺军,王宝成,赵焕明,崔平,矫维红,李志伟,赵宝华.城市垃圾与煤在CFBC试验台上的混烧试验[J].工程热物理学报,2003(02):347-350. [13] 楼波,罗玉和.回转窑内生物质高温空气燃烧过程数值模拟[J].太阳能学报,2010,31(9):1106-1111. [14] J.A. Wuuml;nning, J.G. Wuuml;nning. Flameless oxidation to reduce thermal no-formation. 1997, 23(1):81-94. [15] Cavaliere A,Joannon M D.Mild Combustion[J].Progress in Energy and Combustion Science,2004,30(4):329-366. [16] Suda T,Takafuji M,Hirata T,et al.A study of combustion behavior of pulverized coal in high-temperature air[J].Proceedings of the Combustion Institute,2002,29(1):503-509. |
