喬木森，邵 歡，王春波

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定071003)

0 引言

普通燃煤電廠為保證爐膛內(nèi)燃燒穩(wěn)定性，煤粉顆粒能夠燃燼，減少不完全燃燒熱損失，往往采取提高爐內(nèi)溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)，實(shí)際爐膛中燃燒火焰溫度可高達(dá)1 500 ℃左右，為典型的高溫多孔顆粒的氣固反應(yīng)過(guò)程，同時(shí)煤粉燃燒也釋放出大量的污染物，引起系列問(wèn)題。為了研究實(shí)際爐膛中燃燒及污染物NO 的排放情況，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的工作。楊冬等［1］在一維煤粉燃燒實(shí)驗(yàn)臺(tái)研究了單煤及混煤燃燒NOx析出特性，表明煤中的揮發(fā)分含量高和含氮量高，NOx排放濃度就高，煤粉越細(xì)，NOx排放濃度越小。閻維平等［2］利用高溫氣體攜帶爐研究了煤粉細(xì)度對(duì)燃燒NO 還原效率的實(shí)驗(yàn)，顯示在不低于1 300 ℃的爐膛溫度區(qū)間組織再燃過(guò)程，可以得到足夠的還原效率和燃燼率。陸泓羽等［3］應(yīng)用熱重技術(shù)研究了微富氧下不同煤種、不同溫度對(duì)煤粉燃燒特性影響的差異性。Xu 等［4］認(rèn)為高溫會(huì)使煤焦結(jié)構(gòu)更加致密并發(fā)生結(jié)晶、石墨化導(dǎo)致后期燃燒速率下降。金晶等［5］在一維爐中實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，煤種中揮發(fā)分的含量、煤中氮含量、煤種中氮的存在結(jié)構(gòu)等影響煤粉NO 的釋放。沈躍云等［6］參考實(shí)際鍋爐運(yùn)行研究發(fā)現(xiàn)煤質(zhì)及鍋爐運(yùn)行氧量是煤粉燃燒NO 排放的重要影響因素，隨氧量的增加，鍋爐NO 濃度呈現(xiàn)線性增加。Liu 等［7］利用一維沉降爐研究了溫度、煤種對(duì)燃燒生成NO 的影響，顯示隨溫度的升高NO 轉(zhuǎn)化率及排放量越高，煤中氮含量高則燃燒排放NO 量大;初始NO 排放隨氧氣濃度的增加而增加，但當(dāng)氧氣濃度增加到一定量時(shí)NO 排放稍有下降。茍湘等［8］采用固定床反應(yīng)器，研究了煙煤的燃燒過(guò)程，顯示煤粉燃燒分為揮發(fā)分燃燒和焦炭燃燒，揮發(fā)分氮是煙煤燃燒形成NO 的主要來(lái)源，并說(shuō)明溫度升高，可以提高熱解氣和焦炭的還原效果，NO 的同相還原和異相還原存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。

但國(guó)內(nèi)外學(xué)者在恒溫固定床中實(shí)現(xiàn)高溫下(1 100～1 550 ℃)研究煤粉燃燒失重及NO 排放的較為少見(jiàn)，且實(shí)驗(yàn)也具有一定的難度。為此，本實(shí)驗(yàn)利用國(guó)內(nèi)先進(jìn)高溫管式爐及配套設(shè)備對(duì)該方面進(jìn)行了初步的研究。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及樣品

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1 所示，可實(shí)現(xiàn)恒溫煤粉熱重在線測(cè)量及NO 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。主要設(shè)備包括:智能溫控管式爐、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、煙氣分析儀、耐高溫支架、剛玉舟、導(dǎo)軌等。高溫管式爐可提供精準(zhǔn)的恒溫環(huán)境，恒溫區(qū)200 mm，溫度可調(diào)范圍為900～1 700 ℃，控溫精度±5 ℃。采用德國(guó)MRU公司生產(chǎn)的Delta2000CD-IV 型煙氣分析儀對(duì)NO進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)量精度為±1 ppm。煤粉燃燒時(shí)，質(zhì)量變化情況可通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳入計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由帶有RS232C 串口的高精度天平、耐高溫支架、數(shù)據(jù)采集軟件組成，稱量精度為±0．1 mg。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

實(shí)驗(yàn)選取4 個(gè)煤種，煤粉粒度范圍為80～120目，工業(yè)分析和元素分析如表1 所示。每次稱取80 ±2 mg 試樣，均勻平鋪于長(zhǎng)約90 mm，內(nèi)寬為8 mm 的剛玉舟內(nèi)。實(shí)驗(yàn)通入氣體為空氣，通入的氣體總流量為0．16 Nm3/h。

表1 原煤的工業(yè)分析和元素分析

煤樣燃燒特性采用可失重余額百分比β 進(jìn)行分析?？墒е赜囝~百分比等于t 時(shí)刻試樣剩余質(zhì)量比上初始質(zhì)量與灰量之差。

式中:mt為t 時(shí)刻試樣剩余質(zhì)量;m0為試樣初始質(zhì)量;m∞為試樣灰量。

用NO 瞬時(shí)生成量分析煤粉燃燒時(shí)的NO 排放特性。NO 瞬時(shí)生成量mt，可以直觀顯示NO 產(chǎn)出的瞬時(shí)變化情況。

式中:C(t)為t 時(shí)刻氣流中對(duì)應(yīng)的NO 的濃度，mg/Nm3;V(t)為t 時(shí)刻煙氣流量，Nm3/s。

2 結(jié)果與分析

2.1 煤種的影響

實(shí)驗(yàn)研究高溫下煤種對(duì)燃燒特性的影響，選用恒溫1 450 ℃，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 1 450 ℃下不同煤種燃燒特性及同步NO 生成量曲線

圖2(a)可以看出燃燒基本可分為兩個(gè)階段。煤粉突然置于高溫環(huán)境，水分和揮發(fā)分迅速析出，揮發(fā)分迅速著火燃燒，初期失重程度較大，為初始燃燒;然后在進(jìn)入一個(gè)相對(duì)緩慢的失重過(guò)程，為主燃燒階段，直至可失重余額為零，燃燒完畢。陽(yáng)泉無(wú)煙煤這兩個(gè)階段不明顯，而云南褐煤和新疆褐煤可以明顯看出兩個(gè)階段的光滑過(guò)渡。而沒(méi)有出現(xiàn)程序升溫時(shí)水分蒸發(fā)、揮發(fā)分析出燃燒，焦炭燃燒和燃燼比較分明的階段［9］。推斷:煤粉突然置于高的恒溫環(huán)境，揮發(fā)分析出燃燒和焦炭的燃燒存在重疊的共同時(shí)間，并沒(méi)有呈現(xiàn)出程序升溫煤粉水分蒸發(fā)、揮發(fā)分析出燃燒、焦炭燃燒和燃燼比較分明的階段。這是因?yàn)閷⒚悍弁蝗恢糜诟邷丨h(huán)境，煤粉表面升溫速率極大，初期揮發(fā)分析出、燃燒消耗大量的氧氣，焦炭表面的氧量為零［10］，導(dǎo)致焦炭的失重受限，對(duì)總失重貢獻(xiàn)較少［11］，但隨著反應(yīng)的進(jìn)行，揮發(fā)分析出減少，氧量又充足，由于環(huán)境溫度一直很高，隨即焦炭開(kāi)始燃燒。表明隨煤化程度的增加，這一現(xiàn)象不明顯。初期燃燒速率較大，后期焦炭燃燒較為緩慢，速率較小。圖2(a)顯示4 個(gè)煤種主燃燒階段時(shí)間較長(zhǎng)，此階段主要為焦炭燃燒，速率較為緩慢，煤化程度越高這一時(shí)間占的比例越大。煤化程度低，揮發(fā)分含量高，初期燃燒速率高，著火特性較好。圖2(a)可以看出主燃燒過(guò)程，可失重曲線并不平行，說(shuō)明后期焦炭燃燒速率不同，說(shuō)明揮發(fā)分的燃燒影響后期焦炭燃燒過(guò)程，揮發(fā)分析出后劇烈燃燒導(dǎo)致焦炭表面形成大量孔結(jié)構(gòu)［12］，利于氧氣擴(kuò)散，促進(jìn)了燃燒反應(yīng)。

當(dāng)環(huán)境溫度低于1 300 ℃時(shí)，釋放的NO 認(rèn)為完全為燃料型NO［13］。圖2(b)顯示NO 瞬時(shí)生成量隨煤粉燃燒時(shí)間都經(jīng)歷了先增后減的過(guò)程，且峰值在燃燒過(guò)程前期、后期NO 逐漸減小直至恒定為一個(gè)特定值。在1 450 ℃有少量的熱力型NO 生成，生成量約為2．6 ×10-4mg/s。燃燒初期揮發(fā)分釋放，此時(shí)揮發(fā)分氮被環(huán)境中充足的氧分子氧化為NO。后期焦炭燃燒緩慢，NO 生成也緩慢，且焦炭顆粒由于溫度較高而發(fā)生熔結(jié)，使空隙閉合［14］，異相氧化作用減弱而焦炭、CO 對(duì)NO的還原作用增強(qiáng)，使反應(yīng)后期NO 排放量減少。圖2(b)顯示，煤種不同，NO 瞬時(shí)生成量不同，云南褐煤和新疆褐煤在燃燒前期有一個(gè)較大的峰值，兩種煤都含有較多的揮發(fā)分，揮發(fā)分大量釋放被氧化，生成大量的NO。本實(shí)驗(yàn)顯示揮發(fā)分氮是NO 的主要來(lái)源。同時(shí)可能由于兩種褐煤燃燒較為快速，導(dǎo)致NO 生成較為集中。塔山煙煤和陽(yáng)泉無(wú)煙煤煤化程度更大，NO 瞬時(shí)生成量峰沒(méi)有呈現(xiàn)褐煤那樣“尖、窄”的形態(tài)，釋放較為緩和，也證明了以上推斷。同時(shí)在高溫下塔山煙煤和陽(yáng)泉無(wú)煙煤NO 瞬時(shí)生成量呈現(xiàn)雙峰，表明在后期焦炭燃燒過(guò)程中NO 也有一個(gè)排放集中階段。

同時(shí)表2 給出截止燃燼時(shí)刻時(shí)1 450 ℃下NO累積排放量。表2 顯示塔山煙煤和陽(yáng)泉無(wú)煙煤的總排放量較大。除云南褐煤，隨煤化程度的增加，燃燒排放NO 值增加。對(duì)比塔山煙煤與新疆褐煤，兩者元素分析氮含量相當(dāng)，但累積排放量，塔山煙煤遠(yuǎn)大于新疆褐煤，再對(duì)比圖2(a)燃燒特性，揮發(fā)分的析出嚴(yán)重影響NO 的生成，煤化程度高的煤種難燃，不能形成缺氧還原性環(huán)境，焦炭氮比重相對(duì)較大，后期焦炭燃燒時(shí)氧量充足，難以形成有效地還原性氣氛，導(dǎo)致總體NO 排放較多。

表2 NO 累積排放量

2.2 溫度的影響

實(shí)驗(yàn)選取陽(yáng)泉無(wú)煙煤分析了溫度對(duì)燃燒特性及NO 排放的影響，結(jié)果如圖3 所示。

溫度是煤粉燃燒的動(dòng)力。圖3(a)顯示提高溫度可失重曲線逐步向左移動(dòng)，燃燒速率增加，燃燼時(shí)間縮短。從圖3(a)可以看出溫度由1 150 ℃增加到1 250 ℃時(shí)，燃燒失重曲線左移的幅度較大，表明此時(shí)燃燒速率增加的幅度較大。推斷煤粉燃燒時(shí)存在某個(gè)溫度區(qū)間，可以較大程度地改善燃燒性能，這與文獻(xiàn)［15］一致。這可能是由于高溫下煤焦比表面積隨溫度的升高，呈現(xiàn)先增大后減小，高溫促使煤焦發(fā)生燒結(jié)，表面光滑致密，孔結(jié)構(gòu)封閉［16］，從而導(dǎo)致失重受限。

圖3 不同溫度下陽(yáng)泉無(wú)煙煤燃燒特性及同步NO 生成量曲線

溫度是影響煤粉燃燒NO 排放的一個(gè)重要因素。溫度升高，燃燒加劇，氮的氧化提前，NO 平均生成速率加快，NO 釋放所需時(shí)間縮短。圖3(b)所示，溫度為1 350 ℃，1 450 ℃和1 550 ℃時(shí)，煤粉燃燼后仍有一定量的NO 產(chǎn)生，這部分NO 為熱力型NO。當(dāng)溫度為1 550 ℃，熱力型NO急劇增加，瞬時(shí)生成量約為3．5 ×10-3mg/s。在本試驗(yàn)中，燃燒過(guò)程中NO 的釋放只出現(xiàn)了“單峰”的情況，而沒(méi)有出現(xiàn)“雙峰”結(jié)構(gòu)。一般認(rèn)為，“雙峰”結(jié)構(gòu)中第一峰值由揮發(fā)分著火燃燒引起，第二峰值則與焦炭氮燃燒有關(guān)［17］。NO 瞬時(shí)生成量峰值基本相同，但隨溫度提高，瞬時(shí)生成量峰值左移，NO 峰值提前，充分說(shuō)明溫度對(duì)于NO 排放的影響。溫度由1 250 ℃提高到1 350 ℃和1 450 ℃時(shí)，后期瞬時(shí)生成量減小，表3 給出截止到燃燼時(shí)刻陽(yáng)泉無(wú)煙煤在不同溫度下NO 累積排放量，顯示NO 累積排放量減少。1 550 ℃由于存在大量熱力型NO，使得NO 累積排放也較大。但溫度加強(qiáng)了熱解氣體對(duì)NO 的同相還原作用和焦炭對(duì)NO 的異相還原作用［8］，加強(qiáng)了揮發(fā)分和焦炭的分離，進(jìn)一步加強(qiáng)了NO 的還原。燃燒前期揮發(fā)分大量釋放、擴(kuò)散，使得焦炭還原效果不明顯，但隨揮發(fā)分釋放量越少，這種影響就不存在了，使得焦炭的還原效果顯現(xiàn)。溫度為1 550 ℃時(shí)，在150 s 時(shí)NO 瞬時(shí)生成量出現(xiàn)“低谷”也是這一作用效果的證明。

表3 NO 累積排放量

總體上本實(shí)驗(yàn)說(shuō)明在較高溫下，提高溫度燃料型NO 生成減少，但在高溫1 550 ℃時(shí)由于熱力型NO 迅速產(chǎn)生，使得NO 的排放急劇增加。

3 結(jié)論

(1)在高的恒定溫度下煤粉燃燒揮發(fā)分和焦炭的燃燒存在重疊的共同時(shí)間。

(2)隨溫度提高，燃燼時(shí)間縮短，燃燒情況改善，有更多的揮發(fā)分析出，煤粉燃燒時(shí)存在某個(gè)溫度區(qū)間，可以較大程度地改善燃燒性能。當(dāng)溫度提高到1 550 ℃時(shí)，熱力型NO 迅速生成，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)避免局部高溫，減少熱力型NO 生成。

(3)恒溫燃燒實(shí)驗(yàn)隨煤化程度的增加，NO 累積排放量增大。云南褐煤和新疆褐煤揮發(fā)分含量大，同步NO 釋放集中，NO 瞬時(shí)生成量出現(xiàn)較大峰值。實(shí)驗(yàn)顯示煤化程度高的陽(yáng)泉無(wú)煙煤和塔山煙煤NO 在焦炭燃燒時(shí)有一個(gè)峰值，即在焦炭燃燒時(shí)NO 也有一個(gè)相對(duì)集中的釋放過(guò)程。

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