O2/CO2氣氛下不同煤質(zhì)NO排放規(guī)律及燃燒特性

李 超

（中國華電集團有限公司 山東公司，山東 濟南 250014）

前 言

為進(jìn)一步減少燃煤燃燒污染物排放，實現(xiàn)國家節(jié)能減排目標(biāo)，華電集團通過改造超臨界燃煤機組，加強新工藝和新技術(shù)的投入，以降低SO2、NOx、煙塵等的排放。目前基于新技術(shù)和新工藝的節(jié)能減排研究中，主要集中在兩個方面：一是通過數(shù)值模擬方式，對燃煤燃燒環(huán)境進(jìn)行模擬優(yōu)化，包括溫度、通風(fēng)量、風(fēng)速等。如趙舉貴、劉忠，等（2014）采用Fluent模擬燃煤燃燒不同工況，并得到在不同工況下的最優(yōu)燃煤參數(shù)[1]。楚化強（2016）采用Fluent軟件模擬，探討不同氣氛和粉煤粒徑對燃煤燃燒的影響[2]；二是引入智能算法的方式，如 RBF[3～4]、蟻群等算法[5]對整個機組燃燒進(jìn)行優(yōu)化。同時O2/CO2燃燒技術(shù)開始日益受到人們的關(guān)注，O2/CO2燃燒技術(shù)不僅可直接獲得高濃度的CO2，更可有效控制燃煤燃燒過程中污染物的排放。研究發(fā)現(xiàn)，在O2/CO2氣氛下，由于環(huán)境的差異使得燃煤的燃燒熱值、排放物等與常規(guī)燃燒都存在明顯的區(qū)別，如張?zhí)瘢?019）通過研究后發(fā)現(xiàn)[6]，在不同的O2/CO2氣氛之下，燃煤燃燒的火焰溫度在50%/50%下溫度最高。由此看出，加強O2/CO2氣氛燃煤燃燒特性的研究，對實現(xiàn)華電節(jié)能減排，減少碳、NO等的排放，具有重要的意義和價值。雖然上述進(jìn)行了大量文獻(xiàn)研究，但O2/CO2氣氛下的燃燒規(guī)律還需要進(jìn)一步的揭示。因此，該文嘗試以實驗的方式探索不同參數(shù)下燃煤燃燒及NO排放規(guī)律。

1 實驗方案

為模擬真實的電廠燃煤燃燒環(huán)境，本實驗采用圖1的恒溫?zé)峥匮b置進(jìn)行試驗[7]。在該實驗裝置中，設(shè)置氮氣、氧氣和二氧化碳?xì)夤逘I造空氣和O2/CO2環(huán)境，并通過減壓閥調(diào)節(jié)三種氣體的比例，通過管式爐進(jìn)行加熱，并通過爐膛溫控系統(tǒng)對溫度進(jìn)行控制；通過剛玉舟實現(xiàn)燃燒溫度、燃煤著火點、NO濃度等的采集。

圖1 本實驗裝置Fig.1 The experimental appliance

實驗所用煤質(zhì)選用無煙煤（SH）和煙煤（DT），如表1和表2所示。

表1 煤質(zhì)元素分析Table 1 The element analysis of coal quality

表2 煤質(zhì)工業(yè)分析Table 2 The industrial analysis of coal quality

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 不同氣氛下不同煤質(zhì)NO排放濃度

根據(jù)圖1的實驗裝置，分別設(shè)置O2/N2、O2/CO2氣氛下的實驗環(huán)境，實驗溫度設(shè)定為1473K，得到如圖2的實驗結(jié)果。

根據(jù)圖2和圖3的實驗結(jié)果看出，在O2/N2和O2/CO2兩種氣氛下，O2/CO2氣氛下NOx的排放濃度較小。造成上述結(jié)果的原因，是在O2/CO2下直接避免了熱力型和快速性燃燒生成NO的過程，并在CO2高密度和大比熱下，煤粉中的N向NO的轉(zhuǎn)化率變低。除上述原因外，還與O2/CO2下燃煤燃燒會生成較高濃度的CO，從而加速了對NO的還原，具體反應(yīng)過程可為[8]：

圖2 SH在不同氣氛下燃燒NO排放濃度Fig.2 The NO emission concentration of SH combustion in different atmosphere

圖3 DT在不同氣氛下燃燒NO排放濃度Fig.3 The NO emission concentration of DT combustion in different atmosphere

隨著圖1中的實驗裝置中入口O2濃度的增加，氣氛中的氧化性能大大增加，使得煤炭中的C類等還原物質(zhì)被氧化，NH3/HCN等物質(zhì)則被氧化為NO，這就使得NO的均相還原效率變低。

2.2 燃燒溫度對NO排放濃度的影響

在21%O2/79%CO2氣氛下，設(shè)定五組不同的實驗溫度，分別為：1273K、1373K、1473K、1573K、1673K，然后用圖1實驗裝置進(jìn)行試驗，得到圖4～7的結(jié)果。根據(jù)上述的結(jié)果看出，NO排放的整體趨勢與溫度變化一致，即隨著溫度的升高，NO排放濃度不斷增加。

隨著溫度的增加，在21%O2/79%CO2氣氛下NO的排放濃度有所增加，只是因為煤質(zhì)的不同，其增加的范圍不等。如SH來講，NO排放濃度增加幅度較小，而DT煙煤排放濃度增加較多。同時，在O2/N2下隨著溫度的變化，產(chǎn)生的NO排放濃度要明顯高于O2/CO2氣氛下NO排放的量。另外，研究發(fā)現(xiàn)溫度對燃煤燃燒產(chǎn)生NO的影響因素很多，如與煤質(zhì)自身的特性，以及與過程燃燒/氧氣的化學(xué)當(dāng)量等有很大的關(guān)系。本實驗的結(jié)果表明，較高的燃燒溫度可提高燃煤的燃燒率，也提高了NO的排放濃度。而在O2/CO2燃燒氣氛下，高濃度的CO2使得粉煤表現(xiàn)出較低的燃盡水平，也使得燃煤中的N向NO轉(zhuǎn)化的可能性降低，進(jìn)而使得在O2/CO2環(huán)境下燃煤NO濃度相對于O2/N2氣氛下產(chǎn)生的NO排放濃度要小。同時在O2/CO2氣氛下，隨著燃燒溫度的不斷增加，燃煤中的N以及其他含N組分快速向NO轉(zhuǎn)化，但是高溫加劇了CO2對煤的氣化作用，進(jìn)而加快了CO和NO的反應(yīng)，最終使得NO的濃度減少。

圖4 O2/CO2下溫度對SH燃燒NO排放的影響Fig.4 The effect of temperature on the NO emission of SH combustion in O2/CO2atmosphere

圖5 O2/N2下溫度對SH燃燒NO排放的影響Fig.5 The effect of temperature on the NO emission of SH combustion in O2/N2atmosphere

圖6 O2/CO2下溫度對DT燃燒NO排放的影響Fig.6 The effect of temperature on the NO emission of DT combustion in O2/CO2atmosphere

圖7 O2/N2下溫度對DT燃燒NO排放的影響Fig.7 The effect of temperature on the NO emission of DT combustion in O2/N2atmosphere

2.3 氧氣含量對NO排放的影響

以SH為例，分別測量O2濃度在5%、10%、15%、20%、30%和40%下，溫度為1473K時的NO排放濃度，得到如圖8和9的結(jié)果。

圖8 1473K與O2/N2氣氛下不同氧氣濃度對NO瞬間釋放量的影響Fig.8 The effect of different oxygen concentrations on the NO instantaneous release at 1473k in O2/N2atmosphere

圖9 1473K與O2/CO2氣氛下不同氧氣濃度對NO瞬間釋放量的影響Fig.9 The effect of different oxygen concentrations on the NO instantaneous release at 1473k in O2/CO2atmosphere

根據(jù)圖8和圖9的整體變化趨勢看出，SH在燃燒的過程中，隨著氧氣濃度的升高，NO排放濃度隨著氧氣的增加而增加，且濃度越大，NO的瞬時釋放量越大。之所以出現(xiàn)這樣的結(jié)果，是因為氧氣濃度的增加，促使O2與N官能團結(jié)合，在短時間之內(nèi)提高了NO的轉(zhuǎn)化率。在這個過程中，氧氣濃度隨著化學(xué)反應(yīng)迅速降低，此后又逐步恢復(fù)，形成新的高含氧量環(huán)境，促使出現(xiàn)第二波NO排放高峰。

但是根據(jù)上述結(jié)果可以看出，SH在燃燒的過程中，在O2/CO2氣氛下NO的釋放相對要慢于O2/N2氣氛下的NO釋放量，一個主要的原因是在O2/N2氣氛下含有大量的N元素，進(jìn)而加快了氧和氮的結(jié)合，加快了 NO 的生成[9～11]。

2.4 不同氣氛下不同煤質(zhì)的著火溫度

為找到DT和SH的著火溫度和燃盡溫度，更好地促進(jìn)不同煤質(zhì)的燃燒，采用TG-DTG法進(jìn)行測量，從而得到圖10的結(jié)果。

圖10 不同煤質(zhì)在不同氣氛下的著火溫度Fig.10 The ignition temperature of different coal quality in various atmosphere

從上述結(jié)果看出，與O2/N2氣氛相比，O2/CO2氣氛下的煤質(zhì)的著火溫度、燃盡溫度等都要明顯高于前者，其燃盡時間也較長。出現(xiàn)該問題的主要原因，是隨著燃燒的進(jìn)行，在容器中產(chǎn)生大量的CO2，這在一定程度上抑制了燃煤的燃燒[12]。同時CO2吸熱能力強，進(jìn)而使得燃煤在燃燒中熱量被大量吸收，最終使得產(chǎn)物擴散速率變慢。由此，綜合上述兩方面的原因說明，雖然在富氧燃燒的條件下，CO2可以取代空氣中的氮氣，但是從總體時間來看，不利于燃煤的著火和燃盡，甚至在一定程度上會抑制燃煤燃燒。同時在O2/CO2氣氛下，DT和SH隨著含氧量的增加，著火溫度在下降，即在一定程度上提高氧氣濃度可增加燃煤的燃燒性能，降低燃煤著火溫度。對SH來講，當(dāng)氧氣體積在20%～30%時，其著火溫度下降顯著，繼續(xù)增大氧氣體積，逐步趨于平穩(wěn)。該結(jié)果表明，隨著氧氣濃度的增加，SH燃燒改進(jìn)不明顯。

綜上看出，伴隨著氧氣濃度的增加，可有效改善燃煤燃燒，降低著火溫度?？紤]到兩種燃煤的燃燒效率，可將氧氣的體積控制在30%～40%的區(qū)間范圍內(nèi)。

2.5 不同氣氛下燃煤的綜合燃燒特性

為進(jìn)一步比較不同煤質(zhì)的綜合燃燒特性，促進(jìn)不同煤質(zhì)的燃燒，選擇綜合燃燒特性指數(shù)S來比較，具體計算公式為：

式中，T表示溫度，t表示時間，表示在i時刻的溫度表示著火溫度下的燃燒速率表示最大失重速率表示平均燃燒速率，R、E分別表示氣體的反應(yīng)常數(shù)和反應(yīng)活化能，S表示整體燃燒性能。

根據(jù)上述的計算，分別統(tǒng)計不同氣氛和不同氧氣濃度下的燃煤著火溫度等參數(shù)，從而得到如圖11的結(jié)果。

圖11 不同氛圍下燃煤燃燒特性指數(shù)Fig.11 The combustion characteristic index of coal in different atmosphere

根據(jù)結(jié)果看出，無煙煤的整體燃燒特性要小于煙煤，表明煙煤的燃燒性能最佳。因此，需要提高無煙煤的燃燒特性，需要在無煙煤中添加更多提高燃燒特性的物質(zhì)。

3 結(jié)論

通過以上研究，得出以下幾點結(jié)論：

（1）在相同溫度下和不同燃燒氣氛下，不同燃煤在O2/CO2氣氛下燃燒釋放的NO要明顯低于在O2/N2氣氛下燃燒釋放的NO；隨著溫度的升高，在O2/CO2氣氛下燃煤NO釋放濃度逐步升高；在O2/CO2氣氛與在O2/N2氣氛下，隨著氧氣濃度的增加，NO的瞬間排放量增加，但是整體來講，O2/N2氣氛下NO排放量要大于O2/CO2氣氛下的排放量。

（2）在相同燃燒氣氛下，煙煤的著火溫度要明顯小于無煙煤的著火溫度。而在不同氣氛下，燃煤燃燒的著火溫度要高于O2/N2氣氛；

（3）在相同氛圍下，不同煤質(zhì)在O2/CO2氣氛的燃燒特性表現(xiàn)為SH要小于DT。而根據(jù)上述的燃燒特性值，建議在實際燃燒中，將氧氣的濃度設(shè)定在30%～40%較為適宜。