張 毅，張嘉航，朱建國，劉敬樟

(1.中國科學(xué)院 工程熱物理研究所，北京 100190;2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 引 言

隨著經(jīng)濟飛速發(fā)展，煤炭在很長一段時間內(nèi)仍是我國最主要的一次能源[1-3]，其清潔高效利用尤為重要。在不采用任何煙氣脫硝設(shè)備的前提下，直接通過燃燒調(diào)控降低NOx排放且不犧牲燃燒效率成為潔凈煤技術(shù)今后的重要發(fā)展方向。目前，國內(nèi)外針對煤燃燒過程中低NOx排放開展了一些研究，主要有低氮燃燒器、分級燃燒和MILD燃燒等[4]。分級燃燒技術(shù)主要分為空氣分級燃燒技術(shù)和燃料分級燃燒技術(shù)。RIBEIRETE和COSTA[5]主要研究了空氣分級燃燒對煤粉爐燃燒性能的影響，研究表明增加燃料在還原區(qū)的停留時間，可促進NOx還原，降低NOx排放。YONMO等[6]研究了采用空氣分級燃燒和不采用空氣分級燃燒情況下，煤粉細度對燃燒特性和排放的影響，結(jié)果表明，空氣分級燃燒能降低燃燒溫度和尾部NOx排放，但會導(dǎo)致CO含量增加，燃燒效率降低[7]。燃料分級的概念首先由WENDT等[8]提出，在燃料再燃系統(tǒng)中，分段供給的燃料和空氣將爐膛分為3個不同的燃燒區(qū)域：一級再燃區(qū)、再燃區(qū)和燃盡區(qū)。后續(xù)研究表明燃料分級燃燒的脫硝率在爐內(nèi)脫硝技術(shù)中最高，能極大降低煤燃燒過程中的NOx排放。呂清剛等[9]通過結(jié)合空氣分級、燃料分級等技術(shù)，自主研發(fā)了預(yù)熱燃燒技術(shù)；WANG等[10]建造了與該技術(shù)相應(yīng)的預(yù)熱燃燒試驗臺，并進行了多煤種的預(yù)熱燃燒特性和NOx生成特性研究。ZHU等[11-14]在此基礎(chǔ)上開展了富氧預(yù)熱燃燒特性及NOx排放特性試驗研究以及不同參數(shù)變化對該過程特性的影響等。但上述預(yù)熱燃燒試驗研究的還原區(qū)空氣當(dāng)量比一般低于0.7，而高還原區(qū)當(dāng)量比(高于0.7)下的預(yù)熱燃料燃燒特性和NOx排放特性等基本規(guī)律尚不明確。

因此，筆者在保持循環(huán)流化床運行參數(shù)和整體過量空氣系數(shù)基本不變的前提下，探索還原區(qū)當(dāng)量比對預(yù)熱燃料燃燒性能的影響，包括溫度分布、沿程氣體組分分布和尾部排放特性等，以豐富對煤粉預(yù)熱燃燒特性的基本認(rèn)識，為煤粉預(yù)熱燃燒技術(shù)發(fā)展提供借鑒。

1 試 驗

1.1 試驗裝置和原理

試驗在30 kW預(yù)熱燃燒試驗裝置上進行，主要由3部分組成：用于燃料改性的循環(huán)流化床、燃料發(fā)生主要燃燒反應(yīng)的下行燃燒室以及輔助設(shè)備。試驗原理為原煤在循環(huán)流化床內(nèi)與低過量系數(shù)的空氣混合，發(fā)生部分氣化和部分燃燒反應(yīng)后轉(zhuǎn)化成高溫的預(yù)熱半焦和預(yù)熱煤氣(統(tǒng)稱為高溫預(yù)熱燃料)，生成的高溫預(yù)熱燃料再進入下行燃燒室與二次風(fēng)和三次風(fēng)混合后燃盡。高溫預(yù)熱燃料和二次空氣從不同管路分別進入燃燒室后摻混燃燒，三次風(fēng)從距離燃燒室頂部1 200 mm的位置給入。

試驗臺詳情見文獻[15-16]，試驗流程如圖1所示，二次風(fēng)和高溫煤基燃料進入燃燒室的位置如圖2所示。下行燃燒室沿程布置5個氣體和固體取樣點，分別位于距離燃燒室頂部100、400、900、1 400和2 400 mm五個截面上，同時，5個截面上還布置有5個熱電偶，主要通過5個截面處的氣體成分和溫度表征燃燒室沿程的煙氣成分和溫度變化。

圖1 試驗裝置流程

圖2 二次風(fēng)和高溫預(yù)熱燃料的給入位置

1.2 燃料特性

試驗所用神木煙煤粒徑為0～0.355 mm，粒徑分布如圖3所示?？芍鄯e體積分?jǐn)?shù)10%、50%和90%所對應(yīng)的切割粒徑分別為18.54、118.32和301.80 μm。

圖3 原煤的粒徑分布

神木原煤的工業(yè)分析和元素分析見表1，其中C/H和C/O比通過原煤的元素分析確定。

表1 原煤的工業(yè)分析和元素分析

1.3 試驗參數(shù)

預(yù)熱燃燒過程中，保持循環(huán)流化床各運行參數(shù)和過量空氣系數(shù)等不變，改變還原區(qū)當(dāng)量比的試驗工況參數(shù)見表2，還原區(qū)當(dāng)量比λRe為0.70～0.96。

表2 試驗工況參數(shù)

λCFB、λRe、λTe、λ計算公式為

(1)

(2)

(3)

λ=λRe+λTe，

(4)

式中，APr、ASe、ATe分別為一次風(fēng)、二次風(fēng)和三次風(fēng)的體積流率，m3/h；AStoic為燃料完全燃燒所需要的理論空氣流率，m3/h。

2 結(jié)果與討論

本文主要分析同一循環(huán)流化床運行參數(shù)下，生成的高溫預(yù)熱煤氣和預(yù)熱半焦與不同二次風(fēng)量、三次風(fēng)量混合后的燃燒特性。

2.1 預(yù)熱特性

循環(huán)流化床的運行溫度分布如圖4所示，循環(huán)流化床預(yù)熱室運行穩(wěn)定，溫度分布均勻，平均預(yù)熱溫度為850 ℃，超過燃料燃點，預(yù)熱燃料進入燃燒室與二次風(fēng)混合后可直接燃燒，不存在著火和穩(wěn)燃問題。

圖4 循環(huán)流化床溫度分布

2.1.1高溫預(yù)熱煤氣成分分析

試驗過程中，分別對穩(wěn)定工況的高溫預(yù)熱煤氣成分和預(yù)熱半焦進行測量和取樣，煤氣成分見表3。可知預(yù)熱條件下，生成的預(yù)熱煤氣中含有可燃還原性氣體CO、H2和CH4，煤氣熱值為2.1 MJ/m3。高溫預(yù)熱煤氣噴入下行燃燒室與二次風(fēng)混合后發(fā)生均相燃燒反應(yīng)，提升燃燒室溫度。預(yù)熱煤氣的含氮氣體物質(zhì)中僅檢測到NH3，未發(fā)現(xiàn)HCN和NOx。

表3 煤氣成分分布

2.1.2粒徑分布對比

原煤和預(yù)熱燃料的粒徑分布對比如圖5所示，煤粉經(jīng)過循環(huán)流化床預(yù)熱后，其中位粒徑d50由118.32 μm變?yōu)?1.70 μm，煤粉粒徑變細，這與原煤預(yù)熱過程中因揮發(fā)分析出導(dǎo)致的顆粒爆破有關(guān)，其試驗結(jié)果與之前研究結(jié)果[15-16]一致。

圖5 原煤和預(yù)熱半焦的粒徑分布

2.1.3預(yù)熱半焦和原煤的碳結(jié)構(gòu)有序性分析

為表明預(yù)熱過程對原煤樣品的改性作用，利用拉曼光譜分析了原煤和預(yù)熱半焦樣品的碳結(jié)構(gòu)有序性，拉曼光譜分峰擬合曲線結(jié)果如圖6所示。

圖6 原煤和預(yù)熱半焦的拉曼光譜分峰擬合曲線

由圖6可知，2個樣品的拉曼光譜原始曲線都可擬合成5個峰(D1、D2、D3、D4、G)[17-21]。主要采用拉曼光譜擬合成的各峰面積比值(如IG/IAll，ID3+D4/IG，其中I為光譜峰面積)來表征樣品的碳結(jié)構(gòu)有序性。

原煤和預(yù)熱半焦的拉曼光譜帶比值如圖7所示。

圖7 原煤和預(yù)熱半焦的拉曼光譜帶比值

由圖7可知，相比于原煤，預(yù)熱半焦的拉曼光譜帶比值ID3+D4/IG增加，而IG/IAll降低。說明原煤經(jīng)歷預(yù)熱過程后，其碳結(jié)構(gòu)有序性破壞，混亂程度增加，從而導(dǎo)致樣品的反應(yīng)性增加。

綜上所述，相比于原煤，預(yù)熱半焦粒徑減小，預(yù)熱燃料的碳結(jié)構(gòu)有序性降低、反應(yīng)性增加。

2.2 預(yù)熱燃料的部分燃燒特性

2.2.1溫度分布

不同還原區(qū)當(dāng)量比下的燃燒室沿程溫度分布如圖8所示?？芍€原區(qū)當(dāng)量比增加時，距離燃燒室頂部100和400 mm處的溫度增加，當(dāng)還原區(qū)當(dāng)量比為0.70和0.79時，燃燒室溫度最高點在距離噴口900 mm附近，當(dāng)還原區(qū)當(dāng)量比增大到0.96時，燃燒室最高溫度點出現(xiàn)在距離噴口100 mm附近，且整個燃燒室的溫度隨與噴口距離的增加而下降?？梢娺€原區(qū)當(dāng)量比增加，主燃燒區(qū)向噴口附近移動。

圖8 不同的還原區(qū)當(dāng)量比下燃燒室沿程的溫度分布

2.2.2沿程氣體分布

試驗對下行燃燒室沿程5個測點進行氣體在線測量。改變還原區(qū)當(dāng)量比后，沿程NOx和CO質(zhì)量濃度分布如圖9所示。

圖9 燃燒室沿程CO和NOx排放質(zhì)量濃度對比

由圖9可知，隨著還原區(qū)當(dāng)量比增加，燃燒室沿程的NOx排放質(zhì)量濃度降低。三次風(fēng)給入燃燒室前，即燃燒室噴口至三次風(fēng)區(qū)域內(nèi)為還原性氣氛，三次風(fēng)噴口至燃燒室出口為氧化性氣氛。在三次風(fēng)以前，即燃燒室還原性區(qū)域內(nèi)，并未檢測到NOx，但檢測到了較高質(zhì)量濃度的CO，導(dǎo)致NOx還原。還原區(qū)當(dāng)量比增大后，還原區(qū)內(nèi)CO質(zhì)量濃度降低，部分CO發(fā)生了燃燒反應(yīng)。三次風(fēng)后的氧化性氣氛中，CO質(zhì)量濃度降低，NOx質(zhì)量濃度上升，結(jié)果表明，還原區(qū)當(dāng)量比為0.96時，NOx和CO排放質(zhì)量濃度均呈最低值。

為進一步闡述還原區(qū)當(dāng)量比改變對燃燒室內(nèi)含氮氣體釋放的影響，將不同工況下的沿程含氮氣體組分進行對比，具體如圖10所示(6% O2)。

圖10 不同工況下的沿程含氮氣體組分分布對比

由圖10可知，3個還原區(qū)當(dāng)量比的含氮組分隨下行燃燒室的分布規(guī)律大體一致，其中整個燃燒室沿程的NH3、HCN、N2O含量極低，總質(zhì)量濃度均不超過10 mg/m3，可將其忽略。三次風(fēng)以前，燃燒室內(nèi)NO質(zhì)量濃度為0，NO2是主要的含氮組分。三次風(fēng)從距燃燒室頂部1 200 mm處給入后，NO2質(zhì)量濃度快速降至0，且保持為0的狀態(tài)，同時NO質(zhì)量濃度快速上升，且沿程NO質(zhì)量濃度隨著還原區(qū)空氣當(dāng)量比的增加而降低。在強還原性氣氛下，揮發(fā)分氮和焦炭氮主要轉(zhuǎn)換成N2和NO2。WANG等[22]研究結(jié)果表明，在高質(zhì)量濃度CO條件下，NO2的還原反應(yīng)被削弱，且NO2質(zhì)量濃度隨著頂部距離的增加而降低。三次風(fēng)從1 200 mm處給入后，燃燒室由還原性氣氛轉(zhuǎn)變成氧化性氣氛，CO質(zhì)量濃度很快降至很低。此時，低質(zhì)量濃度的還原性物質(zhì)，如CO和焦炭，對NO2有很強的還原作用，結(jié)合NO2的分解反應(yīng)導(dǎo)致燃燒室1 400和2 400 mm處的NO2迅速降低至0，同時生成的NO質(zhì)量濃度增加。根據(jù)測量結(jié)果，可推斷下行燃燒室含氮氣體發(fā)生的反應(yīng)有

(5)

(6)

(7)

(8)

總體來看，未通入三次風(fēng)前的強還原區(qū)內(nèi)，燃燒室沿程的含氮物質(zhì)主要以NO2形式存在，而在氧化性氣氛下，含氮物質(zhì)主要以NO形式存在。還原區(qū)內(nèi)的NO2峰值點隨著還原區(qū)當(dāng)量比的增加而降低，這是因為NO2的生成與還原性氣氛的強弱有關(guān)。

2.2.3尾部NOx排放特性

不同還原區(qū)當(dāng)量比的NOx排放特性如圖11所示(6% O2)。增大還原區(qū)當(dāng)量比能明顯降低NOx排放。主要原因是還原區(qū)當(dāng)量比增大，促進燃料氮的析出，析出的燃料氮在還原性條件下易于向N2轉(zhuǎn)化，從而導(dǎo)致最終NOx排放降低。

圖11 不同工況下的NOx排放質(zhì)量濃度對比

3 結(jié) 論

1)循環(huán)流化床空氣當(dāng)量比為0.49、預(yù)熱溫度為883 ℃時，煤粉預(yù)熱后粒徑減小，碳結(jié)構(gòu)有序性降低，預(yù)熱燃料的反應(yīng)活性增加。

2)還原區(qū)當(dāng)量比增加，預(yù)熱燃料燃燒最高溫度向噴口移動，主燃燒區(qū)上移，燃燒室沿程溫度逐漸降低，還原區(qū)當(dāng)量比變化可調(diào)控燃燒室溫度分布水平。

3)燃燒室還原性氣氛下含氮物質(zhì)主要以NO2形式存在，其濃度隨還原區(qū)當(dāng)量比的增加而降低；含氮物質(zhì)在氧化性氣氛下主要以NO形式存在，隨著還原區(qū)當(dāng)量比的增加，沿程和尾部的NOx排放質(zhì)量濃度降低。

4)還原區(qū)當(dāng)量比為0.96時，NOx和CO排放水平均較低。