褐煤燃烧污染物排放特性的实验研究

赵亚莹，石海鹏，杭珊珊

(1.东北电力大学能源与动力工程学院，吉林吉林132012;2.东华热电有限公司，内蒙古包头014040;3.吉林电力股份有限公司四平热电公司，吉林四平132013)

当今世界上能源与环境已是全球性问题［1］。能源与环境是国民经济和社会可持续发展的重要保证。2020年，煤炭在国家能源构成中仍将在60%左右。中国煤炭资源储量相对丰富，2006年，中国煤炭产量已经达到2 313亿吨，已探明的褐煤查明资源储量达1 300多亿吨，占全国煤炭储量的13%，但煤炭毕竟是不可再生的有限资源，在强调绿色安全开采的同时，必须更加强调洁净加工、转化与高效利用［3］。

近年来，随着国民经济的增长，电力需求不断提高，全国用电紧张局面非常突出。燃煤供应长期稳定且均质化是保证火电厂安全运行主要因素之一。但由于目前煤炭市场供给与需求的不平衡，烟煤、无烟煤面临煤源紧张，所以褐煤的优质利用就是迫在眉睫的问题。

1 舒兰褐煤的燃料特性

1.1 舒兰褐煤的元素及工业分析

褐煤大多数无光泽，高水分，高挥发分，低燃点，不粘结，易风化变质，含原生腐植酸，含氧高，化学反应性强，热稳定性差。原生腐植酸是褐煤区别于其它煤种的主要特征组分［5］。表1，2给出了舒兰典型褐煤燃料的工业分析和元素分析。

表1 舒兰典型褐煤燃料的工业分析

表2 舒兰典型褐煤燃料的元素分析

1.2 舒兰褐煤的灰成分分析

褐煤燃烧过程中灰分物质对其燃烧特性及其燃烧污染物排放的影响不容忽视。有关舒兰褐煤灰成分分析结果见表3所示。

表3 舒兰典型褐煤灰成分分析

2 褐煤循环流化床燃烧污染物排放特性实验

2.1 实验样品

本次实验依然用舒兰褐煤，经将块状褐煤用小型磨煤机研磨，是因为实验样品用料量很大，得到不同了粒径范围的褐煤样品，其粒径范围分别为:0～300 μm、300～600 μm、600～900 μm、900～1 200 μm。样品的工业分析和元素分析数据见表1、2所示，灰成分分析数据见表3所示。

2.2 实验系统和实验说明

此实验是在自行设计的小型流化床实验台上进行的，实验系统由送风、给料、流化床本体、加热、温控和烟气分析五部分组成。送风是利用氮气瓶和氧气瓶按照空气配比经过气体混合器后送到给料系统、二次风和流化床底部作为流化风;给料采用的是一次风携带送粉系统，用一玻璃制成的锥状蓄粉仓储粉，下部锥状出口和一次风管垂直相连;流化床本体是用内径为20 mm的石英玻璃管制成，玻璃管内部装有布风板，布风板上的孔径大约为0.5 mm，床料选用直径在0.6～1.2 mm之间的石英砂，在布风板上方30 mm处设有给料管，给料管也与石英玻璃管制成一体，给料管内径约5 mm，通过耐热硅碳管与一次风管相连，布风板上部45 cm处设有烟气出口，烟气出口直接与旋风分离器相连，经过旋风分离器分离下来的颗粒进入一个与旋风分离器密封相连的磨口瓶，磨口瓶的作用就是盛装分离下来的褐煤灰，而烟气从旋风分离器上部排出;排出的烟气进入烟气分析系统，首先经过过滤器除掉未分离下来的细粉尘，然后经过干燥器用变色硅胶进行干燥，从干燥器出来的经过净化后的烟气通过泵之后进入烟气分析仪，进行气体分析;加热部分是采用一个两段的电加热炉进行加热;温控部分是用一数字式温控仪利用热电偶采集回来的温控信号控制交流接触器。实验过程中气体流量、给料量、床温等具体数据详见下面具体实验。

2.3 实验结果和数据分析

2.3.1 床温对污染物排放特性的影响

五次实验中除床温改变外，其他实验条件完全相同。

从图1我们看出，随着床温的升高，开始时污染物排放增加，而SO2的排放量在750℃时达到最大值，之后随着床温的升高SO2浓度急剧降低，到1050℃时已经降到了100 mg/Nm3以下。这是因为在低温燃烧时褐煤燃烧不够充分，虽然给料量是一定的，但是由于炉膛高度的限制，褐煤在低温情况下未等燃烧完全就被烟气携带出了炉膛，造成烟气中污染物排放浓度很低，随着温度的上升，这种现象明显减小，褐煤燃烧变得更加充分，所以在750℃之前随着温度的增加SO2浓度上升;而在750℃之后，褐煤的燃烧逐渐变得充分，加上随着温度的增加褐煤中的碳酸盐开始分解，尤其是形成的金属氧化物CaO在脱硫过程中起到了关键的固硫作用。

图1 不同床温下褐煤流化床燃烧污染物排放特性曲线

从图1中我们也可看出，NOX排放量随着温度的增加而降低，在温度为850℃时达到了峰值。因为在低温时，褐煤燃烧不够充分，炉内CO浓度较高，基本上处于还原性气氛中，对NOX的还原作用很强，NOX在CO的还原作用下，被还原成N2，因此在低温时NOX的排放量很低;随着温度的升高，褐煤逐渐燃烧充分，炉内CO浓度降低，对NOX的还原作用慢慢减弱，造成了在850℃之前，NOX的排放量随着温度的升高而增加;在850℃之后，褐煤基本上已经可以全部燃烧。

从上述的实验结果来看，低温运行是最好的，因为污染物排放量很低，对空气的污染最小，但是在低温燃烧时，锅炉的未完全燃烧热损失太大，特别在现行能源紧缺的情况下，会造成严重浪费，是不现实的。那么就只有提高炉膛内的温度，而随着温度的升高，对炉内水冷壁管等耐热设备耐热性能的要求也随之增加，而且就对现行鼓泡床和链条炉等锅炉的改造来说此法也是不可行的。因此流化床锅炉的运行温度选择在800～950℃之间是最经济，最可靠的。

2.3.2 粒度对污染物排放特性的影响

四次实验中除样品粒度改变外，其他实验条件完全相同。

从图2中可以得到，随着褐煤颗粒粒度的增加，SO2浓度逐渐升高。这主要是因为随着褐煤粒度的增加，褐煤的固硫作用受到的SO2向褐煤颗粒内部扩散的传质特性的影响增强，颗粒的增加使得褐煤的比表面积减小，在给料一定的情况下，就使得SO2与褐煤颗粒接触的机会降低，在大颗粒内部煅烧得到的CaO等具有脱硫作用的物质很难与SO2接触反应，使得这些物质的利用率降低，固硫率降低，导致SO2浓度升高。

从图2中我们看到，NOX和NO的排放量在粒度小于900 μm时存在一个最小值。随着粒度的增加，在达到某一个粒度范围时NOX和NO的排放量最小。这是因为褐煤颗粒粒度的降低使得褐煤的燃烧特性有所改善，特别表现在燃烧反应速率方面提高显著，在燃烧的中间过程中，有更多的CO气体参与燃烧过使得部分燃料NOX被还原成N2，CO氧化成CO2气体。因此随着颗粒粒度的减小，燃料NOX的释放会随之减少;由于随着颗粒粒度的减小，使得褐煤的燃尽特性有所改善，燃尽率有较大提高，从而褐煤中的N元素以NOX和NO气体形式析出更为完全，因此会有更多的NOX和NO生成。而在当颗粒粒度大于900 um时，NOX和NO的排放量有所增大，这是因为燃烧过程中挥发的析出受到了一定的限制，而随着粒度的增大，焦碳粒子的燃烧和燃烧产物的析出是在气固相界面上进行的，受到的传质特性的影响加剧，燃尽特性较差，所以使得部分燃料N还未能参加反应就排出了炉膛，造成NOX和NO排放量的降低。

对于实际运行的锅炉，选择合适的褐煤颗粒粒度是影响锅炉效率和燃烧污染物排放量的关键因素。而实际运行的褐煤循环流化床锅炉褐煤粒度的选择应参考各种因素，但单从污染物排放角度来讲，选择主要粒度为300～600um的粒度范围是比较合适的。

图2 不同颗粒粒度的褐煤流化床燃烧污染物排放特性曲线

2.3.3 Ca/S比对污染物排放特性的影响

四次实验中除Ca/S比改变外，其他实验条件完全相同。

随着Ca/S比的增加，SO2浓度下降，这是因为CaO的加入，增加了CaO与SO2气体接触的机会，尤其是添加进来的CaO完全是暴露在烟气气氛中的单物质颗粒，比褐煤灰中的CaO颗粒接触NO的机会要大得多，所以固硫作用明显增强。在Ca/S比较低时，SO2浓度下降的趋势很明显，而当Ca/S比大于5时，即使再增加CaO的量，SO2浓度也不怎么发生变化了，这是因为当Ca/S比达到5时，燃烧所释放出的SO2气体已基本被CaO等固硫物质反应消耗掉，固硫作用也不明显。

从图3中可以看出，脱硫剂CaO的加入，使得NOX的浓度也跟着下降，这是因为在CaO和CO共存的还原气氛中，CaO成了CO对NO还原反应的催化剂，在CaO的催化作用下，NO和CO反应生成N2和CO2的还原反应增强，提高了NO的转化率，从而降低了NO的浓度。华中科技大学煤燃烧国家重点实验室的周浩生等人研究证明，当温度为850℃时，在CO的共同作用下，CaO可以提高NO的转化率，使得NO浓度降低［8］;虽然CaO的加入导致NO2的浓度有所提高，但它不足以抵消NO浓度的降低，所以整体NOX的排放浓度还是呈降低的趋势。

所以选择合适的Ca/S比是提高脱硫率降低环境污染和提高锅炉效率，达到经济运行的关键手段之一。如果Ca/S比选择的不合理，选择低了会造成脱硫效果不好、脱硫率降低，提高环境污染程度;选择高了又影响锅炉效率，提高粉煤灰量，提高尾部烟道过热器、省煤器和空气预热器的磨损程度，也给除尘装置带来额外的负担，是非常不经济的。所以对既定的煤种和锅炉选择合适的Ca/S比是锅炉长期稳定经济运行的重要参考因素之一。对于褐煤循环流化床锅炉，加入很少量的石灰石就可以达到很高的脱硫效率，在今后的褐煤循环流化床锅炉大型化设计中能对此进行很好的考虑。本实验研究得到对于舒兰褐煤流化床燃烧方式最佳的Ca/S比为5。

图3 不同Ca/S比的褐煤流化床燃烧污染物排放特性曲线

2.3.4 过量空气系数对污染物排放特性的影响

所用的褐煤样品的颗粒粒度为300～600 μm，实验过程中共得到了七种不同过量空气系数下各污染物排放的数据，各过量空气系数分别为:1.10、1.20、1.30、1.40、1.50、1.60和1.70。实验过程中除改变给料量来调节过量空气系数的大小外，其他实验条件完全相同。

从图4中可以看出，SO2和NOX随着过量空气系数的增加而逐渐升高，这是因为过量空气系数的增大，使得炉内氧化性气氛增强，从而导致SO2和NOX的增加。

2.3.5 床料高度对污染物排放特性的影响

采用的静止床料高度分别为1 cm、2 cm、3 cm、4 cm和5 cm。五次实验中除改变床料高度外，其他实验条件完全相同。

图5 所示就是不同床料高度下的褐煤流化床燃烧污染物排放特性曲线

从图2—图5中看出，随着床料高度的增加，各排放气体浓度均有所上升，但是上升的幅度不是非常明显。其原因是因为烟气中的绝大部分SO2和NOX等气体污染物是在炉膛的密相区产生的，产生后的气体污染物在稀相区焦碳粒子的还原作用下开始分解，床料的增加使密相区增大，而稀相区减小，从而导致了污染物排放浓度的增加。但是从总体上看，这种增加的效果不是很明显。

合适的床料高度的选取能够保证炉内燃烧稳定，使燃料燃烧的更加充分，因此，鉴于床料高度对污染物排放影响不大，那么床料高度的选取就应以保证炉内燃烧稳定为主，床料高度太低使得床料不能达到蓄热的目的也不能和入炉的燃料达到强烈搅混的效果，势必影响燃料的燃烧效果，降低锅炉效率。经过分析和结合实际流化床锅炉的运行经验，流化床床料高度的选取应以占炉膛高度的5%为宜。

4 结论

在对褐煤能源利用途径和形式分析基础上结合试验研究与理论分析及工程实践，证明褐煤作为循环流化床锅炉的燃料是合适的。褐煤循环流化床燃烧方式，可以避免在煤粉炉燃烧过程中所暴露出致命的技术问题和成本太高所带来的经济问题，是实现褐煤高效、洁净、经济、合理能源利用的有效途径。

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