高温管式炉煤粉燃烧NO 排放规律研究

乔木森，邵 欢，王春波

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定071003)

0 引言

普通燃煤电厂为保证炉膛内燃烧稳定性，煤粉颗粒能够燃烬，减少不完全燃烧热损失，往往采取提高炉内温度来实现，实际炉膛中燃烧火焰温度可高达1 500 ℃左右，为典型的高温多孔颗粒的气固反应过程，同时煤粉燃烧也释放出大量的污染物，引起系列问题。为了研究实际炉膛中燃烧及污染物NO 的排放情况，国内外学者进行了大量的工作。杨冬等［1］在一维煤粉燃烧实验台研究了单煤及混煤燃烧NOx析出特性，表明煤中的挥发分含量高和含氮量高，NOx排放浓度就高，煤粉越细，NOx排放浓度越小。阎维平等［2］利用高温气体携带炉研究了煤粉细度对燃烧NO 还原效率的实验，显示在不低于1 300 ℃的炉膛温度区间组织再燃过程，可以得到足够的还原效率和燃烬率。陆泓羽等［3］应用热重技术研究了微富氧下不同煤种、不同温度对煤粉燃烧特性影响的差异性。Xu 等［4］认为高温会使煤焦结构更加致密并发生结晶、石墨化导致后期燃烧速率下降。金晶等［5］在一维炉中实验发现，煤种中挥发分的含量、煤中氮含量、煤种中氮的存在结构等影响煤粉NO 的释放。沈跃云等［6］参考实际锅炉运行研究发现煤质及锅炉运行氧量是煤粉燃烧NO 排放的重要影响因素，随氧量的增加，锅炉NO 浓度呈现线性增加。Liu 等［7］利用一维沉降炉研究了温度、煤种对燃烧生成NO 的影响，显示随温度的升高NO 转化率及排放量越高，煤中氮含量高则燃烧排放NO 量大;初始NO 排放随氧气浓度的增加而增加，但当氧气浓度增加到一定量时NO 排放稍有下降。苟湘等［8］采用固定床反应器，研究了烟煤的燃烧过程，显示煤粉燃烧分为挥发分燃烧和焦炭燃烧，挥发分氮是烟煤燃烧形成NO 的主要来源，并说明温度升高，可以提高热解气和焦炭的还原效果，NO 的同相还原和异相还原存在竞争关系。

但国内外学者在恒温固定床中实现高温下(1 100～1 550 ℃)研究煤粉燃烧失重及NO 排放的较为少见，且实验也具有一定的难度。为此，本实验利用国内先进高温管式炉及配套设备对该方面进行了初步的研究。

1 实验系统及样品

实验系统如图1 所示，可实现恒温煤粉热重在线测量及NO 实时监测。主要设备包括:智能温控管式炉、数据采集系统、烟气分析仪、耐高温支架、刚玉舟、导轨等。高温管式炉可提供精准的恒温环境，恒温区200 mm，温度可调范围为900～1 700 ℃，控温精度±5 ℃。采用德国MRU公司生产的Delta2000CD-IV 型烟气分析仪对NO进行监测，测量精度为±1 ppm。煤粉燃烧时，质量变化情况可通过数据采集系统实时传入计算机，数据采集系统由带有RS232C 串口的高精度天平、耐高温支架、数据采集软件组成，称量精度为±0．1 mg。

图1 实验系统图

实验选取4 个煤种，煤粉粒度范围为80～120目，工业分析和元素分析如表1 所示。每次称取80 ±2 mg 试样，均匀平铺于长约90 mm，内宽为8 mm 的刚玉舟内。实验通入气体为空气，通入的气体总流量为0．16 Nm3/h。

表1 原煤的工业分析和元素分析

煤样燃烧特性采用可失重余额百分比β 进行分析。可失重余额百分比等于t 时刻试样剩余质量比上初始质量与灰量之差。

式中:mt为t 时刻试样剩余质量;m0为试样初始质量;m∞为试样灰量。

用NO 瞬时生成量分析煤粉燃烧时的NO 排放特性。NO 瞬时生成量mt，可以直观显示NO 产出的瞬时变化情况。

式中:C(t)为t 时刻气流中对应的NO 的浓度，mg/Nm3;V(t)为t 时刻烟气流量，Nm3/s。

2 结果与分析

2.1 煤种的影响

实验研究高温下煤种对燃烧特性的影响，选用恒温1 450 ℃，结果如图2 所示。

图2 1 450 ℃下不同煤种燃烧特性及同步NO 生成量曲线

图2(a)可以看出燃烧基本可分为两个阶段。煤粉突然置于高温环境，水分和挥发分迅速析出，挥发分迅速着火燃烧，初期失重程度较大，为初始燃烧;然后在进入一个相对缓慢的失重过程，为主燃烧阶段，直至可失重余额为零，燃烧完毕。阳泉无烟煤这两个阶段不明显，而云南褐煤和新疆褐煤可以明显看出两个阶段的光滑过渡。而没有出现程序升温时水分蒸发、挥发分析出燃烧，焦炭燃烧和燃烬比较分明的阶段［9］。推断:煤粉突然置于高的恒温环境，挥发分析出燃烧和焦炭的燃烧存在重叠的共同时间，并没有呈现出程序升温煤粉水分蒸发、挥发分析出燃烧、焦炭燃烧和燃烬比较分明的阶段。这是因为将煤粉突然置于高温环境，煤粉表面升温速率极大，初期挥发分析出、燃烧消耗大量的氧气，焦炭表面的氧量为零［10］，导致焦炭的失重受限，对总失重贡献较少［11］，但随着反应的进行，挥发分析出减少，氧量又充足，由于环境温度一直很高，随即焦炭开始燃烧。表明随煤化程度的增加，这一现象不明显。初期燃烧速率较大，后期焦炭燃烧较为缓慢，速率较小。图2(a)显示4 个煤种主燃烧阶段时间较长，此阶段主要为焦炭燃烧，速率较为缓慢，煤化程度越高这一时间占的比例越大。煤化程度低，挥发分含量高，初期燃烧速率高，着火特性较好。图2(a)可以看出主燃烧过程，可失重曲线并不平行，说明后期焦炭燃烧速率不同，说明挥发分的燃烧影响后期焦炭燃烧过程，挥发分析出后剧烈燃烧导致焦炭表面形成大量孔结构［12］，利于氧气扩散，促进了燃烧反应。

当环境温度低于1 300 ℃时，释放的NO 认为完全为燃料型NO［13］。图2(b)显示NO 瞬时生成量随煤粉燃烧时间都经历了先增后减的过程，且峰值在燃烧过程前期、后期NO 逐渐减小直至恒定为一个特定值。在1 450 ℃有少量的热力型NO 生成，生成量约为2．6 ×10-4mg/s。燃烧初期挥发分释放，此时挥发分氮被环境中充足的氧分子氧化为NO。后期焦炭燃烧缓慢，NO 生成也缓慢，且焦炭颗粒由于温度较高而发生熔结，使空隙闭合［14］，异相氧化作用减弱而焦炭、CO 对NO的还原作用增强，使反应后期NO 排放量减少。图2(b)显示，煤种不同，NO 瞬时生成量不同，云南褐煤和新疆褐煤在燃烧前期有一个较大的峰值，两种煤都含有较多的挥发分，挥发分大量释放被氧化，生成大量的NO。本实验显示挥发分氮是NO 的主要来源。同时可能由于两种褐煤燃烧较为快速，导致NO 生成较为集中。塔山烟煤和阳泉无烟煤煤化程度更大，NO 瞬时生成量峰没有呈现褐煤那样“尖、窄”的形态，释放较为缓和，也证明了以上推断。同时在高温下塔山烟煤和阳泉无烟煤NO 瞬时生成量呈现双峰，表明在后期焦炭燃烧过程中NO 也有一个排放集中阶段。

同时表2 给出截止燃烬时刻时1 450 ℃下NO累积排放量。表2 显示塔山烟煤和阳泉无烟煤的总排放量较大。除云南褐煤，随煤化程度的增加，燃烧排放NO 值增加。对比塔山烟煤与新疆褐煤，两者元素分析氮含量相当，但累积排放量，塔山烟煤远大于新疆褐煤，再对比图2(a)燃烧特性，挥发分的析出严重影响NO 的生成，煤化程度高的煤种难燃，不能形成缺氧还原性环境，焦炭氮比重相对较大，后期焦炭燃烧时氧量充足，难以形成有效地还原性气氛，导致总体NO 排放较多。

表2 NO 累积排放量

2.2 温度的影响

实验选取阳泉无烟煤分析了温度对燃烧特性及NO 排放的影响，结果如图3 所示。

温度是煤粉燃烧的动力。图3(a)显示提高温度可失重曲线逐步向左移动，燃烧速率增加，燃烬时间缩短。从图3(a)可以看出温度由1 150 ℃增加到1 250 ℃时，燃烧失重曲线左移的幅度较大，表明此时燃烧速率增加的幅度较大。推断煤粉燃烧时存在某个温度区间，可以较大程度地改善燃烧性能，这与文献［15］一致。这可能是由于高温下煤焦比表面积随温度的升高，呈现先增大后减小，高温促使煤焦发生烧结，表面光滑致密，孔结构封闭［16］，从而导致失重受限。

图3 不同温度下阳泉无烟煤燃烧特性及同步NO 生成量曲线

温度是影响煤粉燃烧NO 排放的一个重要因素。温度升高，燃烧加剧，氮的氧化提前，NO 平均生成速率加快，NO 释放所需时间缩短。图3(b)所示，温度为1 350 ℃，1 450 ℃和1 550 ℃时，煤粉燃烬后仍有一定量的NO 产生，这部分NO 为热力型NO。当温度为1 550 ℃，热力型NO急剧增加，瞬时生成量约为3．5 ×10-3mg/s。在本试验中，燃烧过程中NO 的释放只出现了“单峰”的情况，而没有出现“双峰”结构。一般认为，“双峰”结构中第一峰值由挥发分着火燃烧引起，第二峰值则与焦炭氮燃烧有关［17］。NO 瞬时生成量峰值基本相同，但随温度提高，瞬时生成量峰值左移，NO 峰值提前，充分说明温度对于NO 排放的影响。温度由1 250 ℃提高到1 350 ℃和1 450 ℃时，后期瞬时生成量减小，表3 给出截止到燃烬时刻阳泉无烟煤在不同温度下NO 累积排放量，显示NO 累积排放量减少。1 550 ℃由于存在大量热力型NO，使得NO 累积排放也较大。但温度加强了热解气体对NO 的同相还原作用和焦炭对NO 的异相还原作用［8］，加强了挥发分和焦炭的分离，进一步加强了NO 的还原。燃烧前期挥发分大量释放、扩散，使得焦炭还原效果不明显，但随挥发分释放量越少，这种影响就不存在了，使得焦炭的还原效果显现。温度为1 550 ℃时，在150 s 时NO 瞬时生成量出现“低谷”也是这一作用效果的证明。

表3 NO 累积排放量

总体上本实验说明在较高温下，提高温度燃料型NO 生成减少，但在高温1 550 ℃时由于热力型NO 迅速产生，使得NO 的排放急剧增加。

3 结论

(1)在高的恒定温度下煤粉燃烧挥发分和焦炭的燃烧存在重叠的共同时间。

(2)随温度提高，燃烬时间缩短，燃烧情况改善，有更多的挥发分析出，煤粉燃烧时存在某个温度区间，可以较大程度地改善燃烧性能。当温度提高到1 550 ℃时，热力型NO 迅速生成，实际生产中应避免局部高温，减少热力型NO 生成。

(3)恒温燃烧实验随煤化程度的增加，NO 累积排放量增大。云南褐煤和新疆褐煤挥发分含量大，同步NO 释放集中，NO 瞬时生成量出现较大峰值。实验显示煤化程度高的阳泉无烟煤和塔山烟煤NO 在焦炭燃烧时有一个峰值，即在焦炭燃烧时NO 也有一个相对集中的释放过程。

［1］杨冬，路春美，王永征．不同种类煤粉燃烧NOx排放特性试验研究［J］．中国电机工程学报，2007，27(5):18-21．

［2］阎维平，高正阳，刘忠，等．煤粉细度对再燃还原烟气氮氧化物影响的实验研究［J］．电力科学与工程，2003，(2):1-4．

［3］陆泓羽，王春波，雷鸣，等．煤粉微富氧条件下燃烧特性的实验研究［J］．电力科学与工程，2011，27(12):45-49．

［4］Xu X C，Chen Q，Hong L．The influence of high-temperature crystallite growth and petrography of pulverized char on combustion characteristics［J］．Fuel，2003，82(7):853-858．

［5］金晶，张忠孝，李瑞阳．煤粉燃烧炉膛沿程NOx释放规律的研究［J］．中国电机工程学报，2006，26(1):35-39．

［6］沈跃云，高小涛，章名耀．1 000 MW 机组锅炉NOx排放浓度与主要运行因数的多元线性回归［J］．电力建设，2011，32(8):18-23．

［7］Liu J X，Gao S，Jiang X M，et al．NO emission characteristics of superfine pulverized coal combustion in the O2/CO2atmosphere［J］．Energy Conversion and Management，2014，77:349-355．

［8］苟湘，周俊虎，周志军，等．烟煤煤粉及热解产物对NO 的还原特性实验研究［J］．中国电机工程学报，2007，27(23):12-17．

［9］鄢晓忠，陈冬林，刘亮，等．煤粉细度对燃烧特性影响的实验研究［J］．动力工程，2007，27(5):682-286．

［10］韩才元．煤粉燃烧［M］．北京:科学出版社，2001．78-104．

［11］孙锐，张鑫，Leungo Kelebopile，等．燃烧中气化半焦孔隙结构特性变化实验研究［J］．中国电机工程学报，2012，(11):35-40．

［12］申峻，王志忠．不同煤阶煤炭化过程中挥发分组成及微孔变化的研究［J］．煤炭学报，2007，32(6):626-629．

［13］谢克昌．煤的结构和反应性［M］．北京:科学出版社，2002．413-423．

［14］李超，乔木森，王春波．固定床中煤粉及煤焦燃烧NO排放特性研究［J］．电力科学与工程，2013，29(9):57-61．

［15］王琦．氧浓度及温度变化影响煤粉燃烧特性的恒温热分析研究［D］．杭州:浙江大学，2008．

［16］周军，张海，吕俊复，等．高温下热解温度对煤焦孔隙结构的影响［J］．燃料化学学报，2007，35(2):155-159．

［17］王萌，吴昊，刘浩，等．O2/CO2气氛下煤粉燃烧NO的排放特性［J］．煤炭学报，2013，38(6):1072-1077．