煤焦燃烧特性与其脱硝效率间的关联实验研究

齐永锋，李正明，徐 亮，张 扬，张冬冬，王妹婷

（扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏 扬州225127）

煤焦燃烧特性与其脱硝效率间的关联实验研究

齐永锋*，李正明，徐 亮，张 扬，张冬冬，王妹婷

（扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏 扬州225127）

采用神木烟煤在高温氮气气氛下制备煤焦，并探讨了不同的氧气体积分数及取样位置下煤焦脱硝与燃烧间的关联.结果表明：煤焦脱硝效能的最大发挥主要可通过再燃区氧气体积分数的调控来实现.当再燃区氧气体积分数低于3.26%时，控制氧气体积浓度在煤焦表面实现表面氧化反应控制下的燃烧状态，能促进煤焦颗粒大幅升温，同时通过限制着火强度可以保证颗粒表面存在氧化反应生成活性点所需的足够氧气，此时适当延迟取样有利于煤焦脱硝效率的提高；当再燃区氧气体积分数高于3.26%时，易导致煤焦进入表面还原反应控制燃烧状态，过多延迟取样则将失去强化脱硝的效果.

煤焦；脱硝；燃烧；表面氧化反应；表面还原反应

燃煤电站锅炉中NOx的生成主要受燃烧过程特性的影响，因此通过控制燃烧过程来降低NOx排放的炉内脱硝技术研究具有重要的现实意义，采用煤粉作为再燃燃料再燃降低NOx的方法已成为炉内脱硝技术的研究热点［1-3］.再燃过程中煤粉裂解析出挥发分的时间非常短暂，因而煤焦有较长的时间对烟气中的NOx进行异相还原，脱硝效能在煤粉再燃过程中起着重要作用［4］.徐亮等［5］发现挥发分含量较高的煤快速热解形成的煤焦具有丰富的孔隙结构，由此推断其吸附反应活性较高. Burch［6］和Chen［7］等在小型流动反应器中以煤粉作为再燃燃料研究了NOx的还原过程，发现在很宽的过量空气系数范围内褐煤异相反应机制对NOx还原的贡献都大于同相反应.Liu等［8］认为烟煤焦对煤粉再燃还原效率的贡献约占40%.由于目前对煤焦异相脱硝反应在影响因素、动力学机制实验以及动力学过程模拟等方面仍存在很多认识上的不足［9-10］，故煤焦脱硝特性对降低燃煤锅炉NOx排放的研究仍须进一步深入.本文首先采用我国燃煤电站使用的典型动力煤“神木烟煤”制备了煤焦，然后分析探讨其脱硝与燃烧过程间的关联，以期通过调控煤焦的燃烧状态促进其脱硝效能的最大发挥.

1　实验方法

煤焦再燃实验系统如图1所示.采用N2，O2，CO2，NO等4种气体配制模拟烟气，其中N2为平衡气体，一维炉尾烟气采用Testo 350PRO烟气分析仪进行测量.选择在1 000℃的氮气气氛下制备的神木烟煤煤焦作为再燃燃料，其分析基数据水分含量为0，灰分为6.59%，挥发分为2.76%，固定炭为90.65%，再燃燃料比例为20%，煤焦在再燃区最大停留时间为1.0 s，再燃区温度为1 000℃.采用水冷取样枪沿炉膛中心轴移动，与烟气分析仪连接测量煤焦在不同停留时间的反应情况，以初始模拟烟气与煤焦燃烧后烟气中氧气体积分数的差值作为氧气的消耗率.

2　结果分析与讨论

图2，3分别给出了煤焦再燃脱硝效率、再燃时氧气消耗率和CO体积分数随再燃区氧气体积分数φ（O2）及取样位置的变化关系.

图1　煤焦再燃实验系统Fig.1 Experimental system for char reburning

由图2可知：1）当φ（O2）≤3.26%时，再燃区耗氧量上升缓慢，甚至会出现由于煤焦中残存的氧气释放而导致耗氧量产生负值的情况，煤焦脱硝效率随φ（O2）的增大呈现上升规律.其原因为：① 煤焦燃烧初期燃烧速率完全受表面氧化反应速率控制，火焰基本停留在颗粒表面，促进颗粒温度大幅跃升，表面氧化反应速率加快，而煤焦的异相脱硝反应速率随温度增加呈指数规律增长，因此φ（O2）=3.26%时的煤焦脱硝效率较高［11］；②在煤焦制备过程中挥发分以“喷射”方式快速释放，导致颗粒表面凹凸较多，孔隙结构发达［7］1968，在表面氧化反应等作用下煤焦表面形成较多的有利于脱硝的自由活性点，这也为其异相还原NO的反应提供了良好的条件. 2）当φ（O2）＞3.26%时，再燃区耗氧量大幅上升，表明该阶段煤焦着火比较剧烈，此时煤焦脱硝效率随φ（O2）的增大而逐渐下降.图2（c）中的CO体积分数曲线的变化规律亦能说明φ（O2）＞3.26%时燃烧比较剧烈，且煤焦表面的氧化反应或CO2还原反应生成的CO气体较多.其原因为：① 随着煤焦燃烧速率的加快，CO燃烧消耗了较多原本可扩散至颗粒表面的O2，表面氧化反应速率迅速下降，此时颗粒周围较高的温度和气相反应生成的大量CO2又促进了表面还原反应的发生；②当颗粒温度很高时表面氧化反应因CO燃烧几乎消耗了全部O2而停滞，燃烧完全被表面还原反应所控制，受O2扩散控制影响，火焰移动至距离颗粒较远的位置，不利于煤焦表面自由活性点的生成［11］1358；③NO的异相分解速率与固定炭燃烧速率相似，在900～1 300 K范围由动力学控制，高于1 300 K时由扩散控制，故此时能够到达煤粉颗粒表面的NO与O2都很少，同时由于煤焦比表面积主要集中于颗粒内表面，受扩散控制能够进入煤焦内部空隙的NO与O2更少，异相还原作用开始减弱［7］1968.

图2　再燃区氧气体积分数对煤焦再燃的影响Fig.2 The influence of oxygen volume fraction in reburning zone on char reburning

由图3可知：1）当再燃区φ（O2）=2.79%时，随着取样位置的延迟，煤焦脱硝效率基本呈持续上升趋势，这是由于此时煤焦燃烧基本受表面氧化反应控制，适当延长再燃煤焦的停留时间将有利于脱硝效率的提高；2）当再燃区φ（O2）=4.66%时，煤焦燃烧剧烈，随着停留时间的延长煤焦脱硝效率增长幅度较φ（O2）=2.79%工况下的小，甚至在后期出现下降趋势.由此表明当煤焦发生剧烈燃烧进入表面还原反应控制阶段时，能够到达煤焦表面用于生成活性点的氧气已经很少，过多延迟取样对提高脱硝效率毫无意义.

图3　取样位置对煤焦再燃的影响Fig.3 The influence of sampling position on char reburning

综上所述，针对燃烧典型动力煤“神木烟煤”的电站煤粉锅炉，通过煤粉再燃技术来降低氮氧化物的排放具有较好的应用前景，特别是可通过控制再燃区氧气体积分数来实现煤焦表面氧化反应控制下的燃烧，促进颗粒升温，同时通过限制着火强度以保证表面氧化所需的氧气，可以最大程度地发挥煤焦脱硝效率.

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Experimental investigation on the correlation between denitration efficiency and char combustion characteristics

QI Yongfeng*，LI Zhengming，XU Liang，ZHANG Yang，ZHANG Dongdong，WANG Meiting
（Sch of Hydraul&Energy Power Engin，Yangzhou Univ，Yangzhou 225127，China）

The experiments on correlation between char combustion characteristic and its denitration efficiency are carried out by using char prepared with Shenmu bituminous coal in high-temperature nitrogen.It is found that the char denitration can full bring into play by regulating oxygen in reburning zone.If the char combustion is controlled by surface oxidation reaction with oxygen volume fraction lower than 3.26%and enough oxygen can reach char surface to generate active points by oxidation reaction with oxygen regulation，the char temperature will increase sharply and the denitration efficiency can also increase with delayed sampling.However，if the char combustion is controlled by surface reducing reaction under high oxygen atmosphere，i.e.oxygen volume fraction is higher than 3.26%，the delayed sampling has no significance for strengthening NOxreduction.

char；denitration；combustion；surface oxidation reaction；surface reducing reaction

TQ 534；X 701.7

A

1007-824X（2015）01-0053-04

（责任编辑 林 子）

2013-11-29.*联系人，E-mail：yfqi@yzu.edu.cn.

国家自然科学基金资助项目（51106133）；江苏省科技支撑计划（社会发展）项目（BE2014682）；江苏省自然科学基金资助项目（BK2010314）；江苏省高校自然科学研究面上项目（10KJB470010，12KJB510032）.

齐永锋，李正明，徐亮，等.煤焦燃烧特性与其脱硝效率间的关联实验研究［J］.扬州大学学报：自然科学版，2015，18（1）：53-56.