高温下混煤燃烧NO生成特性与单煤线性加权比较

陆爱兰，刘睿琼，邵　欢

(1. 国家电网山西省电力公司 运城供电公司，山西运城044000;2. 太原理工大学 电气与动力工程学院，山西太原030024;3. 华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北保定071003)



高温下混煤燃烧NO生成特性与单煤线性加权比较

陆爱兰1，刘睿琼2，邵欢3

(1. 国家电网山西省电力公司 运城供电公司，山西运城044000;2. 太原理工大学 电气与动力工程学院，山西太原030024;3. 华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北保定071003)

摘要：利用自制恒温试验系统，对几种典型煤种混煤试样进行恒定高温情况下的燃烧失重实验，研究了掺混比、温度、煤种等因素对混煤燃烧内部交互作用的影响以及同步NO生成特性。结果表明：混煤在高温下燃烧初期，煤粉失重受到褐煤的抑制作用，但在后期褐煤燃烧产生的热量对混煤失重有明显的促进作用，致使燃烬时刻提前；褐煤掺混比的增加，对混煤前期燃烧的抑制作用加强；随着温度的升高，混煤前期燃烧的抑制时间逐渐缩短，同时后期的促燃时间缩短；掺混煤种的煤化程度越低，燃烧前期的抑制作用就越强，但有利于后期煤粉的燃烬。此外混煤燃烧时NO生成累积量会随着褐煤掺混比的增大而减小；所掺混煤种煤质差异越大，NO生成交互作用越强烈。

关键词：高温；混煤；交互作用；加权方法；NO释放

0引言

由于火力发电的快速发展导致电站用煤与日俱增，煤的运输能力不足，来煤不稳定等因素使得煤粉掺烧成为大多数电站的选择，混煤掺烧技术成为提高电站安全性、经济性、用煤灵活性以及低污染排放研究的关键课题[1-2]。国内外对混煤燃烧及NO生成特性已有诸多研究。Faúndez等[3]通过夹带流反应器对混煤的着火特性进行了研究，表明低阶煤掺混的混煤着火温度与其单煤具有线性可加性，而其他类型混煤的着火温度与其着火温度低的单煤着火温度相近。王春波等[4]利用自制恒温试验台研究了混煤及其单煤的燃烧失重特性，结果表明，掺烧印尼褐煤能使混煤整体平均失重速率增大，燃烬时刻提前，同时整体平均失重速率、初始反应阶段平均失重速率与掺混比具有良好的线性相关性。Xu Yuanguang等[5]通过热天平对混煤失重特性、燃烬时刻及燃烧指数进行了研究，结果表明，混煤在燃烧过程中各种化合物相互作用关系非常复杂，与其单煤几乎不存在线性可加性。Rubiera等[6]利用热天平及携带流反应器研究认为不同煤种混煤的NO排放量由于单煤之间的剧烈制约作用而具有明显的非线性可加性。王永征等[7]通过一维煤粉燃烧试验台研究了混煤燃烧时氮的析出特性，认为NO主要在煤粉的着火过程生成，混煤中各组分煤种氮的析出即相互独立又相互影响且析出曲线一般具有双峰结构。

目前混煤燃烧研究多采用实验结果间比对，但对于混煤内部交互作用的研究存在着一定不足。本文利用自制恒温实验系统，模拟实际炉内的高温燃烧工况，对混煤燃烧及NO生成特性进行研究，通过实验结果与各单一煤种的直接加权计算结果的比较，希望能从混煤交互作用方面更加深入地了解其反应机理，对今后深入研究混煤高温燃烧及污染物排放提供一定的参考，同时为电站实际燃烧提供一定的理论依据。

1实验部分

1.1实验系统与装置

恒温煤粉热重及NO在线测量实验系统如图1所示。该智能温控管式炉能够提供恒定的高温环境，其温度可调范围为700～1 700 ℃，控温精度为±5 ℃，恒温区长度为200 mm。通过数据采集系统对煤粉质量实时变化情况进行记录，记录频率为1个/s。称量精度为±1 mg，相对误差为±0.5%。采用德国RBR公司生产的ECOM-CN型烟气分析仪对NO进行监测。烟气分析仪精度为±1 mg/m3。经过多次实验验证，已证明该系统具有较高的精度和可靠性。

实验采用各单煤的工业分析与元素分析如表1所示，将原煤磨制、筛选粒径范围为120～180

图1　试验装置系统图

μm，并按照单煤质量比进行掺混制得混煤试样。实验时每次称取80±2 mg试样，均匀平铺于长约100 mm，内壁宽约9 mm的刚玉舟内，类似一层单颗粒薄层。通入的空气总流量为0.16 m3/h，校正试验表明，该流量已经能有效地消除反应过程中气体扩散的影响。通过多次重复性实验表明误差在2%以内。

表1　单煤的工业分析与元素分析

1.2实验分析方法

为了更好地描述混煤试样的失重特性，引入以下几个特性参数。

可失重余额量：试样除灰分外剩余的质量与可失重部分质量的比值，即

式中：m0为试样的初始质量；mt为燃烧过程中的瞬时质量；mA为试样中的灰分质量。

燃烬时刻：试样可失重余额量达到2%时所对应的反应时刻。

促燃时间：加权失重曲线燃烬时刻与实验失重曲线燃烬时刻的差值，反映了掺混煤粉对燃烧的促进程度，为正表示促进，为负表示抑制。

采用NO生成累积质量来分析试样燃烧时NO的生成特性，即

式中：ρ(t)为在t时刻气流中对应的NO实际浓度，mg/m3；qv(t)为在t时刻烟气的流量，m3/s。

混煤燃烧动力学的模拟是研究者们极为关注的问题之一，人们希望仅仅依据单煤的燃烧特性曲线，借助某种模型，得到混煤后样品的动力学特性。因此，本文采用较为直接的线性加权方法进行对比分析，从中找出相似相异点，为下一步建立更完善的加权模型奠定一定的基础。加权平均曲线是根据所掺混的两单煤的实验曲线分别乘上各单煤在试样中所占比重得到的线性加权曲线。即

式中：LC为试样的线性加权曲线；x为单煤B在试样中的百分比；LA表示单煤A的实验曲线；LB表示单煤B的实验曲线。

2结果与分析

2.1掺混比的影响

掺混比是直接影响混煤燃烧特性的重要因素，在1 300 ℃恒温条件下，对阳泉无烟煤与新疆褐煤掺混比分别为3∶1，1∶1，1∶3这3种试样进行了空气下恒温燃烧实验，得到可失重余额量随时间的变化情况及通过对两单煤失重曲线加权得到的线性加权曲线，如图2所示。

图2　阳泉无烟煤与新疆褐煤不同掺混比的燃烧失重曲线

由图2可知，随着新疆褐煤掺混比例的增加，试样的实验曲线与线性加权曲线均向左移，这是由于褐煤比例的增加，试样的挥发分含量增多，析出后煤焦形成了大量的新的微孔，有利于氧化剂和氧化产物在煤粒内部孔隙的扩散，从而极大地加快了煤粉燃烧速度[8]。此外，3组不同掺混比的实验曲线与线性加权曲线均存在一个交点，在交点之前，实验曲线比线性加权曲线偏右，而交点之后，实验曲线比线性加权曲线偏左。其原因可能是，相对于低挥发分的阳泉无烟煤而言，新疆褐煤的挥发分含量高达45%，且褐煤比无烟煤热解温度低[9]，在混煤燃烧前期，温度较低，大量的新疆褐煤挥发分析出、燃烧，并消耗掉大量氧气致使混煤焦炭表面的氧浓度降低，出现抢风现象，因此，新疆褐煤挥发分的析出与燃烧对混煤焦炭燃烧产生了一定的抑制作用。而在混煤燃烧后期，由于新疆褐煤挥发分的燃烧产生大量的热使混煤焦炭表面温度升高，从而对混煤失重产生了一定的促进作用，最终使燃烬时刻提前。由图2还可得知阳泉无烟煤随着新疆褐煤掺混比例的增加，实验曲线与线性加权曲线的交点不断后移，其原因很可能是在燃烧前期，由于新疆褐煤的掺混比例增加，大量的挥发分燃烧增加了对氧气的竞争，导致混煤焦炭氧气不足，从而使前期抑制作用加强，因此交点不断后移。混煤的线性加权曲线是由新疆褐煤和阳泉无烟煤各自的燃烧失重曲线加权计算所得，因此线性加权未能体现出燃烧过程中的抑制与促进作用。

2.2温度的影响

为研究温度对混煤燃烧交互作用的影响，对阳泉无烟煤掺混25%新疆褐煤的试样分别进行900 ℃,1 100 ℃,1 300 ℃和1 500 ℃空气下的恒温燃烧实验，得到试样的实验曲线和线性加权曲线，如图3所示。

图3　阳泉3∶1新疆试样在不同温度下的燃烧失重曲线

由图3可知，在900 ℃，1 100 ℃和1 300 ℃恒温下，试样的实验曲线与线性加权曲线的交点随着温度的升高不断前移。推测其原因可能是温度升高，新疆褐煤挥发分析出速率加快，同时高温能使混煤煤焦较早达到着火温度并燃烧，致使褐煤挥发分的析出与燃烧对无烟煤煤焦的抑制作用时间缩短，因此会出现交点不断前移。而在1 500 ℃恒温下，试样的实验曲线与线性加权曲线近乎重合且失重几乎呈线性变化，可能由于环境温度较高，煤焦在较短时间内达到着火点且燃烧剧烈，与挥发分几乎是同时反应，不存在明显的分界。在1 500 ℃高温下，煤焦会发生内部和表面烧结，导致颗粒表面形成致密保护层[10]，同时高温下灰分熔融，矿物质出现迁移，孔隙被堵塞[11]，最终致使褐煤挥发分的析出与燃烧对无烟煤煤焦的交互作用极弱，两曲线近乎重合。此外，由图3还可看出试样随反应温度的升高，其促燃时间不断缩短，可能是因为难燃煤的燃烧受温度影响较大，在高温下，焦炭燃烧速率已有显著提高，新疆褐煤挥发分燃烧产生的热量对后期焦炭的促进作用逐渐减弱，进而造成促燃时间不断缩短。这些现象用线性加权曲线均无法体现。

2.3煤种的影响

由于挥发分对混煤燃烧的交互作用产生一定的影响，在1 300 ℃恒温条件下，选用3种挥发分差别较大的云南褐煤、石景山烟煤和阳泉无烟煤分别掺混25%新疆褐煤进行混燃，得到实验曲线和线性加权曲线，如图4所示。

图4　75%不同煤种掺混25%新疆褐煤的燃烧失重曲线

由图4可知，不同煤种分别掺混25%新疆褐煤的实验曲线与线性加权曲线均存在交点，且随着煤种煤化程度的降低，交点不断后移。其原因可能是，在高温下煤热解的最终失重量随煤化程度的降低而增加[9]，从而产生的挥发分大量增加并燃烧致使消耗掉的氧量增加，对混煤焦炭失重的抑制时间增长，然而线性加权未能具体体现燃烧前期的抑制作用而产生交点不断后移。

由表2可知，随着煤化程度的降低，实验曲线与线性加权曲线的燃烬时刻不断提前，其原因可能是煤化程度降低，结构中的芳环数减少，含氧官能团增多且含有较多的氧桥，致使混煤活性增强，提高了热分解速率[12]，因此减少了燃烬时间。同时可知，烟煤和无烟煤分别掺混新疆褐煤试样的促燃时间随着煤化程度的降低而升高，这很可能是由于挥发分含量高，大量燃烧产生的热量较多，对混煤焦炭燃烧的促进作用增强，燃烬的提前程度增强。但是表中的云南褐煤掺混新疆褐煤的促燃时间却比前两者都低，这可能由以下两方面原因造成的：一方面，因为云南褐煤挥发分含量较高，能够迅速燃烧和燃烬，受到掺混新疆褐煤的促燃作用较弱；另一方面，在燃烧后期焦炭的燃烧是影响燃烬时间的主要因素，由表1的原煤工业分析可知云南褐煤的固定碳不足10%，因此新疆褐煤对试样后期的促燃作用没有较大的体现。

表2　75%不同煤种掺混25%新疆褐煤燃烬参数

2.4掺混比对NO生成的影响

在对失重数据测量的同时，也对燃烧释放的NO累积量进行监测。在1 300 ℃恒温条件下，阳泉无烟煤与新疆褐煤在不同掺混比下的NO生成累积量曲线与线性加权曲线如图5所示。

图5　阳泉无烟煤与新疆褐煤不同掺混比的NO生成特性

由图5可知，随着新疆褐煤掺混比的增加，在燃烧前期NO释放的实验曲线与线性加权曲线均不断左移，且燃烬的拐点同样左移，同时实验曲线比加权曲线更靠前。由于褐煤掺混比的增加能够加快试样的燃烧，加速NO的释放，同时加快试样的燃烬，因此曲线及拐点会不断左移。图5中还可看出燃烧进行了193 s之后，随着掺混比的增加，实验曲线与加权曲线得到的NO累积量均不断降低。首先，煤粉在燃烧前先进行热解，释放出H2，CO，CH4等还原性气体[13]，随着褐煤掺混比的增加，挥发分含量增多，释放出的还原气体增多，促进了NO的均相还原[14]。其次，褐煤大量的挥发分析出后形成比表面积高的多孔性焦炭，对NO的还原能力增强[15]。除此之外，图5中还呈现了另一个明显的特征：随着褐煤掺混比的增加，实验曲线与加权曲线的差别增大，进而推测出增加褐煤的掺混比，混煤试样NO释放的交互作用更强烈。

2.5煤种对NO生成的影响

对不同煤种分别掺混25%新疆褐煤的试样进行NO生成累积量的监测，得到实验曲线与线性加权曲线，如图6所示。

图6　75%不同煤种掺混25%新疆褐煤的NO生成特性

由图6可知，云南褐煤与石景山烟煤分别掺混新疆褐煤的实验曲线自始至终均落后于各自加权曲线，而无烟煤掺混恰恰相反。由于煤化程度的降低，煤粉挥发分含量升高，因此当两褐煤掺混及烟煤与褐煤掺混进入炉膛时，突然置于恒定的高温，大量挥发分析出，导致颗粒内部集聚的应力迅速增加而破碎，使焦炭对NO的异相还原作用大大增强，从而抑制NO的生成，但是云南褐煤的固定碳不足10%，导致抑制作用不明显。而无烟煤挥发分含量极低，在热解过程中无法使颗粒破碎[16]，导致新疆褐煤对其NO生成产生促进作用。图6中另一个显著特征是，随着煤化程度的升高，实验曲线与加权曲线的差别越明显，进而可推测出所掺混煤种差异越大，其内部的交互作用越强烈。

3结论

(1)混煤在高温下燃烧初期，煤粉失重受到褐煤的抑制作用，但在后期褐煤燃烧产生的热量对混煤失重有明显的促进作用，致使燃烬时刻提前。

(2)褐煤掺混比的增加，对混煤前期燃烧的抑制作用加强。掺混煤种的煤化程度越低，燃烧前期的抑制作用就越强，但有利于后期煤粉的燃烬。随着温度的升高，混煤前期燃烧的抑制时间逐渐缩短，同时后期的促燃时间缩短，但在1 500 ℃下对前期燃烧影响较小。

(3)混煤燃烧时NO生成累积量会随着褐煤掺混比的增大而减小；所掺混煤种煤质差异越大，NO生成交互作用越强烈。

(4)由于混煤中各单煤之间强烈的交互作用，采用直接加权方法无法精确地描述高温下混煤燃烧过程，为下一步建立新模型提供了一定的参考方向。

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Comparison Between NO Emission Characteristics of Coal Blends at High Temperature and Linear Weighted by Single Coals

LU Ailan1，LIU Ruiqiong2，SHAO Huan3

(1. Department of Substation Operation, State Grid Yuncheng Electric Power Company, Yuncheng 044000, China；2. College of Electrical and Power Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China；3. School of Energy and Power Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

Abstract：The effects of blending ratios, temperature and coal types on the interaction during the combustion and the generation of the simultaneous NO emission of coal blends were investigated using a customized thermogravimetric analysis system which can measure the burning profiles and simultaneous NO emission capacity at a constant high temperature. The results showed that, in the initial stage of combustion, the weight loss of coal blends was inhibited by lignite which played a significant role in promoting in the later period. In addition, the effect of inhibition became stronger in the initial stage of combustion as burnout time decreased with the increase of lignite ratio in the coal blends. And the resultesare there are the same for blending lower quality coals. It was found that with the increase of temperature, the time of inhibition and burnout has been shortened. Besides, the cumulative emissions of NO declines with the increase of blending ratios. The larger the difference of quality between coal blends is, the stronger the interaction of NO emission becomes.

Keywords：high temperature; coal blends; interaction; weighted method; NO emission

中图分类号:TK161

文献标识码:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.02.010

作者简介：陆爱兰(1968-)，女，助理工程师，研究方向为运行调度与节能，E-mail：329349302@qq.com。

收稿日期：2015-10-07。