高温预热煤粉的无焰燃烧特性

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(1. 中国科学院大学工程科学学院, 北京100049； 2. 中国科学院工程热物理研究所，北京100190)

我国的能源结构以煤炭为主，主要的利用方式为燃烧发电或供热。 作为传统化石能源，煤的燃烧会生成大量的污染物，其中包括NOx。 NOx是造成酸雨的主要物质之一，同时也是光化学烟雾的元凶，对人类的生存环境危害极大[1]。 如何有效控制NOx生成，实现煤的低NOx燃烧，是一个亟需解决的问题。

近年来低NOx燃烧技术发展迅速，NOx排放得到了有效地控制。 随着国家最新环保标准的实施，NOx的排放要求更加苛刻，现有的燃烧技术已无法完全满足减少NOx排放的要求，锅炉的脱硝负荷加重。

无焰燃烧技术是一种新型低NOx燃烧技术，与常规燃烧技术相比，可以有效控制NOx排放[2-3]。无焰燃烧中燃烧区域温度分布均匀且峰值温度低，没有明显的火焰锋面，噪音小且NOx排放少[4-5]。随着无焰燃烧技术的发展，其研究对象从最初的气体燃料[2,6]拓展至固体燃料[7-8]。无焰燃烧又称为高温低氧燃烧，实现无焰燃烧一般需要满足以下条件：1)氧化剂在反应之前被预热到一定的高温或者炉膛被充分预热使得燃烧时炉内任意处的温度均大于燃料的自燃点；2)燃料或氧化剂应进行高速射流,以使燃料和氧化剂被高温烟气充分稀释；3)燃烧反应区中氧气的体积分数小于15%[9]。现阶段固体燃料无焰燃烧的实现方式主要为高温空气燃烧，即利用燃气燃烧或者蓄热体产生的高温低氧空气[10-11]作为助燃空气，或者利用常温空气高速射流卷吸高温烟气来实现无焰燃烧[7，12]，但对于通过燃料预热实现无焰燃烧的方式却鲜有报道。全俄热工研究院( All-Russian Thermal Engineering Institute)曾对煤粉预热技术有过深入的研究，证实该技术高效而稳定[13-14]。中科院工程热物理研究所提出基于循环流化床的新型预热燃烧技术，并进行了大量的实验，表明该技术运行稳定且能将燃料预热至800 ℃以上，超过燃料的着火点[15-17]。本文中在前期研究基础上，利用预热燃烧技术来实现煤粉的无焰燃烧，并对燃料预热无焰燃烧技术中的预热、燃烧及排放特性进行探讨，旨在探索实现固体燃料燃烧中低NOx排放的新途径。

1 实验

1.1 原料

本研究中以陕西神木煤矿产烟煤为燃料，其工业及元素分析收到基(ar)成分见表1。燃料的粒径分布范围为0～100 μm,其中50%切割粒径d50为18.38 μm，90%的切割粒径d90为47.93 μm，其具体粒径分布见图1。

表1 神木烟煤工业分析和元素分析

1.2 装置及过程

本研究中的实验装置为自行设计搭建的30 kW煤粉无焰燃烧实验台，其由预热燃烧器、下行燃烧室及其他辅助系统组成。实验系统的具体工艺流程见图2。

图1 神木烟煤粒径分布Fig.1 Particle size distribution of Shenmu anthracite

1—空压机；2—给料机；3—预热燃烧器；4—下行燃烧室；5—烟气冷却器；6—布袋除尘器；7—水箱；8—烟囱。图2 30 kW煤粉无焰燃烧实验台系统流程Fig.2 Schematic of 30 kW coal preheating combustion test rig

预热燃烧器以循环流化床为设计原型，其由Cr25Ni20制成，并由提升管、旋风分离器、返料器等部件组成。提升管内径为90 mm，高度1 500 mm。一次风从提升管底部供入，风量约为理论空气量的30%。燃料进入预热燃烧器后，在高温床料的作用下迅速着火并部分燃烧，将自身加热至800 ℃以上。煤粉经过预热燃烧器后生成高温预热固体燃料和煤气，统称为预热燃料，并从旋风分离器出口进入下行燃烧室。

下行燃烧室内径300 mm，高度为3 500 mm，其顶部布置有燃料喷口和二次风喷口。 喷口结构见图3，其中预热燃料喷口内径为36mm，位于燃烧室中心； 二次风喷口内径为7 mm，为中心对称布置，位于燃料喷口的两侧。 在距离下行燃烧室顶部500、 1 000、1 500 mm处布置有3层三次风喷口，每层均有单独的阀门和流量计，可根据实验情况进行控制。

图3 下行燃烧室顶部喷口结构Fig.3 Schematic of nozzles

1.3 取样分析

预热燃烧器内布置有5支K型热电偶，分别位于提升管底部、中部、顶部，以及返料器和出口处；下行燃烧室内沿轴线方向合理布置了10支S型热电偶。在预热燃烧器出口处以及在距下行燃烧室顶部150、 400、 900、 1 400、 2 400、 3 400 mm处设置有烟气取样口。 其中预热燃烧器出口气体成分通过气袋收集并由GC7800气相色谱仪(安捷伦科技有限公司)进行分析； 下行燃烧室烟气成分则由Gasmet FTIR DX4000烟气分析仪(芬兰GASMET公司)进行在线分析； 烟气冷却器出口氧含量由Testo烟气分析仪(德国德图公司)进行在线监测。在烟气冷却器出口进行飞灰取样并分析含碳量，用以计算燃烧效率。 下行燃烧室轴向方向共布置了6层观火窗，分别位于下行燃烧室顶部80、 250、 600、 900、 1 200、 1 600 mm处，其中最上的2层观火窗为15 mm × 150 mm的方形结构，下面4层则为内径63 mm的圆形结构。实验过程中利用Ganon G7X相机(日本佳能株式会社)拍摄燃烧室内的火焰燃烧状况，相机参数统一调整为光圈F4，快门速度1/250 s，感光ISO 200。实验过程中的所有取样分析均在系统运行稳定1.5 h后进行，取样过程中系统各测点的温度波动在±4 ℃以内。

1.4 工况

本实验研究中的具体运行工况参数见表2。其中，预热燃烧器空气过量空气系数、二次风过量空气系数分别为通入预热燃烧器的风量及二次风量与煤粉完全燃烧所需理论空气量的比值，预热温度为预热燃烧器出口处的温度。

表2 实验工况参数

2 结果及分析

2.1 预热燃烧器运行特性

预热燃烧器内温度分布随时间变化曲线见图4，其中T1—T4分别是提升管底部、中部、顶部和返料器立管处的温度，T5为预热燃烧器出口处温度。预热燃烧器运行稳定，提升管密相区温度最高，为903 ℃，预热燃烧器出口温度最低，为833 ℃。

图4 预热燃烧器各温度随时间变化曲线Fig.4 Temperature variations over Time in preheating burner

实验过程中在预热燃烧器出口处对预热后的煤气成分取样并通过气相色谱仪进行分析，其分析结果见表3。由表可知，神木烟煤粉预热后的煤气成分主要为N2、H2、CO、CO2等，另有少量的CH4，没有检测到O2及NOx。结果表明，煤气具有强还原性，对NOx的生成有很好的抑制作用。在预热燃烧器出口处对预热后的固体燃料取样并进行工业分析，结果表明挥发分为12.17%，灰分为20.78%。根据灰平衡原理对神木烟煤粉预热过程中的各组分转化率进行计算[18]：

X组分剩余率=样品X含量*原煤灰含量/样品灰含量/原煤X含量，

X组分转化率=1-X组分剩余率。

计算结果表明，经过预热，燃料中挥发分转化率为81.2%，可燃物转化率为52.3%，燃料中的挥发分大部分析出。

表3 煤气主要成分体积分数

2.2 无焰燃烧

下行燃烧室沿轴向的温度分布曲线见图5，其中，三次风由距顶部1 000 mm处喷入。由图可知，下行燃烧室温度最高点位于600 mm处，为1 086 ℃，处于二次风喷口与三次风喷口之间。定义二次风喷口至下行燃烧室1 200 mm处为主燃烧区，该区域温度分布均匀，最大温差仅73 ℃。

二次风冷态流速为27.93 m/s，此时雷诺数为9 400，为湍流状态。由于二次风为高速射流，卷吸下游烟气和三次风，使得主燃烧区内氧化剂与燃料混合均匀，因此导致较为均匀的温度分布，峰值温度也较低。在主燃烧区内，由于预热燃料的强还原性，因此靠近燃料喷口的区域为强还原区，而在其他区域，则是高温低氧弥散反应区。在主燃烧区以外，温度沿着下行燃烧室轴向方向均匀下降，其分布曲线近乎为直线。分析认为，燃烧主要反应发生在主燃烧区，在该区域内，温度空间分布由燃烧放热及系统对外散热共同控制，两者达到平衡，温度分布较为平缓。在主燃烧区以外，由于燃烧反应已经很弱，温度分布受制于系统散热，没有热量补充，因此温度沿轴线稳步下降。

定义Tmean为燃烧区内的空间平均温度，T’为均方根温度波动[20]，

(1)

(2)

经计算得出，下行燃烧室平均温度为964 ℃，均方根温度波动为10.65%。 主燃烧区平均温度为1 063 ℃，均方根温度波动为2.18%。Kumar等[19]认为反应器内温度归一化之后空间温度变化在15%以内的燃烧可以定义为无焰燃烧。本实验中，燃烧室均方根温度波动小于15%，尤其在主燃烧区内，均方根温度波动甚至低于3%，满足Kumar对无焰燃烧的定义。

图5 下行燃烧室轴向温度分布Fig.5 Temperature profile of down-fired combustor

下行燃烧室内沿轴线方向的火焰燃烧图像见图6，其中最上层观火窗紧贴燃烧室顶部。 由图可见，下行燃烧室内部比较通透，整体呈现暗红色，没有明显的火焰锋面。图6a可以清晰地看到燃烧室顶部的燃料喷口和两边对称布置的二次风喷口，证实此为典型的无焰燃烧状况。烟气冷却器出口处飞灰含碳量为9.77%，计算燃烧效率高达98.5%。

图6 沿轴线方向的火焰燃烧图像Fig.6 Flame images of down-fired combustor

2.3 NOx及其前驱物

NH3和HCN是NOx的主要前驱物，对NOx的生成与转化具有重要的影响。下行燃烧室沿程烟气中的NH3、HCN及NOx质量浓度变化曲线如图7所示。由图可知，NH3、HCN及NOx质量浓度沿轴线方向变化趋势相同，在主燃烧区内浓度快速下降，在主燃烧区外则基本保持不变。

a NH3

b HCN

c NOx图7 下行燃烧室轴线方向3种气体质量浓度变化曲线Fig.7 Concentrations of gases along axis of down-fired combustor

NH3和HCN在高温下不稳定，其在富氧条件下易转化为NOx，而在贫氧条件下更易向N2转化[20]。在主燃烧区内，由于氧气弥散分布且浓度较低，因此可认为NH3和HCN主要向N2方向转化。图中显示，NH3在预热燃料喷入下行燃烧室后浓度急剧下降至0。NH3浓度下降速度明显快于HCN，可知，NH3的反应活性更大。在低氧浓度的主燃烧区内，NH3具有一定的还原性，可以促进NOx还原为N2，其参与的主要还原反应[21]为

(3)

(4)

燃料燃烧中生成的NOx主要有3类，即燃料型NOx、 快速型NOx和热力型NOx。 快速型NOx是由空气中的N2与燃料中的自由基反应生成，其主要存在于气体燃料的燃烧过程，在固体燃料的燃烧中生成量极少[22]。 热力型NOx是由空气中的N2直接被氧化生成，其在燃烧温度超过1 300 ℃时才会大量生成[7]。在本研究中，下行燃烧室最高温度为1 086 ℃，远低于1 300 ℃，故热力型NOx的生成量可忽略不计，因此本实验研究中所生成的NOx主要为燃料型NOx。

预热过程中生成的高温煤气具有强还原性，其成分中不含有NOx，但在下行燃烧室150 mm处NOx的质量浓度达530 mg/m3，可知NOx在燃料喷口附近生成。分析认为，预热燃料刚喷入下行燃烧室时与二次风相遇，燃料氮转化为NOx，但由于燃料喷口附近是强还原区，NOx的生成受到抑制，因此NOx并没有大量生成，这对NOx的最终排放影响重大。在主燃烧区的弥散反应区内，由于氧浓度偏低，NOx逐步被还原。主燃烧区以外，燃烧反应减弱，NOx基本不再变化。NOx最终排放质量浓度为134.55 mg/m3，换算成标准值为107.64 mg/m3(@6%O2)。

2.4 CO对NO和NO2的影响其前驱物

沿程烟气中的CO、 NO及NO2沿下行燃烧室轴线方向的浓度变化见图8。 下行燃烧室入口处CO体积分数为11.37%(142 125 mg/m3)，并在燃烧开始时急剧下降，在下行燃烧室400 mm以后基本保持平稳。NO2质量浓度变化趋势与CO相同，从下行燃烧室150 mm处到400 mm区域质量浓度直接由258 mg/m3下降至0，之后不再生成。 NO在150～400 mm范围内质量浓度有略微上升，之后快速下降。

a CO

b NO

c NO2图8 下行燃烧室轴线方向3种气体质量浓度变化曲线Fig.8 Concentrations of 3 gases along axis of down-fired combustor

三者的浓度在主燃烧区外变化不大，可见大部分的燃烧和还原反应均发生在主燃烧区内。 从图中可看出，NO的变化曲线相对NO2较缓，故可知NO的稳定性比NO2好，在大部分的NOx排放中，NO是主要物质。 在燃料喷口附近，NO生成量明显比NO2少，分析认为，预热燃料喷入下行燃烧室后立即与充分的氧化剂接触，此时CO被大量氧化，燃料氮也被迅速氧化为NO2，但由于燃料喷口处CO浓度仍旧较高，是强还原性气氛，NO2并未大量生成，且部分NO2被还原为NO。在下行燃烧室150 mm以后，NO2的还原反应开始占主导，其大量被还原，其中仍有少量NO2被还原为NO，使得NO浓度略有升高。当NO2被消耗殆尽时，NO才开始逐步被还原。尾部烟气中CO浓度为264 mg/m3，此时NO仍有87.75 mg/m3存在。可以认为，相较于NO，NO2容易生成，也容易被消耗，在NO2大量存在的情况下，其优先被还原。故可知，为了实现低NOx排放，首先应在源头控制NO大量生成，其次在燃烧区下游也应尽可能多地促进NO还原。本实验中，由于燃料喷口附近是强还原区，NO和NO2生成量有限，在主燃烧区下游是低氧弥散反应区，有效地促进了NO的还原，因此最终NO排放偏少。

3 结论

本文中采用燃料预热的方法，在30 kW煤粉无焰燃烧实验台上进行了神木烟煤的预热无焰燃烧实验，并对燃烧过程中烟气成分的变化规律展开研究，结论如下。

1)预热燃烧器运行稳定，神木烟煤经过预热燃烧器后可以被稳定地预热至800 ℃以上，且预热后的煤气以N2、CO及CO2等为主，不含有O2和NOx，预热过程中燃料大部分挥发分析出。

2)预热燃料进入下行燃烧室满足无焰燃烧的条件，可以实现稳定的无焰燃烧。燃烧区域温度分布均匀，峰值温度低，温度梯度小，且均方根温度波动小，没有明显的火焰锋面，燃烧效率高达98.5%。

3)NH3和HCN是NOx的主要前驱物，其在主燃烧区内主要向N2转化，有效遏制了NOx的大量生成。NOx在燃料喷口附近开始生成，并在主燃烧区内显著下降，在主燃烧区以外，NOx基本变化不大，其最终排放数值为107.64 mg/m3(@6%O2)。

4)NO2稳定性差，易生成，也易消耗。NO相对稳定，通过抑制源头NO的生成，并严格控制下游反应区氧浓度含量，可以有效减少NOx排放，实现低NOx燃烧目的。