O2/CO2气氛下不同煤质NO排放规律及燃烧特性

李 超

（中国华电集团有限公司 山东公司，山东 济南 250014）

前 言

为进一步减少燃煤燃烧污染物排放，实现国家节能减排目标，华电集团通过改造超临界燃煤机组，加强新工艺和新技术的投入，以降低SO2、NOx、烟尘等的排放。目前基于新技术和新工艺的节能减排研究中，主要集中在两个方面：一是通过数值模拟方式，对燃煤燃烧环境进行模拟优化，包括温度、通风量、风速等。如赵举贵、刘忠，等（2014）采用Fluent模拟燃煤燃烧不同工况，并得到在不同工况下的最优燃煤参数[1]。楚化强（2016）采用Fluent软件模拟，探讨不同气氛和粉煤粒径对燃煤燃烧的影响[2]；二是引入智能算法的方式，如 RBF[3～4]、蚁群等算法[5]对整个机组燃烧进行优化。同时O2/CO2燃烧技术开始日益受到人们的关注，O2/CO2燃烧技术不仅可直接获得高浓度的CO2，更可有效控制燃煤燃烧过程中污染物的排放。研究发现，在O2/CO2气氛下，由于环境的差异使得燃煤的燃烧热值、排放物等与常规燃烧都存在明显的区别，如张恬（2019）通过研究后发现[6]，在不同的O2/CO2气氛之下，燃煤燃烧的火焰温度在50%/50%下温度最高。由此看出，加强O2/CO2气氛燃煤燃烧特性的研究，对实现华电节能减排，减少碳、NO等的排放，具有重要的意义和价值。虽然上述进行了大量文献研究，但O2/CO2气氛下的燃烧规律还需要进一步的揭示。因此，该文尝试以实验的方式探索不同参数下燃煤燃烧及NO排放规律。

1 实验方案

为模拟真实的电厂燃煤燃烧环境，本实验采用图1的恒温热控装置进行试验[7]。在该实验装置中，设置氮气、氧气和二氧化碳气罐营造空气和O2/CO2环境，并通过减压阀调节三种气体的比例，通过管式炉进行加热，并通过炉膛温控系统对温度进行控制；通过刚玉舟实现燃烧温度、燃煤着火点、NO浓度等的采集。

图1 本实验装置Fig.1 The experimental appliance

实验所用煤质选用无烟煤（SH）和烟煤（DT），如表1和表2所示。

表1 煤质元素分析Table 1 The element analysis of coal quality

表2 煤质工业分析Table 2 The industrial analysis of coal quality

2 实验结果与分析

2.1 不同气氛下不同煤质NO排放浓度

根据图1的实验装置，分别设置O2/N2、O2/CO2气氛下的实验环境，实验温度设定为1473K，得到如图2的实验结果。

根据图2和图3的实验结果看出，在O2/N2和O2/CO2两种气氛下，O2/CO2气氛下NOx的排放浓度较小。造成上述结果的原因，是在O2/CO2下直接避免了热力型和快速性燃烧生成NO的过程，并在CO2高密度和大比热下，煤粉中的N向NO的转化率变低。除上述原因外，还与O2/CO2下燃煤燃烧会生成较高浓度的CO，从而加速了对NO的还原，具体反应过程可为[8]：

图2 SH在不同气氛下燃烧NO排放浓度Fig.2 The NO emission concentration of SH combustion in different atmosphere

图3 DT在不同气氛下燃烧NO排放浓度Fig.3 The NO emission concentration of DT combustion in different atmosphere

随着图1中的实验装置中入口O2浓度的增加，气氛中的氧化性能大大增加，使得煤炭中的C类等还原物质被氧化，NH3/HCN等物质则被氧化为NO，这就使得NO的均相还原效率变低。

2.2 燃烧温度对NO排放浓度的影响

在21%O2/79%CO2气氛下，设定五组不同的实验温度，分别为：1273K、1373K、1473K、1573K、1673K，然后用图1实验装置进行试验，得到图4～7的结果。根据上述的结果看出，NO排放的整体趋势与温度变化一致，即随着温度的升高，NO排放浓度不断增加。

随着温度的增加，在21%O2/79%CO2气氛下NO的排放浓度有所增加，只是因为煤质的不同，其增加的范围不等。如SH来讲，NO排放浓度增加幅度较小，而DT烟煤排放浓度增加较多。同时，在O2/N2下随着温度的变化，产生的NO排放浓度要明显高于O2/CO2气氛下NO排放的量。另外，研究发现温度对燃煤燃烧产生NO的影响因素很多，如与煤质自身的特性，以及与过程燃烧/氧气的化学当量等有很大的关系。本实验的结果表明，较高的燃烧温度可提高燃煤的燃烧率，也提高了NO的排放浓度。而在O2/CO2燃烧气氛下，高浓度的CO2使得粉煤表现出较低的燃尽水平，也使得燃煤中的N向NO转化的可能性降低，进而使得在O2/CO2环境下燃煤NO浓度相对于O2/N2气氛下产生的NO排放浓度要小。同时在O2/CO2气氛下，随着燃烧温度的不断增加，燃煤中的N以及其他含N组分快速向NO转化，但是高温加剧了CO2对煤的气化作用，进而加快了CO和NO的反应，最终使得NO的浓度减少。

图4 O2/CO2下温度对SH燃烧NO排放的影响Fig.4 The effect of temperature on the NO emission of SH combustion in O2/CO2atmosphere

图5 O2/N2下温度对SH燃烧NO排放的影响Fig.5 The effect of temperature on the NO emission of SH combustion in O2/N2atmosphere

图6 O2/CO2下温度对DT燃烧NO排放的影响Fig.6 The effect of temperature on the NO emission of DT combustion in O2/CO2atmosphere

图7 O2/N2下温度对DT燃烧NO排放的影响Fig.7 The effect of temperature on the NO emission of DT combustion in O2/N2atmosphere

2.3 氧气含量对NO排放的影响

以SH为例，分别测量O2浓度在5%、10%、15%、20%、30%和40%下，温度为1473K时的NO排放浓度，得到如图8和9的结果。

图8 1473K与O2/N2气氛下不同氧气浓度对NO瞬间释放量的影响Fig.8 The effect of different oxygen concentrations on the NO instantaneous release at 1473k in O2/N2atmosphere

图9 1473K与O2/CO2气氛下不同氧气浓度对NO瞬间释放量的影响Fig.9 The effect of different oxygen concentrations on the NO instantaneous release at 1473k in O2/CO2atmosphere

根据图8和图9的整体变化趋势看出，SH在燃烧的过程中，随着氧气浓度的升高，NO排放浓度随着氧气的增加而增加，且浓度越大，NO的瞬时释放量越大。之所以出现这样的结果，是因为氧气浓度的增加，促使O2与N官能团结合，在短时间之内提高了NO的转化率。在这个过程中，氧气浓度随着化学反应迅速降低，此后又逐步恢复，形成新的高含氧量环境，促使出现第二波NO排放高峰。

但是根据上述结果可以看出，SH在燃烧的过程中，在O2/CO2气氛下NO的释放相对要慢于O2/N2气氛下的NO释放量，一个主要的原因是在O2/N2气氛下含有大量的N元素，进而加快了氧和氮的结合，加快了 NO 的生成[9～11]。

2.4 不同气氛下不同煤质的着火温度

为找到DT和SH的着火温度和燃尽温度，更好地促进不同煤质的燃烧，采用TG-DTG法进行测量，从而得到图10的结果。

图10 不同煤质在不同气氛下的着火温度Fig.10 The ignition temperature of different coal quality in various atmosphere

从上述结果看出，与O2/N2气氛相比，O2/CO2气氛下的煤质的着火温度、燃尽温度等都要明显高于前者，其燃尽时间也较长。出现该问题的主要原因，是随着燃烧的进行，在容器中产生大量的CO2，这在一定程度上抑制了燃煤的燃烧[12]。同时CO2吸热能力强，进而使得燃煤在燃烧中热量被大量吸收，最终使得产物扩散速率变慢。由此，综合上述两方面的原因说明，虽然在富氧燃烧的条件下，CO2可以取代空气中的氮气，但是从总体时间来看，不利于燃煤的着火和燃尽，甚至在一定程度上会抑制燃煤燃烧。同时在O2/CO2气氛下，DT和SH随着含氧量的增加，着火温度在下降，即在一定程度上提高氧气浓度可增加燃煤的燃烧性能，降低燃煤着火温度。对SH来讲，当氧气体积在20%～30%时，其着火温度下降显著，继续增大氧气体积，逐步趋于平稳。该结果表明，随着氧气浓度的增加，SH燃烧改进不明显。

综上看出，伴随着氧气浓度的增加，可有效改善燃煤燃烧，降低着火温度。考虑到两种燃煤的燃烧效率，可将氧气的体积控制在30%～40%的区间范围内。

2.5 不同气氛下燃煤的综合燃烧特性

为进一步比较不同煤质的综合燃烧特性，促进不同煤质的燃烧，选择综合燃烧特性指数S来比较，具体计算公式为：

式中，T表示温度，t表示时间，表示在i时刻的温度表示着火温度下的燃烧速率表示最大失重速率表示平均燃烧速率，R、E分别表示气体的反应常数和反应活化能，S表示整体燃烧性能。

根据上述的计算，分别统计不同气氛和不同氧气浓度下的燃煤着火温度等参数，从而得到如图11的结果。

图11 不同氛围下燃煤燃烧特性指数Fig.11 The combustion characteristic index of coal in different atmosphere

根据结果看出，无烟煤的整体燃烧特性要小于烟煤，表明烟煤的燃烧性能最佳。因此，需要提高无烟煤的燃烧特性，需要在无烟煤中添加更多提高燃烧特性的物质。

3 结论

通过以上研究，得出以下几点结论：

（1）在相同温度下和不同燃烧气氛下，不同燃煤在O2/CO2气氛下燃烧释放的NO要明显低于在O2/N2气氛下燃烧释放的NO；随着温度的升高，在O2/CO2气氛下燃煤NO释放浓度逐步升高；在O2/CO2气氛与在O2/N2气氛下，随着氧气浓度的增加，NO的瞬间排放量增加，但是整体来讲，O2/N2气氛下NO排放量要大于O2/CO2气氛下的排放量。

（2）在相同燃烧气氛下，烟煤的着火温度要明显小于无烟煤的着火温度。而在不同气氛下，燃煤燃烧的着火温度要高于O2/N2气氛；

（3）在相同氛围下，不同煤质在O2/CO2气氛的燃烧特性表现为SH要小于DT。而根据上述的燃烧特性值，建议在实际燃烧中，将氧气的浓度设定在30%～40%较为适宜。