煤粉气流床气化炉预热燃烧特性及NOx 排放试验研究

谭厚章 ， 王肖肖 ， 周必茂 ， 周上坤 ， 王毅斌 ， 王学斌

(西安交通大学 热流科学与工程教育部重点实验室, 陕西 西安 710049)

在“双碳”目标下，火电所占份额正逐渐减小，新能源发电逐步崛起。然而以煤炭为主的能源禀赋决定了在未来很长一段时间内我国仍离不开煤电[1-2]，煤炭直接燃烧会造成严重的环境污染，其中NOx是最难处理的污染物之一[3]。同时，为有效配合新能源，火电厂未来需要发挥灵活调峰作用，要求调峰负荷降至20%以下，低负荷下稳燃是最大问题。煤粉预热燃烧技术是一种变革性清洁、高效燃烧技术，具有燃料适应性强、燃烧效率高、NOx排放低、负荷调节灵活等优点[4]。与传统燃烧方式相比，预热燃烧技术特点为：煤粉首先在预热室中与少量空气发生热解、部分燃烧和气化，将自身预热至高温，高温预热燃料进入炉膛后遇到氧气后会立即着火，这可解决低负荷稳燃问题；同时，在预热室内煤中大部分挥发分氮和部分焦炭氮释放到气相中，在强还原性气氛下大部分转化为N2，少量转化为含氮中间产物(HCN、NH3)，从而降低燃烧过程中NOx生成；预热燃料进入燃烧室燃烧，通过合理的配风方式，控制气固混合强度和燃烧温度，实现高效燃烧与低NOx排放协同[5-6]。

20 世纪80 年代，全俄热工院首先提出了天然气辅热煤粉预热燃烧技术，美国燃气技术研究所在0.88 MW 测试炉上进一步完善，研究结果表明没有燃烧后处理的条件下，NOx排放质量浓度可降至154 mg/Nm3[7-8]。LIU 等[9-11]开发了煤粉低温预热燃烧系统，并研究了煤种、烧嘴结构、空气分级等因素对NOx排放的影响，但实验中仍需要燃气辅热。燃气辅热会对该技术大规模工程化应用经济性造成影响。吕清刚等[12]提出了循环流化床预热燃烧技术，其特点是预热过程不需要辅热，并在35 kW 实验台上开展研究。随后又建立了0.2、2 MW 等一系列中试预热燃烧实验平台[4]。欧阳子区等[13-14]在35 kW 实验台上探讨了预热温度、循环流化床空气当量比、下行燃烧室配风等因素对煤粉预热和燃烧特性以及NOx排放影响。LIU 等[15]研究了无焰燃烧模式下预热燃料在下行燃烧室燃烧特性和NOx排放特性。ZHU 等[16]研究了煤种、预热温度、粒径对NOx排放的影响。以上研究均证明预热燃烧技术具有良好降氮效果。

虽然循环流化床预热燃烧技术在预热过程不需辅热，但在其工程化过程中也存在一些缺点，如体积大、造价高、结构复杂、压降大等[17]。同时，受限于流化床自身特点，预热温度未超过1 000 ℃。已有研究[18-19]表明，煤热解过程温度越高，挥发分析出越多，氮析出越多。在两段电炉串联组成的沉降炉试验系统上，吕钊敏等[20]研究了更高预热温度( > 1 000 ℃)下半焦预热燃烧NOx排放特性，结果表明提高预热温度( > 1 000 ℃)能够进一步降低NOx排放。王帅等[21]研究表明，提高预热区温度和停留时间，有利于煤N在预热阶段析出，从而降低NOx排放。气流床气化炉气固混合强烈，传热传质效果好，通过特殊流场，气固能够达到较长停留时间[22-26]，具有结构简单、体积小、压降小等优点。若预热燃烧技术应用到现有大型煤粉锅炉，需增加预热解气化炉及输送高温煤焦管道，现有大型煤粉锅炉四周空间很小及附加承重有限，难以安装尺寸大及质量大的流化床气化炉或其他气化装置，相比而言，笔者提出的新型对冲气流床气化炉的预期结构尺寸及设备质量均具有较大优势。为了加速预热燃烧技术工程应用并减少NOx排放，在自行搭建的新型气流床气化炉预热燃烧实验台上开展了烟煤预热燃烧实验，分析实验系统稳定性和可靠性，研究了煤粉在气流床气化炉高温预热特性和预热燃料在下行燃烧室的燃烧特性，探究了煤中氮元素在高温预热和燃烧过程中的迁移规律。

1 实 验

1.1 实验系统

煤粉气流床气化炉高温预热燃烧系统如图1 所示。该系统由用于煤粉预热的气流床气化炉、用于预热燃料燃烧的下行燃烧室以及辅助系统(包括点火系统、给粉系统、给气系统、高温烟气冷却和除尘系统、烟气在线分析系统等)等3 部分组成。气化炉炉膛为莫来石，外侧包裹250 mm 保温棉，以最大限度减少热损失。顶部安装一个点火燃烧器和一个视窗，分别用于开工点火和观察炉内燃烧状态，点火燃烧器在煤粉着火稳定后关闭。在气化炉中上部位间隔90°布置4个烧嘴，每个烧嘴有2 个通道，中心通道通入煤粉和气化炉一次风，间隙通入气化炉二次风，如图2(a)所示。气化炉总空气量占煤粉完全燃烧所需空气量的25%～50%，提供煤粉热解、部分燃烧和气化所需空气，释放的热量将煤粉快速预热至高温，同时保证气化炉温度稳定。气化炉出口为高温半焦和含有可燃气的烟气(CO2、H2O、CO、H2、CH4、N2等)组成的高温气固混合物，称为预热燃料。预热燃料通过燃烧室燃烧器喷入下行燃烧室燃烧。下行燃烧室直径340 mm，高3 500 mm，炉胆材质为莫来石，外侧包裹200 mm保温棉。下行燃烧室顶部布置一个燃烧器，如图2(b)所示。燃烧器内二次风在燃烧器腔体与预热燃料直接混合，外二次风有2 种方式喷入：一种是通过燃烧器间隙通道喷入，另一种是通过燃烧室顶盖均匀布置的4 个喷口喷入(图2(b))。燃烧室炉体沿侧壁安装5层三次风喷口，第1 层安装在距离顶部300 mm 处，其余间隔300 mm 均匀布置，每层三次风喷口间隔90°布置4 个喷口，研究空气分级对预热燃料燃烧特性的影响。燃烧后的烟气和煤灰混合物在燃烧室底部排出，经水冷换热器冷却至150 ℃以下后进入布袋除尘器除尘，排入大气。

图1 气流床气化炉高温预热燃烧工艺流程Fig.1 Schematic diagram of the high-temperature preheating combustion of the entrained-flow gasifier

图2 气化炉烧嘴和下行燃烧室燃烧器结构Fig.2 Burner structure of the gasifier and the DFC

气化炉上垂直布置7 层测点，每层有2 个温度测点、1 个取样口和1 个探火孔，布置方式如图2(a)所示。测点距气化炉顶部距离分别为120、290、370、450、620、920、1 220 mm，分别命名为Tg1、Tg2、…、Tg7。在气化炉和下行燃烧室中间连接段分别布置1个热电偶和1 个预热燃料取样口，命名为Tg-c，用于分析气化后的高温半焦和煤气。下行燃烧室布置10 层测点，每层对置布置1 个温度测点和1 个取样口，第1 测点距离燃烧室顶部150 mm，其余测点间隔300 mm轴向布置，分别命名为Tc1、Tc2、…、Tc10。燃烧室的每个取样口均可切换成探火孔。下行燃烧室底部出口布置1 个热电偶测点和1 个飞灰取样口，用于分析燃烧后烟气成分和燃尽率。

1.2 煤质和实验工况

实验所用煤样为神木烟煤，其工业分析和元素分析见表1，其氮元素质量分数为0.87%，挥发分为33.54%，煤粉粒径分布如图3 所示，粒径为1～140 μm，煤粉颗粒累计占比10%、50%和90%的粒径分别为12、43、101 μm。实验工况见表2，给煤量为6 kg/h，一次风率为0.39，总过空气系数为1.07。实验中气化炉4 只烧嘴均向同侧偏转3°，气化炉内空气均由气化炉烧嘴中间一次风喷口喷入。燃烧室二次风由燃烧室顶部4 个等间距布置喷嘴喷入，燃烧室三次风由距燃烧室顶部1 500 mm 的第5 层三次风喷入。实验过程中煤中各元素转化率通过灰平衡法计算得出[15,17,27]，某组分转化率Cx为

表1 煤粉工业分析和元素分析Table 1 Proximate and ultimate analyses of the pulverized coal

表2 实验条件Table 2 Operating condition of the experiment

图3 试验所用煤粉粒径分布Fig.3 Particle size distribution of the pulverized coal

式中，A1和A2分别为原煤和预热半焦灰的质量分数；X1和X2分别为原煤和预热半焦中组分X的质量分数。

2 实验结果与分析

2.1 系统运行特性

图4 为气化炉和下行燃烧室正常运行时压力和温度随时间的变化。从图4(a)可以看出，工况稳定时，气化炉内压力为-40 Pa 左右，燃烧室内压力为-75 Pa左右，压差仅35 Pa，且气化炉和燃烧室压力随时间的波动均很小，不超过10 Pa，说明气化炉可为燃烧室提供稳定流量的预热燃料。循环流化床预热气化过程压降较大，一般可达1～2 kPa[14]。从图4(b)可以看出，在系统运行过程中气化炉和燃烧室内典型位置的温度稳定性均较高，温度波动不超过10 ℃。说明气流床气化炉预热燃烧系统可持续稳定运行，本实验设计的气流床气化炉可将煤粉在低空气当量比下预热至高温，为燃烧室持续稳定地提供高温预热燃料，预热燃料可在下行燃烧室稳定燃烧。

图4 压力和温度随时间变化Fig.4 Pressure and temperature drop variations with time

2.2 预热后燃料特性

图5 为气体温度沿气化炉轴线分布，其中轴线距离为1 500 mm 处代表气化炉和燃烧室连接段位置(Tg-c)，即气化炉出口温度。气化炉内高温区主要集中在烧嘴平面附近，气流沿烧嘴平面向上或向下温度均逐渐降低。热电偶测得气化炉内沿轴线最高温度为1 115 ℃(Tg3)，位于4 股空气射流汇聚的烧嘴平面中心，但气化炉内最高温度可能高于此温度，因为最高温度区应位于氧气消耗的燃烧区，即烧嘴射流区。这主要是因为一次风中O2射流进入炉膛后迅速与射流卷吸的CO、H2、CH4以及析出的挥发分、焦炭迅速燃烧，释放大量热[26]。此外，实验过程中沿气化炉中心轴线均未检测到O2，说明气化炉内O2消耗很快，一方面是由于燃烧反应时间在2～4 ms[28]，远小于组分混合时间(～0.1 s)[29]；另一方面O2快速消耗得益于气化炉4 个烧嘴独立偏转3°布置，其优点在于单个烧嘴喷入的O2发生氧化反应时不但可为其他烧嘴射流提供加热冷空气和煤粉所需热量，而且还可提供大量自由基催化氧化反应发生[26,30]。此外，4 股射流相互撞击可为均相和非均相反应提供强烈湍动和混合。由于气化反应持续发生，烧嘴平面向上向下温度均逐渐降低，Tg2和Tg3、Tg1和Tg5位置与烧嘴平面距离相同，但Tg1和Tg2温度分别高于Tg3和Tg4，这主要是由于在重力作用下烧嘴平面下方焦炭颗粒质量浓度相对较高，C(s)与H2O、CO2发生气化反应吸收热量[31]。由图5 还可以看出，气化炉出口温度可达850 ℃，这与循环流化床预热工艺相同，即2 者均可在低空气当量比下为燃烧室持续稳定地提供高温预热燃料，2 者不同之处在于循环流化床内温度分布均匀，没有明显的温度梯度[13,15-16]，而气流床气化炉内温度梯度较大。

图5 气化炉内温度分布Fig.5 Temperature profiles along the axis of the gasifier chamber

图6 为气化炉内沿着轴线CO、H2、CH4的体积分数分布。气化炉内CO 体积分数达12 %以上，H2体积分数达8%以上，2 种组分在烧嘴平面附近体积分数最低，随着气化反应的进行，体积分数沿轴线逐渐升高，而CH4体积分数在烧嘴平面达到最高，这主要是因为CH4主要来自煤挥发分析出，气化反应C+2H2- --→CH4速率很低[25]。

图7 为气化炉内主要含N 气相组分沿轴线分布。煤中氮元素主要以芳香氮形式存在，脱挥发分过程中重碳氢化合物、芳香族化合物和大部分挥发性氮会同时释放出[28]。由于气化炉烧嘴平面温度较高，使挥发分N 迅速从煤中释放，杂环N 迅速裂解成为—CN和—N，并与—H、—C、—O 等自由基结合，反应生成大量HCN、NH3、NO 等。但沿气化炉轴线未检测到NO，这主要由于气化炉内的强还原性气氛使NO 生成后会被迅速还原。NH3体积分数在烧嘴平面最低，HCN 则在烧嘴平面浓度最高。图8 为Smoot 和Haynes 提出的煤N 转化机制[28-29]，早期热解时先生成HCN，而烧嘴平面区域剧烈的燃烧、气化反应会生成大量的OH 和H 自由基，可将HCN 转化为NH3，NH3进一步被氧化为NO 和N2，在贫氧条件下NO 可被Char 还原为N2，这与本实验结果吻合。

图7 气化炉内含N 组分沿轴线分布Fig.7 Distributions of N-containing components along the axis of the gasifier chamber

图8 煤N 转化机制Fig.8 Coal N conversion mechanism

表3 为气化炉出口高温半焦的工业分析和元素分析，各组分转化率通过式(1)计算得到。经预热后，原煤中96.33%的挥发分和40.23%的固定碳转化到气相高温煤气中，表明几乎全部挥发分在预热阶段得到转化。一方面气化炉主反应区烧嘴平面温度较高，有利于挥发分析出和气化反应发生；另一方面4 个烧嘴偏转3°布置，炉内会形成回流区，有利于延长颗粒停留时间。由表3 还可以看出，经气化炉预热后煤N转化率可达69.74%，仅有30.26%的N 元素保留在剩余半焦中，由于挥发分几乎全部转化，说明剩余N 元素在燃烧室内主要以焦炭N 形式释放。此外，H 和O元素转化率均高达96%以上，几乎全部转化。

表3 高温半焦工业分析和元素分析以及各组分转化率Table 3 Proximate and ultimate analysis of high temperature char and the conversion rate of each component

表4 为气化炉出口高温煤气的主要可燃成分，CO 和H2干基体积分数分别高达13.15%和8.72%，有利于预热燃料进入燃烧室后迅速着火并稳定燃烧，改善预热燃料着火。气化炉出口未检测到NO 和NO2，主要含N 组分为N2、NH3和HCN，与OUYANG[13]和ZHU[16]等采用循环流化床预热煤粉的研究结果相似。表4 中NH3和HCN 质量浓度分别为629.91、131.38 mg/Nm3，说明预热过程中大部分煤N 转化为N2，这有利于控制系统NOx排放。

表4 气化炉出口煤气成分分析(干基)Table 4 Coal gas compositions at the outlet of the gasifier (dry)

煤粉在气流床气化炉高温环境下快速预热，释放大量挥发分，发生部分燃烧、气化反应，引起煤粉颗粒膨胀、破碎和孔隙结构、孔径和反应活性等变化。因此，对原煤和预热半焦进行粒径分布、非等温热重分析、BET 比表面积分析，研究气流床气化炉快速预热对煤粉颗粒特性的影响。由图9 可以看出，预热半焦颗粒粒径明显小于原煤，原煤50%切割粒径d50为43 μm，而预热半焦颗粒d50为24 μm，主要是由于原煤在气化炉内高温下迅速升温，发生挥发分析出、燃烧和气化反应过程中产生较大热应力，导致原煤颗粒发生热破碎。欧阳子区等[13]采用循环流化床预热无烟煤也得到了类似结果。

图9 原煤和预热半焦粒径分布Fig.9 Particle size distributions of raw coal and preheated char

利用热重分析仪，分别对原煤和预热半焦进行燃烧动力学分析，如图10 所示。热重实验反应升温速率为20 ℃/min，终温为1 000 ℃。由图10 可知，原煤和半焦燃尽时间分别为21.25 min 和15.55 min，而燃尽温度分别为725 ℃和692 ℃。采用TG-DTG 方法[32]求得着火温度，原煤着火温度为439 ℃，而预热半焦着火温度为492 ℃，虽然原煤预热过程挥发分几乎全部析出，但半焦着火温度比原煤仅高53 ℃。从图5 可知，预热后半焦温度为850 ℃，明显高于其着火温度，说明半焦进入燃烧室遇到氧气后可立即着火。

图10 原煤和预热半焦热重分析Fig.10 TG and DTG analysis of raw coal and preheated char

表5 为原煤和预热半焦颗粒特性对比，原煤BET比表面积仅为4.05 m2/g，而预热半焦比表面积可达216.44 m2/g，为原煤的53.44 倍。这主要是因为煤粉在气化炉中大量挥发分从孔隙析出，造成颗粒内部和表面出现较多孔洞。由表5 还可以看出，经预热后颗粒总孔体积大幅度增加，平均孔径和最可几孔径减小，说明预热后颗粒微孔增多，气固反应接触面积增大，利于燃烧过程中焦炭表面产生更多可还原NO 的自由基。结合预热前后颗粒比表面积、孔容积、燃尽时间和燃尽温度的变化，说明经气化炉预热后颗粒燃烧特性得到改善。

表5 原煤和预热半焦颗粒特性对比Table 5 Comparison of particle characteristics between raw coal and preheated char

2.3 预热燃料燃烧特性

图11 为下行燃烧室温度分布。燃烧室内无明显升温过程，距燃烧室顶部150 mm 处第1 个测点温度高达1 250 ℃，说明高温预热燃料与二次风相遇后迅速燃烧释放了大量热，这主要是因为高温预热燃料中含有大量CO、H2和CH4，与O2的燃烧反应属于均相反应，相对于异相反应更易进行，且反应速率快。从图12 也可以看出，CO、H2和CH4进入燃烧室后迅速被消耗，至三次风喷入前H2和CH4几乎被消耗完，而CO 还剩余2.8 %，说明三次风喷入前燃烧室内为强还原性气氛，不利于NO 生成。燃烧室最高温度为1 283 ℃，低于1 500 ℃，热力型NOx可忽略，而快速型NOx在煤燃烧中几乎不存在[33]，可以推断燃烧室NOx主要为Char-N 释放和煤气中含N 气相组分NH3、HCN 转化。KUMAR 等[34]将温度波动低于15%的燃烧模式定义为无焰燃烧，一般通过高速射流空气或高温预热燃料实现，其特点为温度分布均匀、无明显火焰锋面、燃烧效率高且NOx排放低[15]。定义燃烧室顶部和三次风喷入位置之间为主燃区，计算可知主燃区温度波动仅为11.54%，可判断本实验过程燃烧室主燃区实现了高温预热燃料无焰燃烧。

图11 下行燃烧室温度分布Fig.11 Temperature profiles along the axis of the DFC

图12 下行燃烧室可燃气体分布Fig.12 Main gas components profile along the axis of the DFC

图13 为燃烧室内沿轴线主要含N 气相组分分布。由图13(a)可以看出，高温预热燃料中NH3初始质量浓度较高(629.91 mg/Nm3)，但进入燃烧室后迅速降低。NH3中N 在氧化性气氛下最终与O 结合生成NO(式(2)～(4))[14]；在还原性气氛下会转化为N2(式(5))[16]。由于主燃区内为还原性气氛，且温度很高，可推断进入下行燃烧室NH3中的N 元素转化产物为N2，NH3首先会转化为NH2。三次风喷入后NH3体积分数接近0，且之后不再增加，说明燃烧室内Char-N 析出后不向NH3转化。

图13 下行燃烧室含N 组分沿轴线分布Fig.13 Distributions of N-containing components along the axis of the DFC

氧化性气氛：

还原性气氛：

高温条件下HCN 不稳定，其反应机理复杂，一般认为，在还原性气氛下可被氧化成N2、在氧化性气氛下可被氧化成NO(式(6)、(7))。高温预热燃料中HCN 质量浓度为131.38 mg/Nm3，图13(b)显示HCN进入燃烧室后迅速被消耗完，可推断HCN 中N 的主要转化产物为N2。随后HCN 体积分数略有增加，主要是因为高温下预热燃料中Char-N 析出后少量转化，三次风喷入后又被消耗完。

由图13(c)可以看出，在喷口附近大量N2O 生成，这与LIU 等[15]研究结果类似。N2O 可通过均相或非均相反应生成，均相反应为NH3和HCN 与二次风中O2反应生成的自由基OH、O 等结合形成；SOETE[35]认为，N2O 非均相反应主要是焦炭表面吸附O 形成C(NO)，C(NO)进一步与C(N)或NO 反应生成N2O。在燃烧室1 200 ℃以上高温条件下N2O 极不稳定，易分解，因此从第2 个测点后几乎未检测到N2O。

由图13(d)可以看出，预热燃料进入燃烧室后，与二次风反应过程中有少量NO2生成(式(8))，这主要与主燃区存在一些较强的活性自由基HO2、H 等有关，HO2对NO2的生成有重要作用。

由于气化炉内强还原性气氛，进入燃烧室的预热燃料中不含NO。由图13(e)可以看出，在三次风喷入前，无NO 生成，说明预热燃料中NH3和HCN 在主燃区的转化产物为N2。这主要是因为经气化炉预热后高温预热燃料中含有大量CO、H2、CH4等还原性组分，同时焦炭颗粒具有发达的孔隙结构和较大的比表面积，焦炭与O2接触后会产生大量活性基Cf。高温预热燃料与O2接触后，优先发生均相燃烧反应，而焦炭与O2的异相反应相对缓慢，研究表明焦炭对NO的异相还原占主导地位[14,36]，CO 的存在显著改善NO 还原动力学[37]。燃烧室主燃区存在大量CO，因此预热燃料中N 与O2生成的NO 会被迅速还原为N2(式(9)～(11))。

式中， C∗为活性基点。

三次风喷入后NO 体积分数迅速达到最大值，之后小幅减小，说明生成的NO 主要来自Char-N 的转化。焦炭中剩余N 向NOx转化过程非常复杂，WINTER 等[38]认为Char-N 首先以HCN 或CN 形式释放，之后转化为NO。THOMAS 等[39]给出了含氮官能团的异相氧化过程(式(12)～(13))。

表6 为燃烧室出口排放情况和燃烧效率。由于燃烧室温度较高，燃烧室出口CO、NOx排放质量浓度分别为8.17 mg/Nm3(6% O2)和143.02 mg/Nm3(6% O2)。燃烧室出口飞灰含碳量为2.7%，计算得出本实验燃烧效率为99.75%。这是因为经气化炉高温预热后，原煤中固定碳和挥发分转化率分别高达96.33%和40.23%，根据灰平衡法(式(1))计算得到进入燃烧室焦炭质量流量为2.47 kg/h，且温度高于半焦着火点，说明进入燃烧室的高温半焦与O2接触立即燃烧，这区别于存在煤粉加热、水分蒸发、挥发分脱除、焦炭燃烧的常规煤粉燃烧。同时高温煤气中含有大量可燃组分CO、H2和CH4，气相燃烧速率极快，迅速释放大量热，同时生成的CO2和H2O 可作为焦炭气化反应的气化剂。由图11 可知，燃烧室还原区温度分布均匀，最高温度可达1 283 ℃，在还原区高温会进一步促进焦炭燃烧(C+O2)和气化反应(C+H2O 和C+CO2)，实验测得Tc5位置焦炭中固定碳转化率高达89.80%，说明喷入三次风前大部分固相可燃物已转化到气相中。另一方面由于燃烧室整体温度较高，Tc10温度高达913 ℃，有利于烟气中几乎全部CO 与剩余O2反应。

表6 燃烧室出口排放情况Table 6 DFC outlet emissions

根据灰平衡法(式(1))计算得到经气化炉预热后原煤转化到气相的质量为3.53 kg/h，可得气化炉出口总气体质量为24.22 kg/h，根据表3 中N 元素转化率和气化炉出口NH3和HCN 体积分数计算得到煤N经预热后转化产物分布，根据燃烧室出口NOx质量浓度和总烟气量计算得到原煤中氮元素向NOx的转化率。

煤中氮元素在气流床气化炉预热燃烧过程中的迁移路径如图14 所示。预热过程69.74%煤N 释放，47.67%的煤N 在预热阶段转化为N2，19.51%转化为NH3，2.56%转化为HCN，说明气化炉预热过程大部分煤N 析出，释放的煤N 大部分转化为N2，这对于这燃烧过程中控制NOx排放至关重要。仅有30.26%煤N 留在高温半焦中，这部分N 是高温预热燃料在燃烧室燃烧过程中NOx的主要来源。最终煤粉经气化炉预热燃烧后煤N 仅有4.69%转化为NO。

图14 煤中N 元素在气流床气化炉预热燃烧过程中迁移路径Fig.14 Migration and transformation paths of coal-N during the preheating combustion of the entrained-flow gasifier

3 结 论

(1)新型气流床气化炉预热燃烧实验系统运行稳定，气化炉和下行燃烧室内压力和温度波动很小，气化炉能够为下行燃烧室持续稳定地提供高温预热燃料。

(2)煤粉经气化炉预热后转化为富含可燃气体CO、H2、CH4等的高温煤气和预热半焦。预热半焦颗粒粒径和孔径减小，比表面积和孔容增大，燃烧特性相比于原煤得到改善，反应活性提升。在预热过程中有96.33%的挥发分和40.23%的固定碳转化到煤气中。煤N 转化率高达69.74%，大部分转化为N2，有利于抑制NOx生成。

(3)预热燃料在下行燃烧室内迅速着火，不存在着火延迟，燃烧稳定，最高温度为1 283 ℃，主燃区能够实现稳定无焰燃烧。主燃区内预热燃料中绝大部分NH3、HCN 以及部分焦炭N 均向N2转化，三次风喷入前无NO 生成，煤N 不向NO 转化。

(4)最终燃烧室出口NOx排放质量浓度为143.02 mg/Nm3(6% O2)，煤N 向NO 转化率仅为4.69%，燃烧效率高达99.75%。