富氧分级条件下高碱煤燃烧积灰与NO_x生成规律实验研究.pdf

第5 7卷 第8期2 0 2 3年8月西 安 交 通 大 学 学 报J OUR NA LO FX IANJ I AO T ON GUN I V E R S I T YV o l.5 7 N o.8A u g.2 0 2 3.*富氧分级条件下高碱煤燃烧积灰与N Ox生成规律实验研究赵林,王长安,孙瑞金,罗茂芸,车得福(西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,7 1 0 0 4 9,西安)摘要:为研究高碱煤在分级条件下的富氧燃烧行为,同时探究了高碱煤在该条件下的积灰行为与NOx生成规律。利用两段炉实验系统,首先对比了高碱煤在空气分级和富氧分级条件下的NOx生成和积灰情况,然后分析了富氧分级条件下总氧体积分数和主燃区氧体积分数的影响。结果表明,在氧体积分数均为2 1%时,富氧分级燃烧可以实现比空气分级燃烧更小的燃料氮转化率(6.8%、9.6%)和更少的积灰量(6 2.4、1 4 7.3m g)。富氧分级条件下,随着总氧体积分数的增加(1 5%5 0%),积灰量近似地线性增加,氧体积分数每增加1 0%,积灰约增加4 0m g,燃料氮转化率也呈现上升趋势,但氧体积分数为1 5%3 0%时变化较小。随着主燃区氧体积分数的增加(2 5%6 0%),燃料氮转化率和积灰质量均提高,主燃区氧体积分数每增加1 0%,积灰约增加2 1m g。该研究表明,在研究高碱煤在分级条件下的富氧燃烧时,应同时关注NOx生成和积灰情况,这可以为促进高碱煤的清洁安全利用和碳减排事业提供更全面的信息。关键词:富氧燃烧;分级燃烧;高碱煤;氮氧化物;积灰中图分类号:T K 1 6 文献标志码:AD O I:1 0.7 6 5 2/x j t u x b 2 0 2 3 0 8 0 0 8 文章编号:0 2 5 3-9 8 7 X(2 0 2 3)0 8-0 0 7 6-1 0A nE x p e r i m e n t a l S t u d yo nA s hD e p o s i t i o na n dN OxG e n e r a t i o no fH i g h-A l k a l iC o a l u n d e r t h eC o n d i t i o no fS t a g e dO x y-F u e lC o m b u s t i o nZ HAOL i n,WANGC h a n ga n,S UNR u i j i n,L UO M a o y u n,CHED e f u(S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fM u l t i p h a s eF l o wi nP o w e rE n g i n e e r i n g,X ia nJ i a o t o n gU n i v e r s i t y,X ia n7 1 0 0 4 9,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t os t u d yt h es t a g e do x y-f u e l c o m b u s t i o nb e h a v i o ro fh i g h-a l k a l i c o a l,t h eNOxg e n e r a t i o na n da s hd e p o s i t i o no f h i g h-a l k a l i c o a l i n t h e s t a g e do x y-f u e l c o m b u s t i o nw e r e i n v e s t i g a-t e ds i m u l t a n e o u s l y i nt h i ss t u d y.W i t ht h eh e l po f t w o-s t a g e f u r n a c es y s t e m,t h eNOxg e n e r a t i o na n da s hd e p o s i t i o no fh i g h-a l k a l ic o a l i nt h es t a g e do x y-f u e la n da i rc o m b u s t i o nw e r ec o m p a r e df i r s t l y,a n d t h e n t h e e f f e c t s o f t o t a l o x y g e nc o n t e n t a n do x y g e nc o n t e n t i n t h ep r i m a r yc o m b u s t i o nz o n eu n d e rt h es t a g e do x y-f u e lc o n d i t i o nw e r es u b s e q u e n t l ys t u d i e d.T h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t c o m p a r e dw i t ht h ea i r-s t a g e dc o m b u s t i o n,t h es m a l l e r c o n v e r s i o nr a t i oo f f u e l-n i t r o g e nt oNO(6.8%、9.6%)a n dt h e l e s sd e p o s i t e da s h(6 2.4、1 4 7.3m g)c a nb ea c h i e v e d i nt h es t a g e do x y-f u e l c o m b u s t i o nw h e nt h eo x y g e nc o n t e n t sw e r e2 1%.I nt h es t a g e do x y-f u e lc o m b u s t i o n,t h em a s so f a s hd e p o s i t i n c r e a s e s i na na p p r o x i m a t e l yl i n e a rw a ya st h et o t a lo x y g e nc o n t e n t i n-c r e a s e sb y1 5%5 0%.F o re a c h1 0%i n c r e a s e i nt o t a lo x y g e nc o n t e n t,t h em a s so fa s hd e p o s i t*收稿日期:2 0 2 3-0 2-0 4。作者简介:赵林(1 9 9 7),男,博士生;王长安(通信作者),男,教授,博士生导师。基金项目:国家自然科学基金资助项目(5 2 1 7 6 1 2 9)。网络出版时间:2 0 2 3-0 4-2 6 网络出版地址:h t t p s:k n s.c n k i.n e t/k c m s/d e t a i l/6 1.1 0 6 9.t.2 0 2 3 0 4 2 5.1 5 5 4.0 1 4.h t m l 第8期赵林,等:富氧分级条件下高碱煤燃烧积灰与N Ox生成规律实验研究 h t t p:z k x b.x j t u.e d u.c n i n c r e a s e sb ya b o u t4 0m g.T h ec o n v e r s i o nr a t i oo ff u e l-n i t r o g e nt oNOa l s os h o w sa nu p w a r dt r e n d,b u t i tc h a n g e ss l i g h t l yw h e no x y g e nc o n t e n tv a r i e sf r o m1 5%t o3 0%.W i t ht h eo x y g e nc o n t e n t i n t h ep r i m a r yc o m b u s t i o nz o n e i n c r e a s eb y2 5%6 0%,b o t h t h e c o n v e r s i o n r a t i oo f f u e l-n i t r o g e nt oNOa n dm a s so f a s hd e p o s i t i n c r e a s e.F o r e a c h1 0%i n c r e a s e i no x y g e nc o n t e n t i nt h ep r i m a r yc o m b u s t i o nz o n e,t h em a s so f a s hd e p o s i t i n c r e a s e sb ya b o u t 2 1m g.T h i s s t u d y i n d i c a t e st h a t t h eNOxg e n e r a t i o na n da s hd e p o s i t i o no fh i g h-a l k a l i c o a l i nt h es t a g e do x y-f u e l c o m b u s t i o ns h o u l db e i n v e s t i g a t e ds i m u l t a n e o u s l y,w h i c hc o u l dp r o v i d ec o m p r e h e n s i v ei n f o r m a t i o nf o rp r o-m o t i n gt h ec l e a na n ds a f eu t i l i z a t i o no fh i g h-a l k a l i c o a l,a sw e l l a s r e d u c i n gt h eC O2e m i s s i o n.K e y w o r d s:o x y-f u e l c o m b u s t i o n;s t a g e dc o m b u s t i o n;h i g h-a l k a l i c o a l;NOx;a s hd e p o s i t i o n 近年来,煤炭消费量在我国能源消费总量中的占比有所下降,但2 0 2 1年煤炭消费量仍达2 9亿吨,约占我国能源消费总量的5 6%1,因此在未来相当长一段时间内,煤炭在我国的能源消费结构中仍会占据重要地位。然而,煤炭燃烧时会产生大量的二氧化碳,还会释放氮氧化物等大气污染物,导致温室效应、酸雨和雾霾等环境问题,所以亟需探索环境友好型的煤炭利用方式。富氧燃烧被广泛认为是一种清洁高效的燃烧技术,可以有效实现二氧化碳和氮氧化物的减排2-4,将富氧燃烧与分级燃烧技术结合后,氮氧化物的排放量会进一步减少5-7,因此富氧分级燃烧技术具有广阔的发展潜力,值得进一步研究。富氧气氛中高浓度的二氧化碳与空气气氛中的氮气在比热容、热辐射性质以及氧气在其中的传播速度等方面有所不同,所以富氧燃烧时的温度场、流场等与传统空气燃烧可能存在差异,这可能会导致灰颗粒在锅炉内的沉积行为发生变化3,8。此外,分级燃烧技术会在炉膛中形成还原性气氛区域和氧化性气氛区域,这也会影响煤中矿物质的迁移演变,进而影响煤的积灰结渣9。因此,在研究富氧分级燃烧时,应当关注煤的积灰结渣行为,尤其是对于高碱煤而言。高碱煤是指碱金属和碱土金属含量较高的煤,燃用高碱煤的锅炉中一般可以观察到严重的积灰结渣现象,灰颗粒在换热面的大量沉积会降低换热效率,还可能引起爆管等安全事故1 0-1 2。因此,有必要研究富氧分级燃烧条件下高碱煤的积灰结渣行为,以保障锅炉的安全稳定运行。目前,关于富氧分级燃烧的研究多集中于氮氧化物领域5-7,对积灰结渣的关注较少,即使在更为常见的研究空气分级燃烧的文献中,对积灰结渣问题的讨论也并不常见。S t i m p s o n等9在空气分级条件下研究了多种煤的积灰结渣情况,但主要为不同煤种之间的对比,并未研究分级条件改变时灰沉积行为的变化。相关学者大多将空气分级或者富氧分级看做一类低氮燃烧技术,所以主要研究氮氧化物相关的问题,而较少关注灰的沉积行为。当燃用的燃料为高碱煤时,则需要同时研究富氧分级燃烧条件下的氮氧化物生成和积灰结渣情况,在实现氮氧化物减排的同时,尽量避免积灰结渣情况恶化。富氧燃烧可以有效地实现C O2和一些气体污染物如NOx的减排,有助于我国“双碳”目标的实现,分级条件下的富氧燃烧还可以进一步减少NOx的排放。目前,相关研究大多关注NOx的减排,由于高碱煤具有较强的积灰结渣倾向,本文在关注富氧分级燃烧条件下氮氧化物生成规律的同时,也研究了高碱煤的积灰结渣特性。利用两段炉系统,首先对比了高碱煤在空气分级燃烧和富氧分级燃烧条件下的氮氧化物生成和积灰情况,然后分析了富氧分级燃烧条件下总氧体积分数和主燃区氧体积分数对氮氧化物生成和积灰的影响。研究中,借助X射线衍射仪和钨灯丝扫描电镜及配套的能谱分析仪,分析了积灰的矿物质物相、微观形貌和表面元素分布。本文从氮氧化物生成和积灰两个方面评估了高碱煤在富氧分级条件下的燃烧,可以为高碱煤的清洁安全利用提供一定的理论基础。1 实 验1.1 实验样品本实验选取潞安煤(L A)作为研究对象,以空气干燥基计,潞安煤水分、灰分、挥发分和固定碳的质量 分 数 分 别 为6.8 3%、1 0.9 2%、3 1.7 8%和5 0.4 7%,含有的碳、氢、氮、氧和硫元素的质量分数分别 为6 1.3 5%、2.9 7%、0.5 7%、1 7.2 2%和0.1 4%。潞安煤具有高挥发分和低硫分的特点,是一种优良的动力用煤,但其煤灰中含有较高含量的碱金属和碱土金属,在燃用过程中可能造成严重的积灰结渣现象1 0-1 2。我国动力煤煤灰中的氧化钠含77西 安 交 通 大 学 学 报第5 7卷 h t t p:z k x b.x j t u.e d u.c n 量一般小于1%,而潞安煤的煤灰中氧化钠含量达2.9 0%,而且潞安煤煤灰中还含有较多的氧化钙(2 7.5 4%),氧化钙含量较高时易导致灰熔融温度降低,而且钙盐是积灰初始层的重要成分,积灰初始层可以捕集飞灰颗粒,加剧积灰现象1 3-1 6。因此,有必要针对具有较高碱金属和碱土金属的潞安煤展开研究,以促进其高效安全利用。1.2 实验系统及方案潞安煤在分级富氧燃烧条件下的氮氧化物生成和积灰特性研究在如图1所示的实验系统上开展,该实验系统中的沉降炉由主燃区和燃尽区组成,二者的温度由各自的温度控制器分别调节,关于该系统的详细描述可在本课题组的研究中获得1 7。在实验过程中,不同气体流经质量流量计后按照一定的比例混合,作为主燃区给气和燃尽区给气,主燃区给气可以将给粉器中的煤粉均匀地携带至主燃区,燃尽区给气用于保证煤粉的燃尽;尾部烟气中的氮氧化物由烟气分析仪测量;由压缩空气冷却的探针自沉降炉底部插入炉膛用于收集煤粉燃烧后的积灰,探针附近的烟气温度和探针壁面的温度由K型热电偶测量,前者通过改变探针插入炉膛的高度调节,而后者通过改变压缩空气的流量调节。实验首先对比了由O2、N2组成的空气气氛和由O2、C O2组成的富氧气氛中潞安煤的氮氧化物生成以及积灰特性,然后研究了富氧条件下总氧体积分数(1 5%、2 1%、3 0%、4 0%、5 0%)和主燃区氧体积分数(2 5%、3 0%、4 0%、5 0%、6 0%)的影响。为更好地对比空气和富氧气氛,两种气氛下的氧体积分数均选为2 1%;富氧燃烧时为达到与空气燃烧相接近的绝热火焰温度,有研究指出氧体积分数应大于2 1%,一般为3 0%3;还有研究认为可以通过进一步增加氧体积分数来促进燃料的充分燃烧1 8;此外,实际炉膛内的氧气可能分布不均匀,出现富氧区和贫氧区。因此,本实验选取了较大范围的氧体积分数,以便较为全面地研究富氧分级条件下高碱煤燃烧积灰与NOx生成规律。在实验过程中,保持给粉量为0.5g/m i n且总体过量氧系数为1.2,主燃区过量氧系数为0.9,即主燃区给氧量为总给氧量的7 5%,燃尽区给氧量为总给氧量的2 5%。在研究总氧体积分数的影响时,主燃区、燃尽区给气中的氧体积分数保持一致;在研究主燃区氧体积分数的影响时,燃尽区给气中氧体积分数为3 0%。主燃区、燃尽区的温度分别设为14 0 0、12 0 0,其恒温区的长度均为0.6m左右,在恒温区的两端,温度会有所下降,调节探针高度使探针附近烟温为9 0 0,调节压缩空气的流量使探针壁面温度为6 0 0,每个工况的取样时长均为9 0m i n。图1 实验系统示意图F i g.1S c h e m a t i cd i a g r a mo f e x p e r i m e n t a l s y s t e m1.3 分析方法潞安煤的氮氧化物生成特性由燃料氮的转化率C(NO)表征。本文燃料氮的转化率指燃料中氮元素转化为一氧化氮的比例,计算式为1 7,1 9C(NO)=1 41 0-6Q(NO)2 2.4m w(N)1 0 0%(1)式中:Q为总气流量,L/m i n;(NO)为烟气中NO的体积分数,L/L;m为给粉量,g/m i n;w(NO)为燃料中氮元素的质量分数,%。烟气中的NO质量分数由烟气 分析仪T e s t o3 3 5测量,量 程 为030 0 0L/L,仪器误差为测量值的5%。每个工况结束后收集探针上的积灰,称质量后保存在干燥皿中,用于相关测试。积灰的质量由分析天平(赛多利斯C P A 2 2 5 D)称量,当天平量程为01 0 0g时,测量精度为0.0 1m g。积灰的微观形貌及表面元素分布由钨灯丝扫描电镜(日立S U 3 5 0 0)及配套的能谱仪进行分析,该电镜的放大倍数为53 0 00 0 0倍。积灰中的晶体矿物质物相由X射线衍射仪(帕纳科Xp e r tP r o)分析,该设备的2角度范围为1 1 6 0,测角仪的重现性为0.0 0 01。87 第8期赵林,等:富氧分级条件下高碱煤燃烧积灰与N Ox生成规律实验研究 h t t p:z k x b.x j t u.e d u.c n 2 结果与讨论2.1 空气气氛与富氧气氛的对比图2对比了潞安煤在空气气氛和富氧气氛下的燃料氮转化率和积灰的质量,两种气氛下的氧体积分数均为2 1%。空气和富氧气氛下烟气中NO体积分数分别为(1 2 92 5)、(9 11 0)L/L,燃料氮转化率由式(1)计算而来。图2 空气与富氧气氛下的燃料氮转化率与积灰质量F i g.2 C o n v e r s i o nr a t i o so f f u e l-n i t r o g e nt oNOa n dm a s s e so f a s hd e p o s i t s i nt h ea i ra n do x y-f u e l a t m o s p h e r e由图2可知:潞安煤在空气气氛下的氮氧化物生成和积灰情况均比富氧气氛下严重,空气气氛下燃料氮的转化率为9.6%,而富氧气氛下为6.8%;空气气氛下收集到的积灰为1 4 7.3m g,而富氧气氛下积灰质量仅为6 2.4m g。富氧燃烧可以减少氮氧化物的生成这一点已经在众多研究中提及,一方面富氧气氛中不含N2,所以避免了热力型氮氧化物的生成;另一方面富氧气氛中C O2易与煤反应生成C O,C O既可以在煤灰中F e2O3等矿物质的作用下还原氮氧化物,也可以与煤颗粒表面的含氧络合物(C(O)反应使其生成碳活性位点(C*),碳活性位点可以还原氮氧化物2 0-2 2。此外,由于N2的比热容比C O2小,且O2在N2中的扩散速度比在C O2中快3,所以在空气气氛下煤颗粒可以更快地被加热到高温,且更容易与O2接触从而燃烧,所以在O2体积分数相同时,空气气氛下煤的燃烧更剧烈,这促进了氮氧化物的生成和灰颗粒的熔融团聚。灰颗粒熔融之后更易与其他颗粒团聚,也更容易黏附在换热面上,加剧积灰现象。为进一步研究空气及富氧气氛下的积灰现象,利用钨灯丝扫描电镜及配套的能谱仪分析了积灰的微观形貌及表面元素分布,结果如图3所示。空气气氛下的积灰主要由大小不一且形状不规则的颗粒组成,这些颗粒表面大多存在明显的熔融痕迹,从局部放大图中可以观察到灰颗粒之间的黏连。富氧气氛下积灰的熔融现象不如空气气氛明显,部分颗粒的表面仍然较为光滑,当颗粒表面未熔融时,颗粒碰撞之后黏连的可能性较低。图3中给出了区域16的表面元素分布,从区域1、区域2的对比中可以看出,空气气氛下的积灰中含有一定量的氯元素,而富氧气氛下未发现该元素,这说明空气气氛下氯元素更易迁移至积灰中;区域4、5为较为光滑的球状颗粒的表面,二者均含有较多的硅和铝元素,即硅铝酸盐的含量较高,同时也有一定量的钠元素,钠的硅铝酸盐一般熔点较低,熔融之后在表面张力的作用下容易形成球体;区域3、6为黏连在灰颗粒表面的细小絮状灰,二者均含有较高的钙含量,同时也有一定量的硫元素,可能是钙盐经过一系列的物理化学变化最终生成硫酸盐等矿物质,黏附在灰颗粒表面。相比于区域3,区域6含有较多的钠和氯,这说明空气气氛下积灰中的絮状灰中可能含有大量碱金属的氯盐。图3 空气与富氧气氛下积灰的微观形貌与表面元素分布F i g.3 M i c r o s t r u c t u r ea n de l e m e n td i s t r i b u t i o no f a s hd e p o s i t s i nt h ea i ra n do x y-f u e l a t m o s p h e r e97西 安 交 通 大 学 学 报第5 7卷 h t t p:z k x b.x j t u.e d u.c n 在积灰的微观形貌与表面元素分布的相关分析中,已经对积灰中可能存在的矿物质进行了讨论。为了进一步确定积灰中的矿物质物相,利用X射线衍射仪对空气及富氧气氛下的积灰样品进行了分析,结果如图4所示。两种积灰中的晶体矿物质均包括石英(S i O2)、赤铁矿(F e2O3)、石膏(C a S O4)和钙铝黄长石(C a2A l2S i O7),富氧气氛下的积灰中包括霞石(KN a3(A l S i O4)4),空气气氛下的积灰中观察到 了 磁 铁 矿(F e3O4)、芒 硝(N a2S O4)和 岩 盐(N a C l)。由图3可知:两种积灰中较为光滑的球体颗粒含有较高的硅酸盐含量,根据X射线衍射图谱,此处的硅酸盐可能主要是钙铝黄长石,对于富氧气氛下的积灰,可能还包括霞石;两种积灰中颗粒表1S i O2;2F e3O4;3F e2O3;4C a S O4;5C a2A l2S i O7;6N a2S O4;7KN a3(A l S i O4)4;8N a C l。图4 空气与富氧气氛下积灰的矿物质物相F i g.4 M i n e r a l p h a s e so f a s hd e p o s i t s i nt h ea i ra n do x y-f u e la t m o s p h e r e面的絮状灰有较高的钙含量,也有一定量的硫元素,结合图4中的矿物质物相,絮状灰中可能含有较多的石膏,由于空气气氛下积灰中检测到了岩盐,而且图3中区域6有较高的钠、氯,所以空气气氛下的絮状灰中应该还包括岩盐。从不同样品含有的矿物质物相可以看出,燃烧气氛影响着矿物质的迁移演变,进而影响着积灰情况。从积灰中含有的晶体矿物质分析,富氧气氛下积灰中的碱金属主要存在于硅铝酸盐中(霞石)。空气气氛下主要存在于硫酸盐和氯盐中(芒硝和岩盐),这可能是由于空气气氛下煤颗粒升温较快,其中含有的碱金属还未与其他矿物质发生反应就以硫酸盐和氯盐的形式挥发,然后沉积在换热面上。富氧气氛下煤颗粒升温较相对较慢,所以碱金属可能更倾向于与二氧化硅、氧化铝等反应生成硅铝酸盐,从而被固定在灰颗粒中。霞石属于助熔矿物,但芒硝和岩盐具有比霞石更低的熔点,而且有研究指出碱金属的硫酸盐和氯盐是积灰初始层的重要成分,对积灰在换热面上的生长具有重要作用,这可能是空气气氛下积灰现象更为严重的原因之一1 5,2 3。2.2 富氧分级条件下总氧体积分数的影响在氧体积分数为2 1%时,潞安煤在富氧燃烧下的氮氧化物生成和积灰情况均优于空气燃烧,所以有必要进一步研究不同条件下的富氧燃烧,以探索更清洁更安全的高碱煤利用方式。由于N2、C O2在比热容等方面有差异,为了能够在现有锅炉上应用富氧燃烧技术,相关研究选取的氧体积分数通常并非2 1%,因此需要研究富氧燃烧时氧体积分数对氮氧化物生成和积灰的影响。表1给出了不同总氧体积分数条件下烟气中的NO体积分数,由于不同工况下烟气量可能不同,所以通过式(1)将NO浓度转变为燃料氮转化率来进一步分析。图5展示了不同总氧体积分数条件下潞安煤的燃料氮转化率和积灰质量,实验中主燃区和燃尽区的氧体积分数保持一致,通过改变C O2的体积流量来控制氧体积分数。表1 不同总氧体积分数下烟气中的NO体积分数T a b l e1 NOc o n c e n t r a t i o n su n d e r t h ec o n d i t i o n so fd i f f e r e n tt o t a l o x y g e nc o n t e n t总氧体积分数/%N O体积分数/(LL-1)1 56 252 19 11 03 01 3 934 02 5 84 95 03 2 42图5 不同总氧体积分数下的燃料氮转化率与积灰质量F i g.5C o n v e r s i o nr a t i o so ff u e l-n i t r o g e nt oN Oa n dm a s s e so f a s hd e p o s i t su n d e rt h ec o n d i t i o n so fd i f f e r e n t t o t a lo x y g e nc o n t e n t由图5可知,当总氧体积分数由1 5%提高到3 0%时,燃料氮转化率略有增加,但变化并不明显。当氧体积分数增加时,燃烧更加剧烈,这会促进氮氧化物的生成,此时总气体流量减小,所以烟气在炉膛08 第8期赵林,等:富氧分级条件下高碱煤燃烧积灰与N Ox生成规律实验研究 h t t p:z k x b.x j t u.e d u.c n 中的停留时间延长,生成的氮氧化物更容易在主燃区的还原性气氛中被还原,这导致在总氧体积分数为1 5%3 0%时燃料氮的转化率变化较小。相比于空气燃烧,这种现象(氧体积分数增加但燃料氮转化率变化不大)可能在富氧燃烧时更容易发生,因为富氧燃烧时会生成更多的OH自由基,OH自由基在主燃区的还原性气氛中会促进H、O等自由基的生成,这些自由基会加速含氮中间体如HC N、NH3向氮氧化物的转变,即更多的含氮中间体在主燃区内生成氮氧化物,而在主燃区的还原性气氛下,这些氮氧化物更容易被还原2 4。当氧体积分数进一步增大到4 0%时,燃料氮转化率大幅增加,此时即使在主燃区内有更长的停留时间,生成的氮氧化物也无法有效地被还原为氮气。由图5可知,积灰的质量随着氧体积分数的增加而近似地线性增加,氧体积分数每增加1 0%,收集到的积灰质量约增加4 0m g。一方面氧体积分数较高时煤粉的燃烧更加剧烈,灰颗粒更易熔融;另一方面氧体积分数较高时,总气体流量较小,颗粒在炉膛内的停留时间较长,熔融颗粒之间更容易黏连聚集,然后沉积到换热面上。从氮氧化物减排和积灰的角度分析,潞安煤在富氧燃烧时不应使氧体积分数过高,最好控制在3 0%以下。不同总氧体积分数下积灰的微观形貌和表面元素分布如图6所示。总体氧体积分数为1 5%时,可以观察到部分轮廓清晰、形状规则的积灰颗粒;随着氧体积分数的增加,积灰颗粒的黏连团聚现象越明显;当氧体积分数为4 0%、5 0%时,积灰主要由黏连在一起的不规则颗粒组成,而且颗粒表面存在明显的熔融痕迹。从积灰的微观形貌可以推测,氧体积分数较高时,燃烧较为剧烈,灰颗粒表面容易熔融,黏性较强,而且由于此时颗粒的停留时间较长,熔融的颗粒有更大的概率黏连团聚,形成不规则的形状,然后黏附在积灰探针上。根据图6中的表面元素分布结果,较为光滑的球体表面如区域2、3、6、8等具有较多的硅、铝元素,表明这些区域含有较多的硅铝酸盐,同时也存在一定量的钠元素,钠的硅铝酸盐一般熔点较低,部分区域中钙含量也较高,说明也存在钙的硅铝酸盐。颗粒表面的絮状灰如区域1、4、5、7、9和1 0等含有较高的钙和硫含量,所以钙的硫酸盐可能是絮状灰的重要成分。当氧体积分数较高时,絮状灰中(区域7、1 0)也存在一定量的钠,可能在燃烧剧烈时钠盐更容易气化2 5,降温时形成细小的絮状灰黏连在颗粒表面。图6 不同总氧体积分数下积灰的微观形貌与表面元素分布F i g.6 M i c r o s t r u c t u r ea n de l e m e n td i s t r i b u t i o no f a s hd e p o s i t su n d e r t h ec o n d i t i o n so fd i f f e r e n t t o t a l o x y g e nc o n t e n t18西 安 交 通 大 学 学 报第5 7卷 h t t p:z k x b.x j t u.e d u.c n 除了微观形貌和表面元素分析,还通过X射线衍射仪确定了不同总氧体积分数下积灰样品中含有的晶体矿物质,结果如图7所示。氧体积分数不同时,收集到的积灰中晶体矿物质的种类没有变化,均包括石英(S i O2)、霞石(KN a3(A l S i O4)4)、赤铁矿(F e2O3)、石膏(C a S O4)和钙铝黄长石(C a2A l2S i O7),但从衍射图谱分析,同一种矿物质所对应的衍射峰强度有所不同,所以矿物质的含量会随着氧体积分数的变化而改变。结合微观形貌和表面元素分析,光滑球体含有的硅铝酸盐应该是钙铝黄长石,可能还包括霞石;絮状灰中钙的硫酸盐应该是石膏。从表面元素分布可以看出,积灰中含有部分铁元素,它们可能以赤铁矿的形式存在,赤铁矿是一种助熔矿物,可以降低灰熔融温度1 4。1S i O2;2KN a3(A l S i O4)4;3F e2O3;4C a S O4;5C a2A l2S i O7。图7 不同总氧体积分数下积灰的矿物质物相F i g.7 M i n e r a l p h a s e so f a s hd e p o s i t su n d e r t h ec o n d i t i o n so fd i f f e r e n t t o t a l o x y g e nc o n t e n t2.3 富氧分级条件下主燃区氧体积分数的影响富氧燃烧时可以通过调整纯氧和再循环烟气的比例来改变氧体积分数,而且主燃区和燃尽区的氧体积分数可以独立地控制。由于分级燃烧技术可能会导致飞灰含碳量较高,文献1 8 提出可以通过提高主燃区氧体积分数的方法来促进煤粉的完全燃烧,故有必要研究不同主燃区氧体积分数下的氮氧化物生成和积灰情况。表2给出了不同主燃区氧体积分数条件下烟气中的NO体积分数。图8展示了不同主燃区氧体积分数条件下潞安煤的燃料氮转化率和积灰质量,主燃区的氧体积分数通过改变C O2的体积流量来控制,燃尽区的氧体积分数保持一致,均为3 0%。由图8可知:当主燃区氧体积分数由2 5%增大为3 0%时,燃料氮转化率明显变大;当其处于3 0%5 0%时,燃料氮转化率仅略有增加;如果进一步将其提高至6 0%,此时燃料氮转化率又出现明显变大的趋势。与改变总氧体积分数相比,只改变主燃区氧体积分数时燃料氮转化率的变化规律有所不同,这表明氮氧化物在燃尽区的生成和还原行为对最终的氮氧化物排放也具有重要影响。随着主燃区氧体积分数的增大,收集到的积灰质量也随之增加,主燃区氧体积分数每增加1 0%,收集到的积灰质量约增加2 1m g。因此,主燃区氧体积分数不宜过高,否则不利于氮氧化物的减排和积灰情况的改善。表2 不同主燃区氧体积分数下烟气中的NO体积分数T a b l e2 NOc o n c e n t r a t i o n su n d e r t h ec o n d i t i o n so fd i f f e r e n to x y g e nc o n t e n t i nt h ep r i m a r yc o m b u s t i o nz o n e主燃区氧体积分数/%N O体积分数/(LL-1)2 51 0 51 43 01 3 934 01 4 63 15 01 4 91 56 01 8 31 6图8 不同主燃区氧体积分数下的燃料氮转化率与积灰质量F i g.8C o n v e r s i o nr a t i o so ff u e l-n i t r o g e nt oN Oa n dm a s s e so f a s hd e p o s i t su n d e rt h ec o n d i t i o n so fd i f f e r e n to x y-g e nc o n t e n t i nt h ep r i m a r yc o m b u s t i o nz o n e为进一步研究主燃区氧体积分数对积灰的影响,选取部分积灰样品进行了微观形貌和表面元素分析,结果如图9所示。与总氧体积分数对积灰微观形 貌 的 影 响 类 似,主 燃 区 氧 体 积 分 数 较 低 时(2 5%),可以观察到较多的具有规则形状的颗粒,而28 第8期赵林,等:富氧分级条件下高碱煤燃烧积灰与N Ox生成规律实验研究 h t t p:z k x b.x j t u.e d u.c n 主燃区氧体积分数为4 0%、6 0%较高时,颗粒之间的黏连团聚现象十分明显,且形状各异。因为还原性气氛下灰的熔融温度一般低于氧化性气氛,此时灰更易熔融,所以主燃区的燃烧条件对于高碱煤的积灰情况具有重要影响2 6-2 7。积灰的表面元素分布也与图6中类似,较为光滑的球形颗粒表面(区域1、2、3和6等)含有较高的硅、铝含量,同时也有一定量的钙、钠,可能主要是钙铝黄长石和霞石;颗粒表面的絮状灰(区域4、6等)含有较高的钙、硫含量,说明硫酸钙可能是絮状灰的重要成分。图9 潞安煤在不同主燃区氧体积分数下积灰的微观形貌与表面元素分布F i g.9 M i c r o s t r u c t u r ea n de l e m e n td i s t r i b u t i o no f a s hd e p o s i t su n d e r t h ec o n d i t i o n so fd i f f e r e n t o x y g e nc o n t e n t i nt h ep r i m a r yc o m b u s t i o nz o n e3 结 论本文利用两段炉系统研究了富氧分级条件下高碱煤的氮氧化物生成和积灰情况,得到如下主要结论。(1)在氧体积分数均为2 1%时,富氧分级燃烧可以实现比空 气分级燃 烧更小 的 燃 料 氮 转 化 率6.8%、9.6%和更少的积灰质量6 2.4、1 4 7.3m g。空气气氛下的积灰存在明显的熔融现象,含有富氧气氛下未发现的岩盐(N a C l)等助熔矿物。(2)富氧分级条件下,随着总氧体积分数的增加(1 5%5 0%),积灰量近似地线性增加,氧体积分数每增加1 0%,收集到的积灰质量约增加4 0m g,燃料氮转化率也呈现上升趋势,但氧体积分数为1 5%3 0%时燃料氮转化率的提高幅度较小。总氧体积分数越大,积灰的熔融现象越明显。积灰中光滑球体含有较多的硅铝酸盐,可能是钙铝黄长石和霞石,