煤粉富氧分级燃烧NOx排放特性研究.pdf

开发高效清洁的煤粉燃烧技术是实现“双碳”目标的有效途径之一，空气分级燃烧技术在煤粉燃烧初期形成还原性气氛且能有效抑制 的生产但不利于煤粉燃烬，而采用富氧分级燃烧可延长煤粉在还原性气氛中的停留时间并抑制 的生成及促进煤粉燃烬，因而很有必要研究二次风过量氧气系数、二次风氧气体积分数、空气分级系数等因素对煤粉富氧分级燃烧 排放的影响规律。利用两段式滴管炉，研究滴管炉上段处于 时富氧分级燃烧条件下 的排放规律。实验结果表明：不同分级系数条件下，排放浓度最低对应的最佳二次风氧气体积分数（）随二次风过量氧气系数（）的减小而增大。当 时，排放浓度随二次风氧气体积分数的增加而增大；当 时，排放浓度随二次风氧气体积分数的增加呈先减小后增加的趋势；当 时，排放浓度随二次风氧气体积分数的增加而减小。富氧分级燃烧能显著降低 的排放，时，减排比例均高于，当 且 时，减排比例均高于，且飞灰含碳量均低于。烟气中 和 的排放浓度均相对较低，在富氧分级条件下 的排放可忽略不计，排放浓度随二次风过量氧气系数的增加而降低，且增大氧气体积分数也能进一步抑制 排放。关键词：煤粉；排放特性；富氧分级燃烧；低氮燃烧；燃烧效率；空气分级系数；含碳量中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：责任编辑：傅 丛 ：基金项目：北京天地融创科技股份有限公司科技发展基金重点资助项目（）作者简介：龚艳艳（），女，江苏南通人，助理研究员、硕士，主要研究方向为煤炭高效洁净利用。：，（，；，；，）：，第 期龚艳艳：煤粉富氧分级燃烧 排放特性研究 ，（）（），：；引 言氮氧化物（）是煤炭燃烧产生的主要污染物之一，其会导致光化学烟雾、温室效应、雾霾和臭氧层空洞。年我国煤炭消费 亿 标煤，主要用于燃煤发电，而燃煤电站锅炉通过低氮燃烧技术烟气脱销技术已基本实现 超低排放。常见的低氮燃烧技术主要涵括空气分级燃烧技术、燃料分级燃烧技术、低氮 燃 烧器、烟气再循环技术等，低氮燃烧技术抑制生成的同时会降低煤粉的燃烧效率。常见的烟气脱销技术主要包括 和，是实现超低排放的关键所在，但烟气脱销技术存在催化剂生产成本高、氨逃逸、催化剂中毒、空预器堵塞、能量损失大等问题。空气分级燃烧技术与烟气脱硝技术相比，前者的投资和运行成本较低、操作简单，大型的锅炉基本均采用空气分级燃烧技术。空气分级燃烧在煤粉燃烧过程中形成还原性气氛，还原性气氛下煤粉热解气中的烃根（）、等与发生同相还原作用；焦炭也直接异相还原，且还能催化 同相还原过程。褐煤和高挥发分烟煤燃烧中 的均相还原是 还原的主要途径，而对于无烟煤则更多的 是通过非均相反应被还原为，此与挥发分氮和焦炭氮的含量及种类密切相关。等在多级配风的一维炉上研究 褐煤及其干煤分级燃烧的 排放特征，排放随着分级空气的增加以及燃烧器与燃尽空气位置之间距离的增加而减少。等在 的燃烧实验台架上进行深度空气分级燃烧实验，在燃烧还原区存在还原饱和的现象，燃尽风加入后 浓度会再次升高。等的研究同样表明延迟一次风与二次风的混合则扩大还原性区间，可进一步降低 的排放。煤粉预热燃烧技术、燃烧技术、富氧燃烧技术等新型低氮燃烧技术的原理基本一致，核心思想在于使煤粉燃烧初期处于贫氧状态并延长煤粉在还原性气氛中的停留时间。欧阳子区等研究表明煤粉流化床低温预热耦合无焰燃烧能有效抑制 的形成，燃用无烟煤时 始排放浓度低至 （），燃用气化细灰时初始排放浓度低至 （）。张海等通过 燃烧器实现煤粉 燃烧工业应用，燃用无烟煤时 排放减少。富氧燃烧提高能源效率的同时还能进一步减少污染物的排放，主要包括 和 共 种富氧气氛。局部富氧燃烧技术介于常规空气燃烧和 富氧燃烧之间，富氧燃烧投资和运行成本较低，更加适合于中小型燃煤锅炉的 控制，广泛应用于冶金、玻璃等工业生产。等，研究表明，在 富氧分级燃烧条件下 排放量低于常规空气分级燃烧，且煤粉的燃尽率也更高。节能和提高能效是实现我国“双碳”目标的主要途径之一，开发高效清洁的煤粉燃烧技术就显得尤为重要。空气分级燃烧技术在煤粉燃烧初期形成还原性气氛，能有效抑制 的生产但不利于煤煤 质 技 术 年第 卷粉燃烬。采用富氧分级燃烧可延长煤粉在还原性气氛中的停留时间，抑制 的生成的同时促进煤粉燃烬。笔者研究主燃区温度为 工况下二次风过量氧气系数和二次风氧气体积分数对 排放的影响规律，此外还考察主燃区氧气体积分数和空气分级系数对煤粉燃烧效率的影响规律。实验部分 实验物料采用神府烟煤为实验物料，为保证微量给粉器供料误差在 以内，实验前将其置于 的干燥箱中干燥 。干燥后煤粉的元素分析和工业分析结果见表，其中煤粉挥发分（）为 ，氮元素的质量分数为 ，平均粒径为 。实验设备两段式滴管炉实验平台由滴管炉主体、温控系统、给气系统、给料系统、取样分析系统和水循环系统 个部分组成，如图 所示。其中，滴管炉主体由上段炉体和下段炉体两部分组成，两段炉体用密封法兰和金属波纹管进行连接。表 煤粉的元素分析和工业分析 工业分析 元素分析，（）图 两段式高温滴管炉 滴管炉上段炉体为内径 且长 的刚玉管，采用碳硅棒元件进行加热，最高可加热至 ，并有大于 的恒温区。滴管炉下段炉体为内径 且长 的不锈钢管，采用电阻丝加热，最高可加热至 ，并且有大于 的恒温区。实验平台所用的给料系统是由供料器和一次风组成，其中供料器采用日本 制造的微量给粉器，实验中煤粉供料速度为 ，供料误差在 ；一次风携带 煤 粉 进 入 滴 管 炉，实 验 中 一 次 风 总 量 为 。实验平台给气系统由二次风和三次风组成，二次风在上段刚玉管的顶端径向给入，用于主燃区煤粉的助燃；三次风在滴管炉下段顶端径向给入，为滴管炉下段的燃尽风。取样分析系统由旋风分离器和烟气分析仪组成，采用 便携式红外烟气分析仪，对烟气中的、等组分体积分数进行在线测量，、和 的测量误差均为 ，测量误差为。实验工况由于二次风采用不同氧气体积分数 的混合气，笔者用实际氧气流量和理论完全燃烧所需氧气流量的比值表征氧气量与燃料量的配比关系，实验所有工况条件下的总过量氧气系数（）均为。一次风和三次风采用标准空气，氧气体积分数为，一次风量均定为 （一次风过量氧气系数 ）。设置多组工况以研究二次风氧气体积分数和过量氧气系数对 生成规律的影响，所有工况中主燃区温度为 ，燃尽区温度为，工况变量为二次风过量氧气系数（）和二次风氧气体积分数（），实验工况参数见表。数据处理方法实验主燃区温度为 ，煤粉燃烧过程中产生 的 热 力 型 和 快 速 型 均 可 忽 略 不计，。烟气中的 主要以 的形式存在，通过烟气中 排放量计算煤中氮向燃料型 的转化率，通过 排放浓度（）表征不同富氧工况下 排放的绝对量。当烟气中 排放浓度达到超低排放 （）时，取 且 取，按式（）（）计算而得 转化率为 、排放浓度为 。富氧条件下 排放浓度与该值进行对比，判断 排放量是否满足超低排放要求。第 期龚艳艳：煤粉富氧分级燃烧 排放特性研究 （）（）（）（）（）（）（）（）（），（）式中，为整体折算氧气体积分数，；为烟气中氧气体积分数，；为供料量，；为 实 际 进 气 量，；为 实 际 烟 气 量，；为煤中 氧化生成 的比例即 转化率，。实验结果与分析 未分级条件下 排放规律煤粉燃烧过程中、和 等挥发分 被氧化形成挥发分，焦炭 被氧化形成焦炭，同时、煤焦等均将烟气中的 还原成，燃料型 是煤中 氧化和 还原 个反应竞争的结果，即使在未分级条件下也有大量燃料 通过“氧化还原”最终转化为，。表 二次风氧气体积分数和过量氧气系数对 生成规律的实验工况 供料速率（）理论氧气流量（）总过量氧气系数（）主燃区温度 燃尽区温度 实验变量二次风过量氧气系数（）二次风氧气体积分数（）、未分级条件下二次风氧气体积分数对 的排放规律的影响如图 所示。二次风氧气体积分数从升高至，烟气中 的排放浓度呈线性递增，从 升至 ，排放浓度升高 ；转化率随着二次风氧气体积分数升高而增大，转化率从 升至，转化率增加了 。在氧化性气氛中增加氧气体积分数会促进燃料 向 的转化，从而提高烟气中 的排放浓度，。图 未分级条件下 排放规律 二次风过量氧气系数对 排放浓度的影响空气分级燃烧可有效抑制煤粉燃烧初期挥发分的形成，尤其对高挥发分的褐煤和烟煤，。二次风过量氧气系数过大或过小均不利于减少 的排放。二次风过量氧气系数过大时，主燃区处于弱氧化性气氛，不利于挥发分 的还原；当二次风过量氧气系数较小时则不利于煤粉燃尽，且大量焦炭 在燃尽区中生成，导致烟气中 排放浓度提高。主燃区局部富氧不仅可以提高煤粉燃烧强度、促进煤粉燃烧，同时还能加速 的消耗、扩大还原性区间及延长煤粉在还原性区的停留时间。此次实验研究二次风过量空气系数对煤粉 排放浓度的影响，排放浓度随二次风过量氧气系数的变化曲如图 所示。图 二次风过量氧气系数对 排放浓度的影响规律 实验结果表明，当 介于 时，排放浓度在不同二次风氧气体积分数条件下随二次风过量氧气系数的变化趋势不同。当 时，排放浓度随二次风过量氧气系数的增加而降低，排放浓度从 降至 。当 、时，排放浓度随二次风过量煤 质 技 术 年第 卷氧气系数的增加呈先缓慢降低后缓慢升高的趋势。在 的条件下，时 排放浓度最低，此时 排放浓度为 。在 的条件下，时 排放浓度最低，此时 排放浓度为 。当 时，排放浓度随二次风过量氧气系数的增加而升高，排放浓度从 排放浓度从 升至 。在不同二次风氧气体积分数下均存在 个最佳的二次风过量氧气系数区间，二次风氧气体积分数从 增加至 时，最佳二次风过量氧气系数从 减至 。富氧分级条件下 排放浓度相对于未分级条件下 排放浓度的减排比例如图 所示。图 二次风过量氧气系数对 减排比例的影响规律 实验结果表明，当 介于 时，减排比例均高于，低氮效果十分显著。相较于常规空气分级燃烧，在深度分级燃烧条件下的富氧分级燃烧对 减排效果更加明显；当 时，富氧分级对 减排比例随二次风氧气体积分数的升高而降低，与 等的研究结论一致。当二次风的氧气体积分数高于 或二次风的过量氧气系数在 时，减排比例均高于。二次风氧气体积分数对 排放浓度的影响二次风氧气体积分数对 排放的影响与主燃区过量氧气系数有关，当二次风过量氧气系数较低时，主燃区整体处于强还原性气氛，提高二次风氧气体积分数能进一步减低 的排放；当二次风过量氧气系数过高时，主燃区整体处于弱氧化性气氛，提高二次风氧气体积分数会促进 的生成，。等研究表明氧气体积分数增加导致和 浓度升高，焦炭气化作用增强，有利于煤中 的释放和 的还原。实验研究煤粉富氧分级燃烧条件下二次风氧气体积分数对 排放浓度的影响规律，实验结果如图 所示。图 二次风氧气体积分数对 排放浓度的影响规律 当 时，排放浓度随二次风氧气体积分数的升高而减小，二次风氧气体积分数从 增加至 时，排放浓度从 降至 ，排放浓度降低。当 、时，排放浓度均随二次风氧气体积分数升高呈现先减小后增大的趋势。不同二次风过量氧气系数条件下，排放浓度最低对应的二次风氧气体积分数随二次风过量氧气系数的增加呈减小的趋势。对应的最佳二次风氧气体积分数为，此时 排放浓度为 ；对应的最佳二次风氧气体积分数为，此时 排放浓度为 ；对应最佳二次风氧气 体 积 分 数 为，此 时 排 放 浓 度 为 ；对应的最佳二次风氧气体积分数为，此时 排放浓度为 。和 的排放规律烟气中的 主要由 进一步氧化形成，浓度能直接影响 的排放浓度，同时温度、氧气体积分数等也会影响 向 转化，因而笔者通过 比值表征 进一步氧化的难易程度。煤粉燃烧过程中 生成途径包括 个路径，其中反应（）是 生成的主要路径。在高温还原性条件下，焦炭表面 （）和 （）均极易脱附形成 和，从而抑制 异相的氧化形成，反应（）（）都很难发生，；式中，（）为活性碳位点；（）、（）分别为焦炭表面碳氧化合物、碳氮化合物。试验在分级条件下（），的排放浓度均低于 ，占比均低于 ，可忽略不计。此次试验主要研究未分级条件下 排放规律。（）（）（）（）（）（）（）未分级条件下二次风氧气体积分数对 排放浓度和 占比的影响规律如图 所示。第 期龚艳艳：煤粉富氧分级燃烧 排放特性研究图 未分级二次风条件下 排放特性 排放浓度和 占比均随二次风氧气体积分数的升高而增大，当二次风氧气体积分数从增加至 时，排放浓度从 增至 ，占比从 增至 。究其原因，主要是由于在未分级条件下，二次风氧气体积分数升高不仅可以促进燃料 氧化形成，还能促进 进一步氧化形成。煤粉燃烧烟气中 主要来源于 的还原反应，形成 包括 个反应路径（式（）（）。实验通过 的比值表征 还原形成 的难易程度，即 占比。在低温条件下（）经脱附反应是煤中 氧化的速控步，大量（）富集在焦炭表面，通过反应式（）促进 的生成，且焦炭在低温条件下对 的还原能力较弱，最终导致烟气中 的体积分数较高。随着温度升高，反应式（）是均相还原 形成 的主要反应，但当温度过高时反应（）受阻，且 的分解速率加快，的生成量减少。（）（）（）（）（）二次风过量氧气系数对 占比的影响规律如图 所示。图 二次风过量氧气系数对 占比的影响规律 由图 可知，占比随二次风过量氧气系数增加而减小，且 占比在相同二次风过量氧气系数条件下随二次风氧气体积分数的升高而减小，当 时，二次风过量氧气系数从 增至，占比从 降至；当 时，占比受二次风过量氧气系数的影响较小，且 很难进一步向 转化，占比均低于 ，表明提高二次风的氧气体积分数或增大二次风的过量氧气系数均能有效抑制 向 转化。二次风过量氧气系数对 排放浓度的影响规律如图 所示。图 二次风过量氧气系数对 排放浓度的影响规律 排放浓度随二次风过量氧气系数增加呈先下降后升高的趋势，由于二次风过量氧气系数过低时烟气中 易还原形成，导致烟气中 排放浓度偏高；当二次风过量氧气系数过高时，烟气中 的体积分数过高导致 排放浓度偏高。当 时，排放浓度相对较低，提高二次风氧气体积分数能进一步降低 排放浓度。当 时，排放浓度受二次风氧气体积分数变化的影响较小，排放浓度在 。煤粉燃烧效率煤粉燃烧效率主要由烟气中未完全燃烧的可燃气体和飞灰中未燃尽的碳决定。此次实验所有工况条件下 的排放浓度均低于 ，烟气中未完全燃烧的可燃气体可忽略不计，仅考虑飞灰含碳量对煤粉燃烧效率的影响。飞灰含碳量随二次风过量氧气系数的变化规律如图 所示。图 二次风过量氧气系数对飞灰含碳量的影响 飞灰含碳量随二次风过量氧气系数的增加而不断减少，同时提高二次风氧气体积分数也能促进煤煤 质 技 术 年第 卷粉的燃尽。当 时，二次风氧气体积分数从 升 高 至，飞 灰 含 碳 量 从 降 至。在深度空气分级燃烧不利于煤粉燃尽，提高二次风氧气体积分数能有效降低飞灰含碳量，但作用效果有限，与 等的研究结论一致。随着二次风过量氧气系数的增大，飞灰含碳量明显降低，当 时，二次风氧气体积分数在，飞灰含碳量均低于，煤粉燃烧效率较高，且氧气体积分数越高，飞灰含碳量越低。结 论研究主燃区为 时二次风过量氧气系数及其氧气体积分数等对 排放的影响，结论如下：（）在不同的二次风氧气体积分数下均存在 个最佳二次风过量氧气系数，最佳二次风过量氧气系数随二次风氧气体积分数的升高而减小。时的最佳二次风过量氧气系数为 ，时的最佳二次风过量氧气系数为 。（）在不同的二次风过量氧气系数下均存在 个最佳二次风氧气体积分数，最佳二次风氧气体积分数随二次风过量氧气系数的增加而降低。当 时，排放浓度随二次风氧气体积分数增加而减小；当 时，排放浓度随二次风氧气体积分数增加而增大；当 、时，排放浓度均随二次风氧气体积分数升高呈先减小后增大的趋势。当 时，最佳二次风氧气体积分数在 左右；当 时，最佳二次风氧气体积分数在 左右。（）当 介于 时，减排比例均高于，低氮效果显著。当二次风氧气体积分数高于 时，二次风过量氧气系数在 时，减排比例均高于，且飞灰含碳量均低于。（）增大二次风过量氧气系数或提高二次风氧气体积分数均能抑制 生成。当 时，不同二次风氧气体积分数下 排放浓度均低于（）。当 介于 ，时 排放可忽略不计；当 时，排放浓度随二次风过量氧气系数的升高而降低，增大氧气体积分数能抑制 排放。参考文献（）：吕清刚，李诗媛，黄粲然 工业领域煤炭清洁高效燃烧利用技术现状与发展建议 中国科学院院刊，（）：，（）：中华人民共和国国家统计局 中华人民共和国 年国民经济和社会发展统计公报 ：，：，（）：，：王乃继，尚庆雨，张鑫，等 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