褐煤燃燒污染物排放特性的實(shí)驗(yàn)研究

趙亞瑩，石海鵬，杭珊珊

(1.東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林吉林132012;2.東華熱電有限公司，內(nèi)蒙古包頭014040;3.吉林電力股份有限公司四平熱電公司，吉林四平132013)

當(dāng)今世界上能源與環(huán)境已是全球性問題［1］。能源與環(huán)境是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要保證。2020年，煤炭在國(guó)家能源構(gòu)成中仍將在60%左右。中國(guó)煤炭資源儲(chǔ)量相對(duì)豐富，2006年，中國(guó)煤炭產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到2 313億噸，已探明的褐煤查明資源儲(chǔ)量達(dá)1 300多億噸，占全國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量的13%，但煤炭畢竟是不可再生的有限資源，在強(qiáng)調(diào)綠色安全開采的同時(shí)，必須更加強(qiáng)調(diào)潔凈加工、轉(zhuǎn)化與高效利用［3］。

近年來，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，電力需求不斷提高，全國(guó)用電緊張局面非常突出。燃煤供應(yīng)長(zhǎng)期穩(wěn)定且均質(zhì)化是保證火電廠安全運(yùn)行主要因素之一。但由于目前煤炭市場(chǎng)供給與需求的不平衡，煙煤、無煙煤面臨煤源緊張，所以褐煤的優(yōu)質(zhì)利用就是迫在眉睫的問題。

1 舒蘭褐煤的燃料特性

1.1 舒蘭褐煤的元素及工業(yè)分析

褐煤大多數(shù)無光澤，高水分，高揮發(fā)分，低燃點(diǎn)，不粘結(jié)，易風(fēng)化變質(zhì)，含原生腐植酸，含氧高，化學(xué)反應(yīng)性強(qiáng)，熱穩(wěn)定性差。原生腐植酸是褐煤區(qū)別于其它煤種的主要特征組分［5］。表1，2給出了舒蘭典型褐煤燃料的工業(yè)分析和元素分析。

表1 舒蘭典型褐煤燃料的工業(yè)分析

表2 舒蘭典型褐煤燃料的元素分析

1.2 舒蘭褐煤的灰成分分析

褐煤燃燒過程中灰分物質(zhì)對(duì)其燃燒特性及其燃燒污染物排放的影響不容忽視。有關(guān)舒蘭褐煤灰成分分析結(jié)果見表3所示。

表3 舒蘭典型褐煤灰成分分析

2 褐煤循環(huán)流化床燃燒污染物排放特性實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)樣品

本次實(shí)驗(yàn)依然用舒蘭褐煤，經(jīng)將塊狀褐煤用小型磨煤機(jī)研磨，是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)樣品用料量很大，得到不同了粒徑范圍的褐煤樣品，其粒徑范圍分別為:0～300 μm、300～600 μm、600～900 μm、900～1 200 μm。樣品的工業(yè)分析和元素分析數(shù)據(jù)見表1、2所示，灰成分分析數(shù)據(jù)見表3所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)說明

此實(shí)驗(yàn)是在自行設(shè)計(jì)的小型流化床實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由送風(fēng)、給料、流化床本體、加熱、溫控和煙氣分析五部分組成。送風(fēng)是利用氮?dú)馄亢脱鯕馄堪凑湛諝馀浔冉?jīng)過氣體混合器后送到給料系統(tǒng)、二次風(fēng)和流化床底部作為流化風(fēng);給料采用的是一次風(fēng)攜帶送粉系統(tǒng)，用一玻璃制成的錐狀蓄粉倉(cāng)儲(chǔ)粉，下部錐狀出口和一次風(fēng)管垂直相連;流化床本體是用內(nèi)徑為20 mm的石英玻璃管制成，玻璃管內(nèi)部裝有布風(fēng)板，布風(fēng)板上的孔徑大約為0.5 mm，床料選用直徑在0.6～1.2 mm之間的石英砂，在布風(fēng)板上方30 mm處設(shè)有給料管，給料管也與石英玻璃管制成一體，給料管內(nèi)徑約5 mm，通過耐熱硅碳管與一次風(fēng)管相連，布風(fēng)板上部45 cm處設(shè)有煙氣出口，煙氣出口直接與旋風(fēng)分離器相連，經(jīng)過旋風(fēng)分離器分離下來的顆粒進(jìn)入一個(gè)與旋風(fēng)分離器密封相連的磨口瓶，磨口瓶的作用就是盛裝分離下來的褐煤灰，而煙氣從旋風(fēng)分離器上部排出;排出的煙氣進(jìn)入煙氣分析系統(tǒng)，首先經(jīng)過過濾器除掉未分離下來的細(xì)粉塵，然后經(jīng)過干燥器用變色硅膠進(jìn)行干燥，從干燥器出來的經(jīng)過凈化后的煙氣通過泵之后進(jìn)入煙氣分析儀，進(jìn)行氣體分析;加熱部分是采用一個(gè)兩段的電加熱爐進(jìn)行加熱;溫控部分是用一數(shù)字式溫控儀利用熱電偶采集回來的溫控信號(hào)控制交流接觸器。實(shí)驗(yàn)過程中氣體流量、給料量、床溫等具體數(shù)據(jù)詳見下面具體實(shí)驗(yàn)。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)分析

2.3.1 床溫對(duì)污染物排放特性的影響

五次實(shí)驗(yàn)中除床溫改變外，其他實(shí)驗(yàn)條件完全相同。

從圖1我們看出，隨著床溫的升高，開始時(shí)污染物排放增加，而SO2的排放量在750℃時(shí)達(dá)到最大值，之后隨著床溫的升高SO2濃度急劇降低，到1050℃時(shí)已經(jīng)降到了100 mg/Nm3以下。這是因?yàn)樵诘蜏厝紵龝r(shí)褐煤燃燒不夠充分，雖然給料量是一定的，但是由于爐膛高度的限制，褐煤在低溫情況下未等燃燒完全就被煙氣攜帶出了爐膛，造成煙氣中污染物排放濃度很低，隨著溫度的上升，這種現(xiàn)象明顯減小，褐煤燃燒變得更加充分，所以在750℃之前隨著溫度的增加SO2濃度上升;而在750℃之后，褐煤的燃燒逐漸變得充分，加上隨著溫度的增加褐煤中的碳酸鹽開始分解，尤其是形成的金屬氧化物CaO在脫硫過程中起到了關(guān)鍵的固硫作用。

圖1 不同床溫下褐煤流化床燃燒污染物排放特性曲線

從圖1中我們也可看出，NOX排放量隨著溫度的增加而降低，在溫度為850℃時(shí)達(dá)到了峰值。因?yàn)樵诘蜏貢r(shí)，褐煤燃燒不夠充分，爐內(nèi)CO濃度較高，基本上處于還原性氣氛中，對(duì)NOX的還原作用很強(qiáng)，NOX在CO的還原作用下，被還原成N2，因此在低溫時(shí)NOX的排放量很低;隨著溫度的升高，褐煤逐漸燃燒充分，爐內(nèi)CO濃度降低，對(duì)NOX的還原作用慢慢減弱，造成了在850℃之前，NOX的排放量隨著溫度的升高而增加;在850℃之后，褐煤基本上已經(jīng)可以全部燃燒。

從上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，低溫運(yùn)行是最好的，因?yàn)槲廴疚锱欧帕亢艿?，?duì)空氣的污染最小，但是在低溫燃燒時(shí)，鍋爐的未完全燃燒熱損失太大，特別在現(xiàn)行能源緊缺的情況下，會(huì)造成嚴(yán)重浪費(fèi)，是不現(xiàn)實(shí)的。那么就只有提高爐膛內(nèi)的溫度，而隨著溫度的升高，對(duì)爐內(nèi)水冷壁管等耐熱設(shè)備耐熱性能的要求也隨之增加，而且就對(duì)現(xiàn)行鼓泡床和鏈條爐等鍋爐的改造來說此法也是不可行的。因此流化床鍋爐的運(yùn)行溫度選擇在800～950℃之間是最經(jīng)濟(jì)，最可靠的。

2.3.2 粒度對(duì)污染物排放特性的影響

四次實(shí)驗(yàn)中除樣品粒度改變外，其他實(shí)驗(yàn)條件完全相同。

從圖2中可以得到，隨著褐煤顆粒粒度的增加，SO2濃度逐漸升高。這主要是因?yàn)殡S著褐煤粒度的增加，褐煤的固硫作用受到的SO2向褐煤顆粒內(nèi)部擴(kuò)散的傳質(zhì)特性的影響增強(qiáng)，顆粒的增加使得褐煤的比表面積減小，在給料一定的情況下，就使得SO2與褐煤顆粒接觸的機(jī)會(huì)降低，在大顆粒內(nèi)部煅燒得到的CaO等具有脫硫作用的物質(zhì)很難與SO2接觸反應(yīng)，使得這些物質(zhì)的利用率降低，固硫率降低，導(dǎo)致SO2濃度升高。

從圖2中我們看到，NOX和NO的排放量在粒度小于900 μm時(shí)存在一個(gè)最小值。隨著粒度的增加，在達(dá)到某一個(gè)粒度范圍時(shí)NOX和NO的排放量最小。這是因?yàn)楹置侯w粒粒度的降低使得褐煤的燃燒特性有所改善，特別表現(xiàn)在燃燒反應(yīng)速率方面提高顯著，在燃燒的中間過程中，有更多的CO氣體參與燃燒過使得部分燃料NOX被還原成N2，CO氧化成CO2氣體。因此隨著顆粒粒度的減小，燃料NOX的釋放會(huì)隨之減少;由于隨著顆粒粒度的減小，使得褐煤的燃盡特性有所改善，燃盡率有較大提高，從而褐煤中的N元素以NOX和NO氣體形式析出更為完全，因此會(huì)有更多的NOX和NO生成。而在當(dāng)顆粒粒度大于900 um時(shí)，NOX和NO的排放量有所增大，這是因?yàn)槿紵^程中揮發(fā)的析出受到了一定的限制，而隨著粒度的增大，焦碳粒子的燃燒和燃燒產(chǎn)物的析出是在氣固相界面上進(jìn)行的，受到的傳質(zhì)特性的影響加劇，燃盡特性較差，所以使得部分燃料N還未能參加反應(yīng)就排出了爐膛，造成NOX和NO排放量的降低。

對(duì)于實(shí)際運(yùn)行的鍋爐，選擇合適的褐煤顆粒粒度是影響鍋爐效率和燃燒污染物排放量的關(guān)鍵因素。而實(shí)際運(yùn)行的褐煤循環(huán)流化床鍋爐褐煤粒度的選擇應(yīng)參考各種因素，但單從污染物排放角度來講，選擇主要粒度為300～600um的粒度范圍是比較合適的。

圖2 不同顆粒粒度的褐煤流化床燃燒污染物排放特性曲線

2.3.3 Ca/S比對(duì)污染物排放特性的影響

四次實(shí)驗(yàn)中除Ca/S比改變外，其他實(shí)驗(yàn)條件完全相同。

隨著Ca/S比的增加，SO2濃度下降，這是因?yàn)镃aO的加入，增加了CaO與SO2氣體接觸的機(jī)會(huì)，尤其是添加進(jìn)來的CaO完全是暴露在煙氣氣氛中的單物質(zhì)顆粒，比褐煤灰中的CaO顆粒接觸NO的機(jī)會(huì)要大得多，所以固硫作用明顯增強(qiáng)。在Ca/S比較低時(shí)，SO2濃度下降的趨勢(shì)很明顯，而當(dāng)Ca/S比大于5時(shí)，即使再增加CaO的量，SO2濃度也不怎么發(fā)生變化了，這是因?yàn)楫?dāng)Ca/S比達(dá)到5時(shí)，燃燒所釋放出的SO2氣體已基本被CaO等固硫物質(zhì)反應(yīng)消耗掉，固硫作用也不明顯。

從圖3中可以看出，脫硫劑CaO的加入，使得NOX的濃度也跟著下降，這是因?yàn)樵贑aO和CO共存的還原氣氛中，CaO成了CO對(duì)NO還原反應(yīng)的催化劑，在CaO的催化作用下，NO和CO反應(yīng)生成N2和CO2的還原反應(yīng)增強(qiáng)，提高了NO的轉(zhuǎn)化率，從而降低了NO的濃度。華中科技大學(xué)煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的周浩生等人研究證明，當(dāng)溫度為850℃時(shí)，在CO的共同作用下，CaO可以提高NO的轉(zhuǎn)化率，使得NO濃度降低［8］;雖然CaO的加入導(dǎo)致NO2的濃度有所提高，但它不足以抵消NO濃度的降低，所以整體NOX的排放濃度還是呈降低的趨勢(shì)。

所以選擇合適的Ca/S比是提高脫硫率降低環(huán)境污染和提高鍋爐效率，達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵手段之一。如果Ca/S比選擇的不合理，選擇低了會(huì)造成脫硫效果不好、脫硫率降低，提高環(huán)境污染程度;選擇高了又影響鍋爐效率，提高粉煤灰量，提高尾部煙道過熱器、省煤器和空氣預(yù)熱器的磨損程度，也給除塵裝置帶來額外的負(fù)擔(dān)，是非常不經(jīng)濟(jì)的。所以對(duì)既定的煤種和鍋爐選擇合適的Ca/S比是鍋爐長(zhǎng)期穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要參考因素之一。對(duì)于褐煤循環(huán)流化床鍋爐，加入很少量的石灰石就可以達(dá)到很高的脫硫效率，在今后的褐煤循環(huán)流化床鍋爐大型化設(shè)計(jì)中能對(duì)此進(jìn)行很好的考慮。本實(shí)驗(yàn)研究得到對(duì)于舒蘭褐煤流化床燃燒方式最佳的Ca/S比為5。

圖3 不同Ca/S比的褐煤流化床燃燒污染物排放特性曲線

2.3.4 過量空氣系數(shù)對(duì)污染物排放特性的影響

所用的褐煤樣品的顆粒粒度為300～600 μm，實(shí)驗(yàn)過程中共得到了七種不同過量空氣系數(shù)下各污染物排放的數(shù)據(jù)，各過量空氣系數(shù)分別為:1.10、1.20、1.30、1.40、1.50、1.60和1.70。實(shí)驗(yàn)過程中除改變給料量來調(diào)節(jié)過量空氣系數(shù)的大小外，其他實(shí)驗(yàn)條件完全相同。

從圖4中可以看出，SO2和NOX隨著過量空氣系數(shù)的增加而逐漸升高，這是因?yàn)檫^量空氣系數(shù)的增大，使得爐內(nèi)氧化性氣氛增強(qiáng)，從而導(dǎo)致SO2和NOX的增加。

2.3.5 床料高度對(duì)污染物排放特性的影響

采用的靜止床料高度分別為1 cm、2 cm、3 cm、4 cm和5 cm。五次實(shí)驗(yàn)中除改變床料高度外，其他實(shí)驗(yàn)條件完全相同。

圖5 所示就是不同床料高度下的褐煤流化床燃燒污染物排放特性曲線

從圖2—圖5中看出，隨著床料高度的增加，各排放氣體濃度均有所上升，但是上升的幅度不是非常明顯。其原因是因?yàn)闊煔庵械慕^大部分SO2和NOX等氣體污染物是在爐膛的密相區(qū)產(chǎn)生的，產(chǎn)生后的氣體污染物在稀相區(qū)焦碳粒子的還原作用下開始分解，床料的增加使密相區(qū)增大，而稀相區(qū)減小，從而導(dǎo)致了污染物排放濃度的增加。但是從總體上看，這種增加的效果不是很明顯。

合適的床料高度的選取能夠保證爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定，使燃料燃燒的更加充分，因此，鑒于床料高度對(duì)污染物排放影響不大，那么床料高度的選取就應(yīng)以保證爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定為主，床料高度太低使得床料不能達(dá)到蓄熱的目的也不能和入爐的燃料達(dá)到強(qiáng)烈攪混的效果，勢(shì)必影響燃料的燃燒效果，降低鍋爐效率。經(jīng)過分析和結(jié)合實(shí)際流化床鍋爐的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，流化床床料高度的選取應(yīng)以占爐膛高度的5%為宜。

4 結(jié)論

在對(duì)褐煤能源利用途徑和形式分析基礎(chǔ)上結(jié)合試驗(yàn)研究與理論分析及工程實(shí)踐，證明褐煤作為循環(huán)流化床鍋爐的燃料是合適的。褐煤循環(huán)流化床燃燒方式，可以避免在煤粉爐燃燒過程中所暴露出致命的技術(shù)問題和成本太高所帶來的經(jīng)濟(jì)問題，是實(shí)現(xiàn)褐煤高效、潔凈、經(jīng)濟(jì)、合理能源利用的有效途徑。

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