煤焦燃燒特性與其脫硝效率間的關(guān)聯(lián)實驗研究

齊永鋒，李正明，徐 亮，張 揚，張冬冬，王妹婷

（揚州大學(xué)水利與能源動力工程學(xué)院，江蘇 揚州225127）

煤焦燃燒特性與其脫硝效率間的關(guān)聯(lián)實驗研究

齊永鋒*，李正明，徐 亮，張 揚，張冬冬，王妹婷

（揚州大學(xué)水利與能源動力工程學(xué)院，江蘇 揚州225127）

采用神木煙煤在高溫氮氣氣氛下制備煤焦，并探討了不同的氧氣體積分?jǐn)?shù)及取樣位置下煤焦脫硝與燃燒間的關(guān)聯(lián).結(jié)果表明：煤焦脫硝效能的最大發(fā)揮主要可通過再燃區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)的調(diào)控來實現(xiàn).當(dāng)再燃區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)低于3.26%時，控制氧氣體積濃度在煤焦表面實現(xiàn)表面氧化反應(yīng)控制下的燃燒狀態(tài)，能促進(jìn)煤焦顆粒大幅升溫，同時通過限制著火強(qiáng)度可以保證顆粒表面存在氧化反應(yīng)生成活性點所需的足夠氧氣，此時適當(dāng)延遲取樣有利于煤焦脫硝效率的提高；當(dāng)再燃區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)高于3.26%時，易導(dǎo)致煤焦進(jìn)入表面還原反應(yīng)控制燃燒狀態(tài)，過多延遲取樣則將失去強(qiáng)化脫硝的效果.

煤焦；脫硝；燃燒；表面氧化反應(yīng)；表面還原反應(yīng)

燃煤電站鍋爐中NOx的生成主要受燃燒過程特性的影響，因此通過控制燃燒過程來降低NOx排放的爐內(nèi)脫硝技術(shù)研究具有重要的現(xiàn)實意義，采用煤粉作為再燃燃料再燃降低NOx的方法已成為爐內(nèi)脫硝技術(shù)的研究熱點［1-3］.再燃過程中煤粉裂解析出揮發(fā)分的時間非常短暫，因而煤焦有較長的時間對煙氣中的NOx進(jìn)行異相還原，脫硝效能在煤粉再燃過程中起著重要作用［4］.徐亮等［5］發(fā)現(xiàn)揮發(fā)分含量較高的煤快速熱解形成的煤焦具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，由此推斷其吸附反應(yīng)活性較高. Burch［6］和Chen［7］等在小型流動反應(yīng)器中以煤粉作為再燃燃料研究了NOx的還原過程，發(fā)現(xiàn)在很寬的過量空氣系數(shù)范圍內(nèi)褐煤異相反應(yīng)機(jī)制對NOx還原的貢獻(xiàn)都大于同相反應(yīng).Liu等［8］認(rèn)為煙煤焦對煤粉再燃還原效率的貢獻(xiàn)約占40%.由于目前對煤焦異相脫硝反應(yīng)在影響因素、動力學(xué)機(jī)制實驗以及動力學(xué)過程模擬等方面仍存在很多認(rèn)識上的不足［9-10］，故煤焦脫硝特性對降低燃煤鍋爐NOx排放的研究仍須進(jìn)一步深入.本文首先采用我國燃煤電站使用的典型動力煤“神木煙煤”制備了煤焦，然后分析探討其脫硝與燃燒過程間的關(guān)聯(lián)，以期通過調(diào)控煤焦的燃燒狀態(tài)促進(jìn)其脫硝效能的最大發(fā)揮.

1　實驗方法

煤焦再燃實驗系統(tǒng)如圖1所示.采用N2，O2，CO2，NO等4種氣體配制模擬煙氣，其中N2為平衡氣體，一維爐尾煙氣采用Testo 350PRO煙氣分析儀進(jìn)行測量.選擇在1 000℃的氮氣氣氛下制備的神木煙煤煤焦作為再燃燃料，其分析基數(shù)據(jù)水分含量為0，灰分為6.59%，揮發(fā)分為2.76%，固定炭為90.65%，再燃燃料比例為20%，煤焦在再燃區(qū)最大停留時間為1.0 s，再燃區(qū)溫度為1 000℃.采用水冷取樣槍沿爐膛中心軸移動，與煙氣分析儀連接測量煤焦在不同停留時間的反應(yīng)情況，以初始模擬煙氣與煤焦燃燒后煙氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)的差值作為氧氣的消耗率.

2　結(jié)果分析與討論

圖2，3分別給出了煤焦再燃脫硝效率、再燃時氧氣消耗率和CO體積分?jǐn)?shù)隨再燃區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)φ（O2）及取樣位置的變化關(guān)系.

圖1　煤焦再燃實驗系統(tǒng)Fig.1 Experimental system for char reburning

由圖2可知：1）當(dāng)φ（O2）≤3.26%時，再燃區(qū)耗氧量上升緩慢，甚至?xí)霈F(xiàn)由于煤焦中殘存的氧氣釋放而導(dǎo)致耗氧量產(chǎn)生負(fù)值的情況，煤焦脫硝效率隨φ（O2）的增大呈現(xiàn)上升規(guī)律.其原因為：① 煤焦燃燒初期燃燒速率完全受表面氧化反應(yīng)速率控制，火焰基本停留在顆粒表面，促進(jìn)顆粒溫度大幅躍升，表面氧化反應(yīng)速率加快，而煤焦的異相脫硝反應(yīng)速率隨溫度增加呈指數(shù)規(guī)律增長，因此φ（O2）=3.26%時的煤焦脫硝效率較高［11］；②在煤焦制備過程中揮發(fā)分以“噴射”方式快速釋放，導(dǎo)致顆粒表面凹凸較多，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)［7］1968，在表面氧化反應(yīng)等作用下煤焦表面形成較多的有利于脫硝的自由活性點，這也為其異相還原NO的反應(yīng)提供了良好的條件. 2）當(dāng)φ（O2）＞3.26%時，再燃區(qū)耗氧量大幅上升，表明該階段煤焦著火比較劇烈，此時煤焦脫硝效率隨φ（O2）的增大而逐漸下降.圖2（c）中的CO體積分?jǐn)?shù)曲線的變化規(guī)律亦能說明φ（O2）＞3.26%時燃燒比較劇烈，且煤焦表面的氧化反應(yīng)或CO2還原反應(yīng)生成的CO氣體較多.其原因為：① 隨著煤焦燃燒速率的加快，CO燃燒消耗了較多原本可擴(kuò)散至顆粒表面的O2，表面氧化反應(yīng)速率迅速下降，此時顆粒周圍較高的溫度和氣相反應(yīng)生成的大量CO2又促進(jìn)了表面還原反應(yīng)的發(fā)生；②當(dāng)顆粒溫度很高時表面氧化反應(yīng)因CO燃燒幾乎消耗了全部O2而停滯，燃燒完全被表面還原反應(yīng)所控制，受O2擴(kuò)散控制影響，火焰移動至距離顆粒較遠(yuǎn)的位置，不利于煤焦表面自由活性點的生成［11］1358；③NO的異相分解速率與固定炭燃燒速率相似，在900～1 300 K范圍由動力學(xué)控制，高于1 300 K時由擴(kuò)散控制，故此時能夠到達(dá)煤粉顆粒表面的NO與O2都很少，同時由于煤焦比表面積主要集中于顆粒內(nèi)表面，受擴(kuò)散控制能夠進(jìn)入煤焦內(nèi)部空隙的NO與O2更少，異相還原作用開始減弱［7］1968.

圖2　再燃區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)對煤焦再燃的影響Fig.2 The influence of oxygen volume fraction in reburning zone on char reburning

由圖3可知：1）當(dāng)再燃區(qū)φ（O2）=2.79%時，隨著取樣位置的延遲，煤焦脫硝效率基本呈持續(xù)上升趨勢，這是由于此時煤焦燃燒基本受表面氧化反應(yīng)控制，適當(dāng)延長再燃煤焦的停留時間將有利于脫硝效率的提高；2）當(dāng)再燃區(qū)φ（O2）=4.66%時，煤焦燃燒劇烈，隨著停留時間的延長煤焦脫硝效率增長幅度較φ（O2）=2.79%工況下的小，甚至在后期出現(xiàn)下降趨勢.由此表明當(dāng)煤焦發(fā)生劇烈燃燒進(jìn)入表面還原反應(yīng)控制階段時，能夠到達(dá)煤焦表面用于生成活性點的氧氣已經(jīng)很少，過多延遲取樣對提高脫硝效率毫無意義.

圖3　取樣位置對煤焦再燃的影響Fig.3 The influence of sampling position on char reburning

綜上所述，針對燃燒典型動力煤“神木煙煤”的電站煤粉鍋爐，通過煤粉再燃技術(shù)來降低氮氧化物的排放具有較好的應(yīng)用前景，特別是可通過控制再燃區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)來實現(xiàn)煤焦表面氧化反應(yīng)控制下的燃燒，促進(jìn)顆粒升溫，同時通過限制著火強(qiáng)度以保證表面氧化所需的氧氣，可以最大程度地發(fā)揮煤焦脫硝效率.

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Experimental investigation on the correlation between denitration efficiency and char combustion characteristics

QI Yongfeng*，LI Zhengming，XU Liang，ZHANG Yang，ZHANG Dongdong，WANG Meiting
（Sch of Hydraul&Energy Power Engin，Yangzhou Univ，Yangzhou 225127，China）

The experiments on correlation between char combustion characteristic and its denitration efficiency are carried out by using char prepared with Shenmu bituminous coal in high-temperature nitrogen.It is found that the char denitration can full bring into play by regulating oxygen in reburning zone.If the char combustion is controlled by surface oxidation reaction with oxygen volume fraction lower than 3.26%and enough oxygen can reach char surface to generate active points by oxidation reaction with oxygen regulation，the char temperature will increase sharply and the denitration efficiency can also increase with delayed sampling.However，if the char combustion is controlled by surface reducing reaction under high oxygen atmosphere，i.e.oxygen volume fraction is higher than 3.26%，the delayed sampling has no significance for strengthening NOxreduction.

char；denitration；combustion；surface oxidation reaction；surface reducing reaction

TQ 534；X 701.7

A

1007-824X（2015）01-0053-04

（責(zé)任編輯 林 子）

2013-11-29.*聯(lián)系人，E-mail：yfqi@yzu.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金資助項目（51106133）；江蘇省科技支撐計劃（社會發(fā)展）項目（BE2014682）；江蘇省自然科學(xué)基金資助項目（BK2010314）；江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項目（10KJB470010，12KJB510032）.

齊永鋒，李正明，徐亮，等.煤焦燃燒特性與其脫硝效率間的關(guān)聯(lián)實驗研究［J］.揚州大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2015，18（1）：53-56.