典型煤種O2/CO2/H2O氣氛下中高溫燃燒時(shí)NO的生成特性

雷 鳴， 黃星智， 王春波

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院， 河北保定 071003)

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典型煤種O2/CO2/H2O氣氛下中高溫燃燒時(shí)NO的生成特性

雷 鳴， 黃星智， 王春波

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院， 河北保定 071003)

利用自制恒溫?zé)岱治鱿到y(tǒng)研究了大同煙煤和陽(yáng)泉無(wú)煙煤在O2/CO2/H2O氣氛下中高溫燃燒時(shí)NO的釋放行為，并與O2/N2和O2/CO2氣氛下的情況進(jìn)行了對(duì)比分析.結(jié)果表明：當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，大同煙煤在O2/CO2和O2/N2氣氛下燃燒時(shí)只有一個(gè)NO體積分?jǐn)?shù)峰，而在O2/CO2/H2O氣氛下卻變成一前一后2個(gè)峰；當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)升高到21%后，大同煙煤在O2/CO2/H2O氣氛中的NO釋放過(guò)程又變?yōu)橐粋€(gè)體積分?jǐn)?shù)峰；陽(yáng)泉無(wú)煙煤的NO釋放過(guò)程與大同煙煤類似；大同煙煤在O2/CO2氣氛中的NO排放量始終低于O2/N2氣氛中；由于低氧氣體積分?jǐn)?shù)下H2O氣化反應(yīng)的影響，大同煙煤在O2/CO2/H2O氣氛中的NO排放量在高溫下高于O2/CO2氣氛中；氧氣體積分?jǐn)?shù)升高后，大同煙煤在O2/CO2/H2O氣氛中的NO排放量又低于O2/CO2氣氛中；陽(yáng)泉無(wú)煙煤的NO排放量高于大同煙煤，但其不同氣氛下的變化趨勢(shì)與大同煙煤一致.

富氧燃燒； O2/CO2/H2O氣氛； NO生成特性； 恒溫?zé)岱治鱿到y(tǒng)

富氧燃燒(O2/CO2燃燒)作為一種可實(shí)現(xiàn)較低成本捕集CO2的新型燃燒技術(shù)，已獲得國(guó)內(nèi)外學(xué)者的高度關(guān)注[1].由于采用純氧代替空氣作為氧化劑，煤粉富氧燃燒煙氣的主要成分由N2轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2和H2O,根據(jù)燃料和煙氣循環(huán)方式的不同，其富集體積分?jǐn)?shù)一般為60%～70%和25%～35%[2].在富氧氣氛中，CO2和H2O均會(huì)作用于燃燒過(guò)程進(jìn)而影響NO的生成與還原，但目前的學(xué)者大部分針對(duì)O2/CO2氣氛中NO的排放特性展開(kāi)研究，涉及O2/CO2/H2O氣氛的研究較少.

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

煤粉的燃燒實(shí)驗(yàn)在固定床實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，如圖1所示.該系統(tǒng)的主要設(shè)備包括智能溫度控制管式爐、蒸汽發(fā)生裝置和煙氣分析儀等，詳細(xì)介紹參見(jiàn)文獻(xiàn)[7].

圖1 固定床實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖

實(shí)驗(yàn)用煤的工業(yè)分析和元素分析見(jiàn)表1.原煤經(jīng)磨制后，篩選粒徑為75～96 μm的煤粉干燥備用.實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先將管式爐升溫至目標(biāo)溫度，然后啟動(dòng)蒸汽發(fā)生裝置并通入反應(yīng)氣體，開(kāi)啟電腦及煙氣分析儀；稱取約(80±0.05) mg煤粉，均勻平鋪于剛玉舟內(nèi)，然后將剛玉舟置于支架上，閉合爐體進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn).管式爐的出口通過(guò)硅膠管與煙氣分析儀相連，煤粉燃燒的氣體產(chǎn)物由載氣攜帶進(jìn)入煙氣分析儀進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).氣體總體積流量為2.67 L/min.校正實(shí)驗(yàn)表明，該體積流量已能充分消除外擴(kuò)散的影響.在無(wú)特別說(shuō)明情況下，水蒸氣體積分?jǐn)?shù)為20%.文獻(xiàn)[8]～文獻(xiàn)[10]中指出，在1 200 ℃以下可基本不考慮熱力型NO的生成，故實(shí)驗(yàn)溫度范圍選擇1 000～1 200 ℃.

表1 煤的工業(yè)分析和元素分析

采用以下2個(gè)參數(shù)來(lái)描述燃料氮的釋放特性：一個(gè)是NO析出瞬時(shí)體積分?jǐn)?shù)；另一個(gè)是煤燃燒時(shí)的NO排放量(XNO)[3]，由式(1)計(jì)算：

(1)

式中：XNO為NO排放量，mg/g；φNO為煙氣中NO的體積分?jǐn)?shù)，μL/L；qV為煙氣體積流量，L/s；Vm為氣體摩爾體積，mol/L；mcoal為煤樣質(zhì)量，g；MNO為NO的摩爾質(zhì)量，mg/mol.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 NO釋放過(guò)程

2.1.1 不同溫度時(shí)NO釋放過(guò)程

圖2給出了大同煙煤在1 000 ℃時(shí)不同氧氣體積分?jǐn)?shù)下NO的釋放過(guò)程.由圖2可知，隨著燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，NO開(kāi)始析出并形成一個(gè)體積分?jǐn)?shù)峰，之后NO體積分?jǐn)?shù)逐漸降低.當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，NO體積分?jǐn)?shù)低且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng).主要原因是煤粉顆粒周?chē)鯕庥邢?，燃燒速率低，燃料N向NO轉(zhuǎn)化慢.氧氣體積分?jǐn)?shù)增加到21%時(shí)，煤粉燃燒速率提高，燃料N釋放速率加快，NO最大體積分?jǐn)?shù)升高，釋放過(guò)程縮短.

無(wú)論是低氧氣體積分?jǐn)?shù)還是高氧氣體積分?jǐn)?shù)，煤粉在O2/N2氣氛下燃燒時(shí)NO體積分?jǐn)?shù)均為最高，其次是O2/CO2氣氛，最后是O2/CO2/H2O氣氛.在O2/CO2氣氛下，由于CO2本身的高密度、大比熱容，使得該氣氛下煤粉的燃燒溫度降低、燃燒速率減緩[11-12]，燃料N向NO的轉(zhuǎn)化率降低，釋放時(shí)間延長(zhǎng)[13-14]；此外，與O2/N2氣氛相比，O2/CO2氣氛中高體積分?jǐn)?shù)的CO2可能與煤焦發(fā)生氣化反應(yīng)(式(2))生成CO，促進(jìn)了NO的均相還原反應(yīng)(式(3))[15].在O2/CO2/H2O氣氛中，除了以HCN和NH3等形式析出的揮發(fā)分N，焦炭N也可經(jīng)過(guò)多相反應(yīng)轉(zhuǎn)化生成HCN，這些HCN和NH3等含氮前驅(qū)體會(huì)經(jīng)過(guò)一系列的脫氫或結(jié)合反應(yīng)最終生成NH和NCO基團(tuán)[16].根據(jù)胡曉煒等的研究[6]，向反應(yīng)氣氛中添加H2O后，在反應(yīng)(4)的作用下，燃燒過(guò)程中的主要鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(5)受到抑制，從而增加了OH的體積分?jǐn)?shù)并降低了O基團(tuán)的體積分?jǐn)?shù).這使得NH與O的反應(yīng)(6)受到抑制，從而增加了NO與還原性基團(tuán)經(jīng)反應(yīng)(7)生成N2的可能性，減少了NO的生成.

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(a) 5% φ(O2)

(b) 21% φ(O2)

Fig.2 NO release profiles of Datong bituminous coal at 1 000 ℃ and different oxygen concentrations

圖3給出了大同煙煤在1 100 ℃時(shí)不同氧氣體積分?jǐn)?shù)下NO的釋放過(guò)程.由圖3可知，溫度升高后，在氧氣體積分?jǐn)?shù)一定時(shí)，煤粉在O2/N2和O2/CO2氣氛中燃燒時(shí)NO的釋放過(guò)程與1 000 ℃時(shí)類似，均只有一個(gè)NO體積分?jǐn)?shù)峰，且O2/N2氣氛中的峰值要高于O2/CO2氣氛中.但在5%氧氣體積分?jǐn)?shù)下，煤粉在O2/CO2氣氛中燃燒時(shí)的NO釋放過(guò)程卻較O2/N2氣氛中縮短，而氧氣體積分?jǐn)?shù)升高后，兩者又趨于一致.當(dāng)煤粉在O2/CO2/H2O氣氛中燃燒時(shí)，在5%氧氣體積分?jǐn)?shù)下，NO釋放曲線有一前一后2個(gè)較小的體積分?jǐn)?shù)峰，其釋放時(shí)間也有所縮短，氧氣體積分?jǐn)?shù)升高到21%后，其NO釋放過(guò)程與O2/N2氣氛和O2/CO2氣氛中相近，均只有1個(gè)獨(dú)立的NO體積分?jǐn)?shù)峰.

當(dāng)溫度由1 000 ℃升高到1 100 ℃后，煤焦的CO2和H2O氣化反應(yīng)均開(kāi)始加速，其增幅可能較燃燒反應(yīng)更為明顯，尤其是在低氧氣體積分?jǐn)?shù)下的燃盡階段[17].此時(shí)，因?yàn)镃O2氣化反應(yīng)的作用，煤粉在O2/CO2氣氛中燃燒后期的反應(yīng)速率高于在O2/N2氣氛中[17]，使得煤粉燃盡提前，NO釋放時(shí)間縮短.氧氣體積分?jǐn)?shù)升高后，氣化反應(yīng)作用減弱，2種氣氛中NO釋放時(shí)間的差距縮小.

(a) 5% φ(O2)

(b) 21% φ(O2)

Fig.3 NO release profiles of Datong bituminous coal at 1 100 ℃ and different oxygen concentrations

當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，大同煙煤在O2/CO2/H2O氣氛中的第一個(gè)NO體積分?jǐn)?shù)峰主要源于煤燃燒過(guò)程中燃料N(包括揮發(fā)分N和部分焦炭N)的釋放，而第二個(gè)體積分?jǐn)?shù)峰則可能是煤焦H2O氣化生成的HCN和NH3等含氮前驅(qū)體氧化而成的.文獻(xiàn)[17]中指出，當(dāng)CO2和H2O共存時(shí)，因CO2氣化表觀活化能高且反應(yīng)速率慢，其在煤焦的共氣化反應(yīng)中可能起次要作用，故溫度升高后，H2O氣化反應(yīng)速率將明顯高于CO2氣化反應(yīng)速率.煤焦在與H2O發(fā)生氣化反應(yīng)時(shí)可能經(jīng)如下途徑(式(8)和式(9))產(chǎn)生額外的HCN，其中有一部分HCN會(huì)經(jīng)反應(yīng)(10)轉(zhuǎn)化為NH3，這些HCN和NH3可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為NH和NCO等活性基團(tuán)[18].Sch?fer等[19]認(rèn)為在一定的溫度范圍內(nèi)(800～1 100 ℃)，這些含氮基團(tuán)對(duì)NO主要起還原作用(反應(yīng)(7)和反應(yīng)(11))，但1 100 ℃已經(jīng)達(dá)到其還原作用的上限溫度，由于溫度較高，這時(shí)可能有更多的NH和NCO經(jīng)反應(yīng)(6)和反應(yīng)(12)氧化生成NO，從而形成第二個(gè)NO體積分?jǐn)?shù)峰.當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)增加到21%后，因?yàn)樵诿航沟娜紵笃谘鯕廨^為充足，故氣化反應(yīng)較低氧氣體積分?jǐn)?shù)時(shí)減弱，沒(méi)有出現(xiàn)獨(dú)立的NO體積分?jǐn)?shù)峰.

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

圖4給出了大同煙煤在1 200 ℃時(shí)不同氧氣體積分?jǐn)?shù)下NO的釋放過(guò)程.對(duì)比圖3和圖4可知，溫度的升高并沒(méi)有改變O2/N2氣氛中相對(duì)于O2/CO2氣氛中較高的NO體積分?jǐn)?shù)，但在5%氧氣體積分?jǐn)?shù)下，煤粉在2種氣氛中NO釋放時(shí)間的差距卻較1 100 ℃時(shí)有所增大，而氧氣體積分?jǐn)?shù)升高后，差距又逐步減小.

(a) 5% φ(O2)

(b) 21% φ(O2)

Fig.4 NO release profiles of Datong bituminous coal at 1 200 ℃ and different oxygen concentrations

在O2/CO2/H2O氣氛中，當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，NO釋放曲線前后2個(gè)體積分?jǐn)?shù)峰變得更為突出，其釋放時(shí)間也明顯縮短，而氧氣體積分?jǐn)?shù)增加后，NO釋放過(guò)程與O2/N2氣氛中和O2/CO2氣氛中相近，均只有1個(gè)獨(dú)立的NO體積分?jǐn)?shù)峰.溫度升高到1 200 ℃后，在低氧氣體積分?jǐn)?shù)下，CO2氣化反應(yīng)在燃盡階段的影響進(jìn)一步增強(qiáng)，促進(jìn)了煤粉的消耗[20]，導(dǎo)致O2/CO2氣氛中NO釋放時(shí)間較O2/N2氣氛中縮短.氧氣體積分?jǐn)?shù)的升高則削弱了氣化反應(yīng)的作用，使得不同氣氛中NO釋放時(shí)間的差距縮小.在O2/CO2/H2O氣氛中，煤粉的燃燒速率及相應(yīng)燃料N的釋放速率因溫度的升高而加速，導(dǎo)致第一個(gè)NO體積分?jǐn)?shù)峰較1 100 ℃時(shí)有所提高.同時(shí)，煤粉在低氧氣體積分?jǐn)?shù)下燃燒后期的焦炭H2O氣化反應(yīng)速率也有顯著加快，進(jìn)而產(chǎn)生大量的HCN和NH3,并轉(zhuǎn)化為NH和NCO等含氮基團(tuán)，而此時(shí)的溫度已經(jīng)超過(guò)還原反應(yīng)溫度的上限(1 100 ℃)[19]，因此NH和NCO將更多地氧化生成NO，從而形成第二個(gè)NO體積分?jǐn)?shù)峰.此外，由于氣化反應(yīng)的作用，加快了煤粉的燃盡，使得NO釋放時(shí)間縮短.氧氣體積分?jǐn)?shù)提高后，氣化反應(yīng)的影響減弱，經(jīng)含氮前驅(qū)體氧化生成的NO減少，故無(wú)法在燃燒后期形成突出的NO體積分?jǐn)?shù)峰.

2.1.2 不同煤種時(shí)NO釋放過(guò)程

圖5給出了陽(yáng)泉無(wú)煙煤在1 200 ℃時(shí)不同氧氣體積分?jǐn)?shù)下的NO釋放過(guò)程.與大同煙煤類似，在5%氧氣體積分?jǐn)?shù)下，陽(yáng)泉無(wú)煙煤在O2/N2氣氛和O2/CO2氣氛中燃燒時(shí)均只有1個(gè)NO體積分?jǐn)?shù)峰，且后者要低于前者，而在O2/CO2/H2O氣氛中卻有一前一后2個(gè)NO體積分?jǐn)?shù)峰，其NO釋放時(shí)間也按O2/N2氣氛、O2/CO2氣氛和O2/CO2/H2O氣氛的順序依次縮短；當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)升高到21%后，陽(yáng)泉無(wú)煙煤在3種氣氛中燃燒時(shí)均只有1個(gè)明顯的NO體積分?jǐn)?shù)峰.

(a) 5% φ(O2)

(b) 21% φ(O2)

Fig.5 NO release profiles of Yangquan anthracite at 1 200 ℃ and different oxygen concentrations

然而，與大同煙煤不同的是，當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，陽(yáng)泉無(wú)煙煤在O2/CO2/H2O氣氛下燃燒過(guò)程中的第二個(gè)NO體積分?jǐn)?shù)峰卻顯著高于第一個(gè)NO體積分?jǐn)?shù)峰.如前所述，由于CO2熱物性以及CO2氣化反應(yīng)的影響，陽(yáng)泉無(wú)煙煤在O2/CO2氣氛中的NO排放體積分?jǐn)?shù)低于在O2/N2氣氛中.在低氧氣體積分?jǐn)?shù)下，由于氣化反應(yīng)的作用，煤粉在O2/CO2和O2/CO2/H2O氣氛中的反應(yīng)速率會(huì)逐步提高，促進(jìn)了煤粉的燃盡，相應(yīng)地縮短了NO的釋放時(shí)間.由于陽(yáng)泉無(wú)煙煤揮發(fā)分含量低，所以其在燃燒過(guò)程中必然只有很少燃料N以氣態(tài)形式析出，大部分燃料N應(yīng)以固態(tài)焦炭N的形式轉(zhuǎn)化釋放[21].當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)較低時(shí)，在煤粉燃燒的后期，因?yàn)闅埩舻慕固縉數(shù)量很多，因而H2O氣化(式(8)～式(10))生成的含氮前驅(qū)體以及相應(yīng)的活性基團(tuán)數(shù)量也會(huì)有所增加，并更多地被氧化生成NO，從而造成第二個(gè)體積分?jǐn)?shù)峰明顯高于燃燒初期的NO體積分?jǐn)?shù)峰.

2.2 NO釋放量

圖6給出了由式(1)計(jì)算而得的大同煙煤在不同溫度下的NO排放量.如圖6所示，在5%氧氣體積分?jǐn)?shù)下，由于CO2熱物性以及氣化反應(yīng)的影響，大同煙煤在O2/CO2氣氛中的NO排放量總是低于在O2/N2氣氛中，但O2/CO2/H2O氣氛中NO排放量的變化卻較為復(fù)雜.

在1 000 ℃時(shí)，大同煙煤在O2/CO2/H2O氣氛中的NO排放量要低于O2/CO2氣氛中.因?yàn)榇藭r(shí)溫度較低，氣化反應(yīng)的影響較小，添加H2O后增加了NO與還原性基團(tuán)生成N2的可能性，導(dǎo)致NO排放量減少[6].溫度升高到1 100 ℃后，O2/CO2/H2O氣氛中的NO排放量仍低于O2/CO2氣氛中，但兩者之間的差距減小.主要原因是溫度的升高加快了燃燒后期煤焦的H2O氣化反應(yīng)，生成了更多的HCN和NH3等含氮前驅(qū)體.這些含氮化合物在高溫下將更快地氧化生成NO，而此時(shí)已經(jīng)接近燃盡階段，因?yàn)闊o(wú)燃料N的繼續(xù)析出，即使有H2O存在，NO均相還原作用也將明顯減弱，導(dǎo)致NO生成量增加，從而部分抵消了燃燒前期H2O加入后因還原性基團(tuán)數(shù)量提高而對(duì)NO生成的抑制作用，使得O2/CO2和O2/CO2/H2O氣氛中的NO排放量逐漸接近.在1 200 ℃時(shí)，煤焦H2O氣化反應(yīng)進(jìn)一步加速，氣化生成的HCN和NH3等含氮前驅(qū)體在高溫下將更多地氧化生成NO，超過(guò)了因添加H2O而在還原性基團(tuán)作用下減少的NO排放量，因此O2/CO2/H2O氣氛中的NO排放量要高于O2/CO2氣氛中，但在CO2熱物性和氣化反應(yīng)的影響下，其NO排放量還是要低于O2/N2氣氛的.此外，隨著溫度的提高，大同煙煤在3種氣氛中的NO排放量均逐漸降低.可能的原因是溫度升高強(qiáng)化了煤焦的異相還原反應(yīng)，導(dǎo)致NO排放量有所降低[22].

(a) 5% φ(O2)

(b) 21% φ(O2)

Fig.6 NO emission of Datong bituminous coal at different temperatures

當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)為21%時(shí)，大同煙煤在相同溫度下的NO排放量較氧氣體積分?jǐn)?shù)為5%時(shí)均有所升高.主要原因是氧氣體積分?jǐn)?shù)的升高使得大部分的NH3/HCN直接氧化為NO，導(dǎo)致NO的均相還原效應(yīng)降低；同時(shí)，煤粉的燃燒特性也得到改善，促進(jìn)了燃料N向NO的轉(zhuǎn)化[23].在此氧氣體積分?jǐn)?shù)下，即使溫度升高到1 200 ℃，大同煙煤在O2/N2、O2/CO2和O2/CO2/H2O氣氛中的NO排放量仍依次降低.氧氣體積分?jǐn)?shù)升高后,煤焦H2O氣化的影響減弱,HCN和NH3等含氮前驅(qū)體生成量減少,相應(yīng)的NO生成量也有所降低,此時(shí)H2O在燃燒過(guò)程中的主要作用機(jī)理是:通過(guò)提高還原性基團(tuán)與NO反應(yīng)生成N2的可能性而減少NO排放[6],故在高氧氣體積分?jǐn)?shù)下O2/CO2/H2O氣氛中的NO排放量總是低于O2/CO2氣氛中.此外,由于H2O加入后還原性基團(tuán)含量的增加,使得O2/CO2/H2O氣氛中NO增長(zhǎng)幅度較小,所以氧氣體積分?jǐn)?shù)升高后H2O對(duì)NO生成的影響更為顯著.

圖7給出了大同煙煤和陽(yáng)泉無(wú)煙煤在不同溫度下的NO排放量.如圖7所示，在5%氧氣體積分?jǐn)?shù)下，與大同煙煤類似，陽(yáng)泉無(wú)煙煤在O2/CO2氣氛中的NO排放量低于O2/N2氣氛中，而在O2/CO2/H2O氣氛中的排放量卻高于O2/CO2氣氛中.如前所述，雖然添加H2O后還原性基團(tuán)數(shù)量的增加可還原一部分燃燒前期生成的NO，但在低氧氣體積分?jǐn)?shù)下，煤焦H2O氣化會(huì)產(chǎn)生大量HCN和NH3等含氮前驅(qū)體，而此時(shí)燃燒溫度較高，這些含氮前驅(qū)體會(huì)進(jìn)一步氧化生成更多NO，再考慮到燃盡階段均相還原作用的減弱，最終造成燃燒后期的NO生成量超過(guò)前期的NO還原量.氧氣體積分?jǐn)?shù)升高到21%后，煤焦H2O氣化作用減弱，因?yàn)榉磻?yīng)氣氛中的H2O主要影響了還原性基團(tuán)的數(shù)量，導(dǎo)致NO的排放量減少，故在高氧氣體積分?jǐn)?shù)下O2/CO2/H2O氣氛中的NO排放量低于O2/CO2氣氛中.此外，無(wú)論氧氣體積分?jǐn)?shù)的高低，陽(yáng)泉無(wú)煙煤的NO排放量總是高于大同煙煤的.主要原因可能是無(wú)煙煤揮發(fā)分含量低，而焦炭N向NO轉(zhuǎn)化率較高[24].

(a) 5% φ(O2)

(b) 21% φ(O2)

圖8給出了在1 200 ℃時(shí)水蒸氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)大同煙煤燃燒NO排放量的影響.在5%氧氣體積分?jǐn)?shù)下，隨著水蒸氣體積分?jǐn)?shù)的增加，燃煤NO排放量逐漸升高，而當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)增加到21%后，NO排放量卻隨著水蒸氣體積分?jǐn)?shù)的增加而逐漸降低.當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)較低時(shí)，雖然水蒸氣體積分?jǐn)?shù)升高后還原性基團(tuán)的數(shù)量有所增加，但燃燒后期煤焦H2O氣化反應(yīng)速率也加速[17]，氣化生成的HCN和NH3等含氮前驅(qū)體以及隨之氧化生成的NO數(shù)量也增加，超過(guò)了燃燒前期因H2O添加而減少的NO生成量.當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)較高時(shí)，因?yàn)镠2O氣化影響較小，隨著水蒸氣體積分?jǐn)?shù)的增加，還原性基團(tuán)的數(shù)量逐漸增多，導(dǎo)致NO排放量逐漸降低.

(a) 5% φ(O2)

(b) 21% φ(O2)

3 結(jié) 論

(1) 在實(shí)驗(yàn)條件下，大同煙煤在O2/CO2氣氛和O2/N2氣氛中燃燒時(shí)均只有1個(gè)NO體積分?jǐn)?shù)峰，且前者始終低于后者.當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)較低時(shí)，隨著溫度的升高，由于煤焦H2O氣化反應(yīng)的作用，大同煙煤在O2/CO2/H2O氣氛中的NO釋放過(guò)程逐漸由1個(gè)體積分?jǐn)?shù)峰變?yōu)橐磺耙缓?個(gè)體積分?jǐn)?shù)峰.但是當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)升高后，由于氣化反應(yīng)的影響減弱，大同煙煤在O2/CO2/H2O氣氛中的NO釋放過(guò)程始終只有1個(gè)NO體積分?jǐn)?shù)峰.陽(yáng)泉無(wú)煙煤的NO釋放過(guò)程與大同煙煤類似.

(2) 大同煙煤在O2/CO2氣氛中的NO排放量始終低于在O2/N2氣氛中.當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)較低時(shí)，隨著溫度的升高，在H2O氣化反應(yīng)的作用下，大同煙煤在O2/CO2/H2O氣氛中的NO排放量逐漸接近并超過(guò)O2/CO2氣氛中.但是氧氣體積分?jǐn)?shù)的升高削弱了氣化反應(yīng)的影響，使得大同煙煤在O2/CO2/H2O氣氛中的NO排放量始終低于在O2/CO2氣氛中.陽(yáng)泉無(wú)煙煤的NO排放量高于大同煙煤，但其不同氣氛下的變化趨勢(shì)與大同煙煤一致.

(3) 在1 200 ℃下，當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)較低時(shí)，因?yàn)樘岣咚魵怏w積分?jǐn)?shù)促進(jìn)了H2O的氣化，燃煤NO排放量逐漸升高，而由于氧氣體積分?jǐn)?shù)增加后氣化影響減弱，導(dǎo)致NO排放量隨著水蒸氣體積分?jǐn)?shù)的升高而逐漸降低.

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NO Emission Characteristics of Typical Coals Under O2/CO2/H2O Atmosphere at Intermediate and High Temperatures

LEI Ming, HUANG Xingzhi, WANG Chunbo

(School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, Hebei Province, China)

NO emission characteristics of Datong bituminous coal (DT) and Yangquan anthracite (YQ) under O2/H2O/CO2atmosphere at intermediate and high temperatures were investigated in an isothermal thermal analysis system, and the experimental results were subsequently compared with those under O2/N2and O2/CO2atmospheres. Results indicate that there is an obvious peak in the NO release curve of DT under O2/N2and O2/CO2atmospheres at 5% oxygen concentration, but the only NO peak turns into two separated ones under O2/CO2/H2O atmosphere. However, when the oxygen concentration gets up to 21%, the two separated peaks turn back into one peak under O2/CO2/H2O atmosphere. The NO release profiles of YQ are similar to those of DT. The NO emission of DT in O2/CO2is always lower than that in O2/N2. At high temperatures, the NO emission of DT in O2/CO2/H2O is higher than that in O2/CO2due to H2O gasification at low oxygen concentrations. But as the oxygen concentration increases, the NO emission of DT in O2/CO2/H2O becomes lower compared to that in O2/CO2. The NO emission of YQ is higher than that of DT, but the changing trend is similar to that of DT under different atmospheres.

oxy-fuel combustion; O2/CO2/H2O atmosphere; NO emission characteristics; isothermal thermal analysis system

2016-07-26

河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(E2016502094)；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016YFB0600701)

雷 鳴(1984-)，男，河北保定人，講師，博士，研究方向?yàn)楦咝У臀廴久喝紵碚撆c污染物控制.電話(Tel．)：13833051241； E-mail：ncepu_lm@126.com．

1674-7607(2017)06-0432-08

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