O2/CO2氣氛下煤粉燃燒NO排放特性實(shí)驗(yàn)研究

原 輝， 劉彥豐， 劉雄偉

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

O2/CO2氣氛下煤粉燃燒NO排放特性實(shí)驗(yàn)研究

原 輝， 劉彥豐， 劉雄偉

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

利用沉降爐實(shí)驗(yàn)臺分別在O2/N2氣氛和O2/CO2氣氛下針對煤粉燃燒過程中NO排放量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究了CO2濃度、溫度以及過量空氣系數(shù)分別對單煤與混煤燃燒NO排放特性的影響，結(jié)果表明：相比于O2/N2燃燒氣氛，煤粉在O2/CO2氣氛下燃燒釋放的NO含量更低，其降低量約為30%～35%；在CO2濃度由20%變化到50%的過程中，所選煤種NO生成量逐漸下降，其變化幅度不大；隨著煤粉燃燒溫度的不斷升高，所選煤種在2種氣氛下燃燒生成的NO含量均有增長且在O2/N2氣氛下NO排放濃度增加更為明顯，當(dāng)溫度達(dá)到1 200 ℃和1 500 ℃這2個(gè)溫度點(diǎn)時(shí)可以發(fā)現(xiàn)NO排放濃度曲線斜率變化很大；隨著實(shí)驗(yàn)過程中過量空氣系數(shù)α的增加，在這2種氣氛下NO的生成量同樣呈現(xiàn)出上升的趨勢。

O2/CO2氣氛； NO生成量； 煤粉燃燒； CO排放濃度

0 引言

煤粉燃燒過程中排放的CO2、NO等污染物對全球范圍內(nèi)的溫室效應(yīng)影響很大，不同程度威脅著地球生態(tài)環(huán)境。為了有效減少燃煤過程中CO2的排放量。國內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)都逐漸將注意力集中在對O2/CO2氣氛下煤粉燃燒技術(shù)的研究上。該項(xiàng)技術(shù)以純氧代替空氣，并與煙氣混合，能夠有效捕集燃煤過程中產(chǎn)生的CO2，對潔凈煤燃燒有著積極的作用[1-3]。但是由于該燃燒技術(shù)所采用的氣氛不同于常規(guī)燃燒，因而在實(shí)際煤粉燃燒生成NO以及NO轉(zhuǎn)換過程中存在著顯著差異。

文獻(xiàn)[4]發(fā)現(xiàn)在O2/CO2氣氛下煤粉燃燒有助于NO排放量的減少，其降低量同常規(guī)氣氛煤粉燃燒下降約1/3。文獻(xiàn)[5]通過實(shí)驗(yàn)的方式分別對無煙煤及煙煤在O2/CO2燃燒氣氛和O2/N2燃燒氣氛下NO的排放特性進(jìn)行了對比，研究結(jié)果表明，相比于空氣燃燒氣氛，煤粉在O2/CO2氣氛下燃燒生成的NO含量大大減少，CO的還原反應(yīng)有效減少了NO的生成。文獻(xiàn)[6]以徐州煙煤和婁底無煙煤為研究對象，在水平管式爐上對比了O2/N2和O2/CO22種氣氛下NO的析出釋放規(guī)律，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高體積分?jǐn)?shù)CO形成的還原性氣氛是造成富氧燃燒條件下NO釋放濃度低于空氣氣氛的主要原因。文獻(xiàn)[7]利用Fluent數(shù)值模擬軟件針對煤粉在O2/CO2氣氛條件下燃燒及NO排放濃度特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，NO排放濃度的多少很大程度取決于峰值溫度，且沿軸向分布特性與溫度變化趨勢相近。文獻(xiàn)[8]通過氣體攜帶爐實(shí)驗(yàn)對2種燃燒氣氛下神華煤和陽泉無煙煤的NO釋放特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，在燃燒溫度從1 100 ℃到1 300 ℃的過程中，煙氣中的NO生成量呈現(xiàn)出先增大后減少的趨勢，并且在 1 200 ℃時(shí)NO生成量達(dá)到峰值。通過滴管爐對煤粉在O2/N2和O2/CO22種氣氛下燃燒生成的NO濃度進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)NO增加幅度隨O2濃度提高而減少。

目前由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制，國內(nèi)外對O2/CO2氣氛下煤粉燃燒NO排放特性主要集中于1 300 ℃以下[9-11]，對高溫1 200 ℃和1 500 ℃下NO的排放規(guī)律研究較少，且對混煤在不同比例氣氛下燃燒NO排放規(guī)律鮮有研究。為了解決上述問題，本文借助沉降爐實(shí)驗(yàn)臺對煤粉燃燒NO排放特性進(jìn)行了研究，分析對比了2種燃燒溫度下燃燒氣氛、CO2濃度和過量空氣系數(shù)對單煤和混煤煤粉燃燒NO生成量的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

1. O2鋼瓶; 2. CO2鋼瓶; 3. N2鋼瓶； 4. He鋼瓶； 5. 流量控制器； 6. 微量給粉器； 7. 氣粉混合器； 8. 爐體； 9. 溫控系統(tǒng)； 10. 過濾器； 11. 抽氣泵； 12. 煙氣分析儀； 13. 冷卻水出口； 14. 冷卻水進(jìn)口； 15. 自動煙氣測試儀圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡圖

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由爐體部分、溫控系統(tǒng)、給粉系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)以及樣品收集系統(tǒng)組成，其中溫控系統(tǒng)具有較高的精度，誤差維持在2 ℃之內(nèi)，溫度可控范圍為800～1 800 ℃，燃燒生成的煙氣首先經(jīng)過濾器處理后進(jìn)入德國MRU的VARIO PLUS型煙氣分析儀，對O2、CO和NO進(jìn)行測試。本實(shí)驗(yàn)給粉量為1 g/min，燃燒氣氛為O2/N2及O2/CO2混合氣體，根據(jù)給粉量、理論耗氧量、過量空氣系數(shù)、CO2比例計(jì)算理論進(jìn)氣量，氣流總量為10 L/min，當(dāng)?shù)陀?0 L時(shí)，用He進(jìn)行補(bǔ)充，這樣可以保持爐內(nèi)良好氣流，實(shí)驗(yàn)過程中設(shè)定自動煙氣測試儀的抽氣流量為10 L/min，使?fàn)t內(nèi)成微負(fù)壓。實(shí)驗(yàn)時(shí)先通氣體后啟動自動煙氣測試儀，最后開啟微量給粉器，實(shí)驗(yàn)采用大同煙煤和印尼褐煤，煤粉取過100目篩子部分，細(xì)度<150 μm，煤質(zhì)分析結(jié)果見表1。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 CO2濃度對NO生成量的影響

實(shí)驗(yàn)過程中選取T=1 200 ℃和T=1 500 ℃、O2/CO2氣氛、過量空氣系數(shù)為1.2的理論氧氣量，通過流量控制器對CO2進(jìn)氣量進(jìn)行調(diào)整來研究分析CO2濃度對NO生成量的影響。圖2、圖3分別表示3種煤粉在O2/CO2氣氛、溫度為1 200 ℃和1 500 ℃時(shí)，4種不同CO2濃度下燃燒煙氣中NO和CO的生成濃度結(jié)果。

圖2 3種煤粉在不同CO2濃度下NO排放濃度

圖3 3種煤粉在不同CO2濃度下CO排放濃度

由圖2可知，在2種燃燒溫度下隨著CO2濃度由10%增加到40%，3種煤的NO排放質(zhì)量濃度均逐漸降低，這主要是因?yàn)楦邼舛鹊腃O2條件下，產(chǎn)生了大量的CO，與NO發(fā)生還原反應(yīng)生成N2。此外，圖2中NO排放濃度曲線變化較緩，這是因?yàn)殡S著CO2濃度的增加，CO生成量增加幅度減小，對NO的還原反應(yīng)減弱，同時(shí)在O2/CO2氣氛下高濃度的O2與中間產(chǎn)物HCN和NH3發(fā)生氧化反應(yīng)生成NO，且CO2具有高密度、大比熱的物理性質(zhì)，使得煤粉燃燒速率減少、燃燼特性降低，從而促進(jìn)了燃料中N元素向NO的轉(zhuǎn)化，兩方面的綜合作用導(dǎo)致NO生成濃度降幅減緩[12]。

由圖2可知，CO2濃度由10%升至20%時(shí)，NO生成量的變化幅度明顯高于CO2濃度由30%升至40%時(shí)的NO變化幅度，反映出單純提高進(jìn)氣中CO2的濃度，NO的減排效果并不是十分理想，在增加CO2濃度的同時(shí)，應(yīng)合理控制進(jìn)氣中O2濃度，這樣才能有效減少NO的排放量[13]。對比圖2(a)、(b)發(fā)現(xiàn)，1 500 ℃下煤粉燃燒NO排放量明顯高于1 200 ℃，這說明高溫環(huán)境能夠增加煤粉的燃燼程度，促進(jìn)燃料中元素N向NO的轉(zhuǎn)化。此外，在CO2濃度不變的情況下，同煤燃燒生成的NO濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于印尼煤，這主要是由于同煤和印尼煤揮發(fā)分、含氮量和含碳量不同造成的。并且從NO生成量的變化速率來看，在2種溫度下，印尼煤燃燒產(chǎn)生的NO濃度變化幅度不大，而同煤和混煤則存在極大的差異，具體表現(xiàn)為1 500 ℃下NO的生成量減少速率明顯低于1 200 ℃。這主要是因?yàn)殡S著溫度的升高，氣化反應(yīng)速率加快，導(dǎo)致CO的生成量增大，對NO的還原增強(qiáng)，從而一定程度抑制了NO的生成。從圖中可以看出，在O2/CO2的燃燒氣氛、高溫高氧的情況下，混煤的NO生成曲線表現(xiàn)出同單煤燃燒時(shí)一樣的排放規(guī)律，基本維持在2種單煤單獨(dú)燃燒生成NO排放濃度的平均值。

2.2 溫度對NO排放的影響

圖4、5所示的分別是O2/N2氣氛和O2/CO2氣氛不同溫度下(900 ℃、1 200 ℃、1 500 ℃)3種煤粉NO的析出曲線。實(shí)驗(yàn)中采取過量空氣系數(shù)α=1.2、V(O2)/V(CO2/N2)=2∶8的燃燒條件。結(jié)果表明：隨著爐內(nèi)溫度的不斷升高，2種燃燒氣氛下NO排放量也隨之增加，所不同的是，O2/N2氣氛下NO排放量高于O2/CO2下NO的排放量。這主要是因?yàn)镺2/CO2氣氛中不存在分子氮，所以只能產(chǎn)生燃料型NO，而O2/N2氣氛中熱力型NO和快速型NO會隨溫度的升高迅速提高N元素的轉(zhuǎn)化率[14]。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在T=900 ℃左右時(shí)，2種燃燒氣氛下煤粉NO排放量從高到低依次是印尼煤、混煤和同煤，這是因?yàn)橛∧崦篘O的揮發(fā)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同煤。隨著溫度的繼續(xù)升高，2種氣氛下同煤煤粉燃燒生成的NO排放量逐漸超過印尼煤，這主要是由于隨著溫度升高，促進(jìn)了煤粉燃燼程度，NO生成量增加。當(dāng)T=1 200 ℃時(shí)，CO2與煤焦開始發(fā)生氣化反應(yīng)，促進(jìn)了CO對NO及中間產(chǎn)物的還原。這是在1 200 ℃以后，O2/CO2氣氛下NO排放量曲線斜率降低的原因。

圖4 O2/N2氣氛下不同溫度下NO排放量

圖5 O2/CO2氣氛下不同溫度下NO排放量

圖4中，溫度由1 200 ℃到1 500 ℃的區(qū)間內(nèi)3種煤粉NO排放量曲線斜率明顯增大，這主要是由于高溫環(huán)境下大量熱力型NO生成的緣故[15]。圖5中，不難發(fā)現(xiàn)在1 200 ℃到1 500 ℃之間，印尼煤NO排放量曲線斜率明顯低于混煤和同煤，這是由于印尼煤中含有的氮化物低于同煤，導(dǎo)致在高溫環(huán)境下抑制了燃料型NO的生成。比較兩圖，可以看出，隨著溫度由1 200 ℃增大到1 500 ℃，O2/CO2氣氛下NO排放量隨溫度的變化較相同燃燒條件下O2/N2氣氛下的變化要緩慢，這說明溫度的提高促進(jìn)了煤焦熱解，生成高濃度的CO在煤焦表面發(fā)生還原反應(yīng)，一定程度上抑制了NO的生成[16-17]。

2.3 過量空氣系數(shù)對NO排放的影響

決定煤粉燃燒是處于還原性氣氛還是氧化性氣氛最重要影響因素是過量空氣系數(shù)。圖6、圖7、圖8所示的分別是大同煙煤、印尼褐煤及其混煤在2種燃燒溫度(1 200 ℃、1 500 ℃)、2種氣氛(O2/CO2、O2/N2)下NO和CO隨過量空氣系數(shù)α(0.8、1.0、1.2、1.4)變化的析出曲線。實(shí)驗(yàn)中采取V(O2)/V(CO2/N2)=2∶8的燃燒條件。結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)中所取過量空氣系數(shù)的范圍內(nèi)，O2/N2氣氛下CO的排放量總小于O2/CO2氣氛，并且在α=0.8時(shí)，表現(xiàn)的最為明顯。這主要是因?yàn)樵谌紵跗?，高溫、高CO2濃度的環(huán)境下促進(jìn)了反應(yīng)(1)的進(jìn)行；實(shí)驗(yàn)中所取的3種煤粉在O2/N2氣氛下NO的排放量均高于O2/CO2氣氛，這是由于在高溫、O2/N2氣氛下生成大量熱力型NO的緣故[18]，且分別對比3種煤粉的(a)(b)兩圖，發(fā)現(xiàn)1 500 ℃時(shí)O2/N2氣氛下NO增加幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1 200 ℃，這說明溫度升高能夠促進(jìn)熱力型NO的生成。比較圖6、圖7，不難發(fā)現(xiàn)，2種煤粉在相同條件燃燒的情況下，同煤NO的排放量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于印尼煤，可見同煤中的氮化合物含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于印尼煤，再結(jié)合圖8，可以發(fā)現(xiàn)混煤的NO排放量介于同煤和印尼煤之間，這說明混煤燃燒可以一定程度減少NO的排放量[19]。

圖6 大同煙煤在不同氣氛下NO、CO排放濃度

圖7 印尼煤在不同氣氛下NO、CO排放濃度

圖8 混煤在不同氣氛下NO、CO排放濃度

由圖可知，隨著過量空氣系數(shù)α的逐漸增大，O2/N2和O2/CO2氣氛下CO濃度均呈現(xiàn)減少趨勢，而NO濃度則呈現(xiàn)出上升的趨勢。這是由于空氣量的增加促進(jìn)了煤粉的燃燼反應(yīng)，使得生成的CO在O2濃度不斷增大的情況下發(fā)生反應(yīng)(2)生成大量的CO2，而CO的減少抑制了異相反應(yīng)(3)和均相反應(yīng)(4)的進(jìn)行，O2濃度的增大也促進(jìn)了煤粉燃料型NO的生成，從而使得在燃料型NO不斷生成的前提下減少了NO向N2的轉(zhuǎn)化。當(dāng)過量空氣系數(shù)α從0.8～1.2 L時(shí)，無論是氧化性氣氛還是還原性氣氛，NO的生成速率和CO的減少速率都較于過量空氣系數(shù)由1.2～1.4變化更大。這說明空氣分級燃燒有助于控制O2濃度，對NO的減排有積極作用[20]。

CO2+C→2CO

(1)

2CO+O2→2CO2

(2)

(3)

(4)

3 結(jié)論

(1)在1 200 ℃和1 500 ℃下，隨著CO2濃度的增加，實(shí)驗(yàn)室所選3種煤粉的NO排放量逐漸降低，CO排放量逐漸升高，且兩者波動程度較小。當(dāng)CO2濃度由10%升至20%時(shí)的NO和CO生成量的變化幅度明顯高于CO2濃度由30%升至40%時(shí)的NO和CO的變化幅度，說明合理控制CO2濃度有助于減少NO的生成量。

(2)在O2/N2和O2/CO2氣氛下，實(shí)驗(yàn)室所選取的溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的提高，煤粉NO的生成量和轉(zhuǎn)化率均增大，同等條件下燃燒，O2/N2氣氛下NO的排放量高于O2/CO2氣氛，且溫度由1 200 ℃增大到1 500 ℃，O2/CO2氣氛下NO排放量隨溫度的變化比O2/N2氣氛下小，這說明溫度的提高可以促進(jìn)煤焦熱解，生成高濃度的CO可以有效抑制NO的排放量。

(3)在2種氣氛下隨著過量空氣系數(shù)的增大，實(shí)驗(yàn)室所選煤種的CO排放量呈下降趨勢，NO排放量則呈現(xiàn)上升趨勢，且過量空氣系數(shù)由0.8～1.2過程中，NO濃度的生成速率和CO的減少速率較大；在同一溫度、同一氣氛和同一過量空氣系數(shù)下比較，O2/N2氣氛下NO的排放量總是大于O2/CO2氣氛，O2/CO2氣氛下CO的排放量總是大于O2/N2氣氛。

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Experimental Investigation on NO Emission Characteristic During Pulverized Coal Combustion in O2/CO2Atmosphere

YUAN Hui， LIU Yanfeng， LIU Xiongwei

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

The NO emission of pulverized coal during the combustion in the O2/N2atmosphere and O2/CO2atmosphere was studied by using the sedimentation furnace test bed. The effects of the CO2concentration, temperature and excess air concentration on the NO emission characteristics of single coal and mixed coal were discussed. The results show that the NO content of the pulverized coal is lower than that of the O2/N2combustion atmosphere, and the decrement of the NO content in the O2/CO2atmosphere is about 30%～35%. When the CO2concentration changes from 20% to 50%, the amount of NO produced in the selected coal gradually decreased, and the change range is not large; with the rising pulverized coal combustion temperature, the selected coal in the two kinds of atmosphere combustion NO content increased, and the increase of NO emission concentration is more obvious in the O2/N2atmosphere. When the temperature reaches 1 200 ℃ and 1 500 ℃, it can be seen that the slope of the NO emission curve varies tremendously. With the increase of the excess air coefficient α, in these two atmospheres, the NO production also showed a rising trend.

O2/CO2atmosphere; NO emission concentration; pulverized coal combustion; CO emission concentration

2017-06-30。

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.12.007

TK161

A

1672-0792(2017)12-0038-06

原輝(1993-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娬惧仩t清潔煤燃燒。