預(yù)熱燃料在無焰燃燒模式下的NOx排放特性

劉 穩(wěn)，歐陽子區(qū)，曹曉陽，那永潔1,

(1. 中國科學(xué)院大學(xué) 工程科學(xué)學(xué)院, 北京 100049； 2. 中國科學(xué)院 工程熱物理研究所，北京 100190)

為了控制煤粉等固體燃料燃燒過程中的NOx排放，低NOx燃燒技術(shù)得到迅猛發(fā)展。由于國家的環(huán)保要求越發(fā)嚴(yán)格，因此現(xiàn)有的技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)NOx的達(dá)標(biāo)排放。

作為新型燃燒技術(shù)，無焰燃燒技術(shù)在NOx排放控制上展現(xiàn)出巨大潛力[1-2]，最近30年得到眾多研究人員的青睞并迅速發(fā)展。研究結(jié)果表明，在無焰燃燒區(qū)域內(nèi)，燃燒溫度分布均勻，溫度峰值低，無火焰鋒面，噪音小且NOx排放水平低[3-4]。無焰燃燒技術(shù)逐步發(fā)展完善，其適應(yīng)燃料從最初的氣體燃料[2,5-7]已拓展至固體燃料[8-11]。文獻(xiàn)[12]指出，實(shí)現(xiàn)無焰燃燒一般需要滿足： 1)反應(yīng)前氧化劑被預(yù)熱或爐內(nèi)任意處的溫度均大于燃料的自燃點(diǎn)；2)反應(yīng)物高速射流，以使其被高溫?zé)煔獬浞窒♂專?)反應(yīng)區(qū)中氧氣的體積分?jǐn)?shù)低于15%。對(duì)于固體燃料，其實(shí)現(xiàn)方式主要是利用燃?xì)馊紵蛘咝顭狍w產(chǎn)生的高溫低氧空氣[13-14]作為助燃空氣，或者利用常溫空氣高速射流卷吸煙氣[8-9]。但對(duì)于利用預(yù)熱燃料的方式卻很少涉及。全俄熱工研究院曾對(duì)煤粉預(yù)熱技術(shù)有過深入的研究，證實(shí)該技術(shù)高效而穩(wěn)定[15-16]。但該技術(shù)是通過天然氣燃燒的方式來預(yù)熱煤粉，需外加熱源，使試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

中國科學(xué)院工程熱物理研究所提出基于循環(huán)流化床的新型預(yù)熱燃燒技術(shù)[17]，燃料通過部分燃燒實(shí)現(xiàn)自身預(yù)熱，無需外部熱源?；谠擁?xiàng)技術(shù)而搭建了煤粉預(yù)熱燃燒試驗(yàn)平臺(tái)，并展開了大量試驗(yàn)，其結(jié)果表明該技術(shù)運(yùn)行穩(wěn)定，燃料可預(yù)熱至800 ℃以上，超過燃料的自燃點(diǎn)[18-21]。本文中在前期的工作基礎(chǔ)上，旨在利用該項(xiàng)預(yù)熱燃燒技術(shù)來實(shí)現(xiàn)神木煙煤粉的無焰燃燒，并對(duì)低揮發(fā)分、難燃的氣化細(xì)粉灰的無焰燃燒進(jìn)行相關(guān)探索性試驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 裝置和過程

本文中采用30 kW煤粉無焰燃燒試驗(yàn)臺(tái)，其系統(tǒng)流程見圖1。該系統(tǒng)由預(yù)熱燃燒器、下行燃燒室及其他部分構(gòu)成。

預(yù)熱燃燒器由提升管(內(nèi)徑為90 mm，高度為1 500 mm)、分離器及返料器構(gòu)成。一次風(fēng)(約占理論空氣質(zhì)量的20%～40%)從提升管底部供入。煤粉進(jìn)入預(yù)熱燃燒器后部分燃燒，并將加熱自身至800 ℃以上。產(chǎn)生的高溫煤焦和煤氣(合稱預(yù)熱燃料)，從分離器出口進(jìn)入下行燃燒室(內(nèi)徑為300 mm，高為3 500 mm)。

燃料噴口(內(nèi)徑為36 mm)和二次風(fēng)噴口(內(nèi)徑為7 mm)布置在下行燃燒室頂部。在噴口以下1 000 mm處的側(cè)墻上布置一層三次風(fēng)噴口。在下行燃燒室側(cè)墻上布置有6層觀火窗，其中最上2層為15 mm×150 mm的方形，位于燃料噴口以下80及250 mm處，以下4層為內(nèi)徑63 mm的圓形，分別位于600、900、1200、1 600 mm處。有少量壓縮空氣引入觀火窗，以便其在積灰時(shí)可以進(jìn)行吹掃。該部分壓縮空氣在試驗(yàn)過程中很少通入且總量極少，故其對(duì)燃燒的影響在本文中沒有考慮。

1—空氣壓縮機(jī)；2—給煤機(jī)；3—預(yù)熱燃燒器；4—下行燃燒室。圖1 30 kW煤粉無焰燃燒實(shí)驗(yàn)臺(tái)工藝流程Fig.1 Schematic of 30 kW coal flames combustion test rig

預(yù)熱燃燒器安裝有5支K型熱電偶；下行燃燒室沿途布置有10支S型熱電偶，分別位于預(yù)熱燃料噴口以下100、250、400、600、800、1 200、1 600、2 100、2 600、3 200 mm處。在分離器出口處及在燃料噴口以下150、400、900、1 400、2 400、3 400 mm處設(shè)有取樣口，用于采集固體及氣體樣品進(jìn)行分析。氣體樣品由Gasmet DX4000煙氣分析儀在線檢測(cè)；燃燒室出口的煙氣氧含量由氧化鋯在線監(jiān)測(cè)；在煙氣冷卻器出口進(jìn)行飛灰取樣并分析含碳量。系統(tǒng)各測(cè)點(diǎn)的溫度值每秒采集一個(gè)數(shù)據(jù)且采集到的溫度波動(dòng)在±4 ℃以內(nèi)。

1.2 原料

選取了高揮發(fā)分、低灰分的神木煙煤(陜西神木)及低揮發(fā)分、高灰分的氣化細(xì)粉灰(江蘇宿遷)為燃料，2種燃料的粒徑分布范圍均為0～100 μm，其工業(yè)分析及元素分析的收到基結(jié)果見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)原料工業(yè)分析和元素分析

1.3 工況

具體工況見表2。表中空氣當(dāng)量比指通入的空氣量與理論空氣量的比值(質(zhì)量比)；過量空氣系數(shù)指總空氣量與理論空氣量的比值。預(yù)熱溫度指預(yù)熱燃燒器內(nèi)的平均溫度。

2 結(jié)果及分析

2.1 預(yù)熱特性

燃料進(jìn)入預(yù)熱燃燒器后進(jìn)行部分燃燒，釋放的熱量用以加熱自身，并在無外界熱源狀態(tài)下維持預(yù)熱燃燒器的高溫(>900 ℃)穩(wěn)定運(yùn)行。結(jié)果表明，預(yù)熱燃燒器內(nèi)部溫度分布均勻，最大溫差<30 ℃，隨時(shí)間的波動(dòng)較小，在±4 ℃以內(nèi)。由于供入的風(fēng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，在預(yù)熱燃燒器內(nèi)氣化反應(yīng)，因此，在預(yù)熱燃燒器的出口煙氣中，除了存在CO2及N2外，還有H2、CO等可燃?xì)怏w成分，該部分氣體將有助于預(yù)熱燃料在下行燃燒室的燃燒。

實(shí)驗(yàn)過程中，在預(yù)熱燃燒器出口處收集煤焦，并對(duì)其進(jìn)行工業(yè)分析與元素分析，分析結(jié)果見表3。根據(jù)灰平衡假設(shè)[22]，對(duì)神木煙煤及氣化細(xì)粉灰預(yù)熱過程中的各組分轉(zhuǎn)化率(某成分消耗的量/原煤中該成分含有的總量)進(jìn)行計(jì)算：

表2 試驗(yàn)工況

X組分剩余率=樣品X含量×原煤灰含量/樣品灰含量/原煤X含量，

X組分轉(zhuǎn)化率=1-X組分剩余率。

計(jì)算結(jié)果表明，神木煙煤揮發(fā)分及固定碳的轉(zhuǎn)化率分別為79.37%及48.14%，而氣化細(xì)粉灰則為63.39%和40.38%?？芍?jīng)過預(yù)熱過程，燃料中大部分揮發(fā)分析出，其中的氮也隨之析出；另有接近50%的固定碳轉(zhuǎn)化。由于是還原性氣氛，大部分析出的氮轉(zhuǎn)化為了N2，其余轉(zhuǎn)化為NOx的前驅(qū)物NH3和HCN[18,21]。因N2不易轉(zhuǎn)化為NOx，燃料經(jīng)預(yù)熱后可在一定程度上降低NOx。氣化細(xì)粉灰是循環(huán)流化床煤氣化工藝的副產(chǎn)品，揮發(fā)分低而灰分高，反應(yīng)活性較弱，因而其揮發(fā)分及固定碳轉(zhuǎn)化率均較低。故在實(shí)際運(yùn)行過程中，為維持在無輔助熱源下的熱量自平衡，氣化細(xì)粉灰供給量較大，其試驗(yàn)功率高于神木煙煤的試驗(yàn)功率。

表3 煤焦的工業(yè)及元素分析

2.2 燃燒特性

預(yù)熱燃料與二次風(fēng)由下行燃燒室的頂部平行射入下行燃燒室，由于預(yù)熱燃料自身溫度較高，因此能穩(wěn)定燃燒。因均相反應(yīng)速率快，煤氣在進(jìn)入下行燃燒室的極短時(shí)間內(nèi)便與氧化劑混合燃燒。而煤焦雖然高溫，但其燃燒屬于異相反應(yīng)，反應(yīng)速率慢，燃燒反應(yīng)的時(shí)間較長。為了保障完全燃燒，下行燃燒室軸向的設(shè)計(jì)尺寸足夠長(3 500 mm)。根據(jù)預(yù)熱燃料的燃燒特性，可以將下行燃燒室劃分為3個(gè)區(qū)域，即煤氣燃燒區(qū)、焦炭燃燒區(qū)以及燃燼區(qū)，如圖2所示。

圖2 下行燃燒室燃燒分區(qū)示意圖Fig.2 Schematic diagram of combustion zones in down-fired combustor

煤氣燃燒區(qū)：主要發(fā)生煤氣的燃燒化學(xué)反應(yīng)，煤焦穿過這個(gè)區(qū)域會(huì)被進(jìn)一步加熱，且揮發(fā)分再析出、部分焦炭發(fā)生二次氣化。煤氣燃燒所釋放的熱量除小部分對(duì)外散熱，其余部分用于加熱燃燒空氣(二次風(fēng))、生成的煙氣及煤焦，另有部分成為焦碳的氣化反應(yīng)熱源。此區(qū)域?yàn)閺?qiáng)還原性氣氛，含氮前驅(qū)物主要轉(zhuǎn)化為N2，NOx生成受到抑制。

焦炭燃燒區(qū)：主要發(fā)生焦炭及CO等的燃燒反應(yīng)，燃燒溫度會(huì)進(jìn)一步提高。穿過煤氣燃燒區(qū)后，焦炭溫度更高，反應(yīng)活性更好，且與氧化劑的混合更充分，故而開始燃燒放熱。由于進(jìn)入大空間后的燃料射流速度減慢及煙氣回流，固體焦炭的停留時(shí)間更長，因此利于燃燒的進(jìn)行。但鑒于異相反應(yīng)的慢速率，相較于煤氣燃燒區(qū)，該燃燒區(qū)范圍更廣。焦炭燃燒區(qū)是NOx生成的主要區(qū)域，對(duì)該區(qū)域的有效調(diào)控將有助于減少NOx排放。

燃燼區(qū)：燃料完成反應(yīng)，由于系統(tǒng)散熱，燃燒溫度開始持續(xù)降低。設(shè)計(jì)該區(qū)域主要是為不同燃料的充分燃燒提供余量。該區(qū)域燃燒反應(yīng)雖基本停止，但由于其有較高的溫度，且含有焦炭，NOx的還原反應(yīng)仍有可能繼續(xù)進(jìn)行。

2.2.1 下行燃燒室軸向溫度分布

下行燃燒室軸向溫度分布曲線見圖3。由圖可知，氣化細(xì)粉灰燃燒溫度普遍高于神木煙煤的燃燒溫度，這是由氣化細(xì)粉灰試驗(yàn)時(shí)的輸入功率比較大決定的。由于氣化細(xì)粉灰的給煤量遠(yuǎn)高于神木煙煤，而揮發(fā)分及固定碳轉(zhuǎn)化率與神木煙煤相比區(qū)別不大，因此其煤氣產(chǎn)量高于神木煙煤，因而在下行燃燒室的煤氣燃燒區(qū)的燃燒溫度更高。同時(shí)，由于進(jìn)入下行燃燒室的煤氣及二次風(fēng)射流速度更快，使得下游煙氣回流，煤氣燃燒區(qū)及煤焦燃燒區(qū)部分重合，溫度基本一致。而對(duì)于神木煙煤，由于煤氣產(chǎn)量少，煤氣燃燒區(qū)溫度低。相比于氣化細(xì)粉灰，神木煙煤溫度分布更為均勻，峰值溫度更低。

定義Tmean為燃燒室內(nèi)的空間平均溫度，T’為均方根溫度波動(dòng)[23]，則：

(1)

(2)

式中：T為下行燃燒室不同測(cè)點(diǎn)的溫度，dV為對(duì)下行燃燒室體積的微分。

經(jīng)計(jì)算，在整個(gè)下行燃燒室空間內(nèi)，神木煙煤的空間平均溫度為887.77 ℃，均方根溫度波動(dòng)為8.90%；氣化細(xì)粉灰的空間平均溫度為961.15 ℃，均方根溫度波動(dòng)為8.05%。若不考慮燃燼區(qū)，計(jì)算實(shí)際煤氣及煤焦的燃燒空間(0～2 100 mm)，則神木煙煤的空間平均溫度提高至937.15，而均方根溫度波動(dòng)降至3.22%；對(duì)于氣化細(xì)粉灰，其空間平均溫度為1 008.64 ℃，均方根溫度波動(dòng)為4.17%?？梢?，在整個(gè)燃燒室空間內(nèi)，氣化細(xì)粉灰的均方根溫度波動(dòng)小于神木煙煤，而在實(shí)際的燃燒空間內(nèi)，神木煙煤則明顯更小。Kumar等[23]將反應(yīng)器內(nèi)溫度歸一化之后空間溫度變化在15%以內(nèi)的燃燒定義為無焰燃燒。本試驗(yàn)中，燃燒室均方根溫度波動(dòng)均小于15%，尤其是在實(shí)際燃燒區(qū)內(nèi)，均方根溫度波動(dòng)甚至低于5%，滿足該無焰燃燒的定義。

圖3 下行燃燒室軸向溫度分布Fig.3 Temperature profiles along axis down-fired combustor

2.2.2 焦炭中的碳含量及其碳轉(zhuǎn)化率

試驗(yàn)過程中在下行燃燒室的6個(gè)取樣口進(jìn)行焦炭采樣，對(duì)收集到的焦炭樣品進(jìn)行含碳量分析及碳轉(zhuǎn)化率計(jì)算，結(jié)果見圖4。

氣化細(xì)粉灰沿程焦炭的碳含量均低于神木煙煤，這是由氣化細(xì)粉灰本身的低碳含量造成的。2種燃料的碳含量變化趨勢(shì)基本一致，在燃料噴口附近迅速下降，在達(dá)到第1個(gè)峰值點(diǎn)后開始下降并最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。鑒于焦炭中其他成分的轉(zhuǎn)化也會(huì)嚴(yán)重影響焦炭的碳含量，故碳轉(zhuǎn)化率更能客觀表征碳的燃燒過程，反映焦炭燃燒的本質(zhì)。

由碳轉(zhuǎn)化率曲線，可知其變化趨勢(shì)與碳含量相反，這是可預(yù)料到的。由于整個(gè)燃燒進(jìn)程中碳是不斷消耗的，因此碳轉(zhuǎn)化率曲線一方面表征焦碳的反應(yīng)進(jìn)程，另一方面也可表明焦炭在燃燒室中的流動(dòng)路線。由于燃料高速射流，在燃料噴口附近存在逆壓區(qū)域，下游焦炭隨著煙氣回流，因此碳轉(zhuǎn)化率呈現(xiàn)先升高再降低后再升高的變化趨勢(shì)。氣化細(xì)粉灰在燃料噴口附近由于有更高的燃燒溫度及更大的射流速度，故其回流區(qū)范圍更大回流量更多，故焦炭中的碳轉(zhuǎn)化率變化也大，存在碳轉(zhuǎn)化率降低的范圍也更廣。

在燃料噴口1 000 mm以下，碳轉(zhuǎn)化率開始升高，且升高的速率逐漸減慢。一方面是煙氣回流率開始降低，另一方面隨著碳的消耗，燃燒反應(yīng)逐漸減弱。在燃燒室2 000 mm以下焦炭轉(zhuǎn)化率基本不再變化，由此可說明2 000 mm以下進(jìn)入燃燼區(qū)，燃燒反應(yīng)基本停止。

燃燒效率可用式(3)表示。

a 碳含量b 碳轉(zhuǎn)化率圖4 下行燃燒室沿程焦炭中碳含量及碳轉(zhuǎn)化率變化曲線Fig.4 Carbon content in coal chars and carbon conversion rate along axis of down-fired combustor

η=1-q3-q4，

(3)

(4)

(5)

式中：q3是物理不完全燃燒熱損失；q4是化學(xué)不完全燃燒熱損失；Cf是尾部飛灰中的未燃碳含量；Vgy是下行燃燒室出口的干煙氣體積；CO是出口一氧化碳體積分?jǐn)?shù)；Qnet指燃料收到基的低位熱值。

對(duì)于神木煙煤，其尾部飛灰中未燃碳含量為17.8%，CO質(zhì)量濃度為173.1 mg/m3；而對(duì)于氣化細(xì)粉灰，未燃碳及CO含量分別為11.5%及107.9 mg/m3。故計(jì)算燃燒效率分別為96.8%及89.9%。

2.2.3 火焰圖片

下行燃燒室內(nèi)沿軸線方向的火焰圖見圖5，其中最上層觀火窗緊靠下行燃燒室頂部。由圖可見，在0～1 600 mm的范圍內(nèi)，下行燃燒室內(nèi)部均可見亮度，但是沒有發(fā)現(xiàn)火焰鋒面，表明無焰燃燒是體積燃燒，與傳統(tǒng)火焰燃燒有本質(zhì)的區(qū)別。與氣化細(xì)粉灰相比，神木煙煤的觀火窗照片整體較暗，但亮度更均勻，且下行燃燒室內(nèi)更為透明。對(duì)于氣化細(xì)粉灰，由于給煤量較大，且原煤中灰分偏高，因此其實(shí)際在下行燃燒室內(nèi)的焦炭流量較大，且其燃燒溫度較高，從而導(dǎo)致氣化細(xì)粉灰試驗(yàn)中下行燃燒室亮度普遍偏高。

縱使在可燃物消耗殆盡，反應(yīng)減弱時(shí)，大量的高溫固體焦炭依然具有足夠高的發(fā)光率，使得下行燃燒室并未因燃燒減弱而特別暗淡。對(duì)于2種燃料，下行燃燒室頂部圖片均較暗，一方面是由于該燃燒區(qū)域的燃燒溫度較低，另一方面煤氣燃燒的發(fā)光較弱。對(duì)比圖3可知，對(duì)于氣化細(xì)粉灰，下行燃燒室頂部0～900 mm區(qū)間內(nèi)的燃燒溫度基本一致，然而觀火窗照片的亮度變化卻較大。

a 神木煙煤,80 mmb 氣化細(xì)粉灰,80 mmc 神木煙煤,250 mmd 氣化細(xì)粉灰,250 mme 神木煙煤,600 mmf 氣化細(xì)粉灰,600 mm

g 神木煙煤,900 mmh 氣化細(xì)粉灰,900 mmi 神木煙煤,1 200 mmj 氣化細(xì)粉灰,1 200 mmk 神木煙煤,1 600 mml 氣化細(xì)粉灰,1 600 mm圖5 沿下行燃燒室軸線方向不同位置的火焰照片F(xiàn)ig.5 Flame images along axis of down-fired combustor

對(duì)每張照片進(jìn)行灰度處理并計(jì)算照片的平均灰度值，由此繪制出沿燃燒室軸線方向的照片灰度比值變化曲線，見圖6。

圖6 火焰照片灰度值變化曲線Fig.6 Gray value curves of flame images

由于照片的灰度值變化很大程度上可以表征照片的亮度變化，因此圖6也可看成是下行燃燒室的亮度變化曲線圖。由圖可以看出，神木煙煤預(yù)熱燃料燃燒時(shí)不同位置的亮度基本相同，而氣化細(xì)粉灰預(yù)熱燃料燃燒室不同位置的亮度變化較大。氣化細(xì)粉灰試驗(yàn)時(shí)在下行燃燒室600 mm處亮度最高，可知在該區(qū)域焦炭燃燒反應(yīng)最劇烈； 在600 mm以后，亮度減弱，這是焦炭中碳含量逐步降低導(dǎo)致的； 在1 000 mm通入三次風(fēng)后，并未見亮度有明顯變化，也未見燃燒溫度明顯變化(圖3)，但碳轉(zhuǎn)化率急劇上升(圖4)。

為了獲得無焰燃燒模式下的燃燒穩(wěn)定性規(guī)律，本次試驗(yàn)使用相機(jī)(固定相機(jī)參數(shù))拍攝了一組下行燃燒室的觀火窗視頻，并對(duì)每個(gè)視頻進(jìn)行了相同方式的處理，最終獲得視頻灰度值的波動(dòng)性曲線。

具體處理步驟為：

1)在穩(wěn)定運(yùn)行工況下，固定相機(jī)拍攝觀火窗視頻。

2)獲得視頻的每一幀圖片，并將真彩圖轉(zhuǎn)化為灰度值圖。

3)計(jì)算每一幀圖片的相關(guān)性系數(shù)并獲得相關(guān)性系數(shù)-幀數(shù)曲線。

設(shè)第n幀圖片某點(diǎn)(n1，n2)的灰度值記為Xn(n1，n2)，視頻(多幀圖片)的平均灰度值矩陣記為X，則第n幀圖片歸一化的相關(guān)性系數(shù)Cn[24]可表示為

(6)

式中：M1和M2分別表示單幀圖片水平及豎直像素的點(diǎn)數(shù)；及分別表示X及Xn的平均值；Cn的變化表征了火焰燃燒的穩(wěn)定性及燃燒反應(yīng)的強(qiáng)度。

由上述方法獲得的相關(guān)性系數(shù)-幀數(shù)曲線見圖7。由圖可以看出，與氣化細(xì)粉灰相比，神木煙煤的灰度值波動(dòng)性更大，且在0～1 200 mm范圍內(nèi)均有一定幅度的波動(dòng)。曲線的波動(dòng)大小反應(yīng)了預(yù)熱燃料的反應(yīng)強(qiáng)弱(包括燃燒反應(yīng)和氣化反應(yīng))。對(duì)于神木煙煤，其反應(yīng)活性大，焦炭的燃燒反應(yīng)沿整個(gè)燃燒區(qū)(0～1 200 mm)進(jìn)行，尤其在600～1 200 mm的范圍內(nèi)，燃燒反應(yīng)更激烈。對(duì)于氣化細(xì)粉灰，由于其預(yù)熱后的煤焦含碳量低且灰分高，焦炭的燃燒反應(yīng)影響較小，在600 mm處波動(dòng)幅度最大，在該區(qū)域燃燒反應(yīng)最強(qiáng)。在通入三次風(fēng)后，焦炭仍可進(jìn)一步反應(yīng)，并在900 mm以下再次出現(xiàn)較低程度的燃燒。

2.3 NOx排放特性

CO及NOx沿下行燃燒室軸線方向的含量變化曲線見圖8。由CO變化曲線可知，神木煙煤及氣化細(xì)粉灰試驗(yàn)時(shí)CO含量的變化趨勢(shì)相似。在燃料噴口附近由于CO的大量存在，還原性氣氛強(qiáng)，NOx的前驅(qū)物更易向N2轉(zhuǎn)化[25]，其生成受到抑制。在400～900 mm區(qū)間，CO急劇下降至較低水平，該反應(yīng)區(qū)間是CO的主要燃燒區(qū)。900 mm以后，CO基本不再變化。由圖可以看出，CO的消耗是在三次風(fēng)(1 000 mm)噴入之前。神木煙煤工況中CO排放體積分?jǐn)?shù)為1.73×10-4，氣化細(xì)粉灰工況中CO排放體積分?jǐn)?shù)為1.07×10-4。

a 神木煙煤,80 mmb 氣化細(xì)粉灰,80 mmc 神木煙煤,250 mmd 氣化細(xì)粉灰,250 mm

e 神木煙煤,600 mmf 氣化細(xì)粉灰,600 mmg 神木煙煤,900 mmh 氣化細(xì)粉灰,900 mmi 神木煙煤,1 200 mmj 氣化細(xì)粉灰,1 200 mmk 神木煙煤,1 600 mml 氣化細(xì)粉灰,1 600 mm圖7 相關(guān)性系數(shù)-幀數(shù)的曲線Fig.7 Correlation coefficient-frames curves

a CO

b NOx圖8 CO及NOx沿燃燒室軸線方向的濃度變化Fig.8 CO and NOx concentration along axis of down-fired combustor

預(yù)熱過程中生成的高溫煤氣具有強(qiáng)還原性，其成分中不含NOx，NOx在下行燃燒室內(nèi)生成。對(duì)于煤粉預(yù)熱燃燒系統(tǒng)，一系列試驗(yàn)研究表明[18-20]，NOx主要來源于燃料氮。而燃料中絕大部分的揮發(fā)分N在預(yù)熱過程中析出，由于預(yù)熱過程為強(qiáng)還原性氣氛，因而不會(huì)轉(zhuǎn)化為NOx，因此NOx主要源于焦炭氮。在CO濃度開始降低時(shí)，NOx同時(shí)開始大量生成。在三次風(fēng)噴口以下，NOx濃度持續(xù)下降，即三次風(fēng)的通入并未增加NOx的生成，這與某些研究結(jié)果[26-27]正好相反。分析認(rèn)為，三次風(fēng)噴口以下，燃燒溫度較低，故NOx生成受到限制。氧量雖然增加，但焦炭對(duì)NOx的還原反應(yīng)依然存在，且適當(dāng)?shù)难趿靠赡軙?huì)促進(jìn)NOx的還原[28-29]，故導(dǎo)致NOx濃度下降。在該區(qū)域發(fā)生的是焦炭與NOx的異相還原反應(yīng)，還原程度取決于焦炭的反應(yīng)性。因神木煙煤焦炭的反應(yīng)性更強(qiáng)，故其NOx的還原量更多。本試驗(yàn)中，其最終的NOx排放體積分?jǐn)?shù)分別為58.4×10-6及62.3×10-6，轉(zhuǎn)化為體積分?jǐn)?shù)6%的O2則為90.4、96.7 mg/m3，均低于100 mg/m3。

3 結(jié)論

1)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不僅適用于高揮發(fā)分的神木煙煤，也適應(yīng)于低揮發(fā)分的氣化細(xì)粉灰，且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，溫度波動(dòng)較小。

2)燃料經(jīng)過預(yù)熱燃燒器可以被預(yù)熱至較高溫度，且預(yù)熱燃燒器內(nèi)部溫度分布均勻，最大溫差低于30 ℃，預(yù)熱過程中燃料中的大部分揮發(fā)分析出。

3)對(duì)于神木煙煤和氣化細(xì)粉灰，下行燃燒室的溫度分布都比較均勻，均方根溫度波動(dòng)值均低于10%，在實(shí)際燃燒區(qū)甚至低于5%。使用相機(jī)對(duì)下行燃燒室不同部位進(jìn)行拍照，沒有明顯的火焰鋒面。

4)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的NOx主要來源于焦炭氮，且隨著焦炭的燃燒過程而被釋放，并在迅速達(dá)到峰值后開始下降，在焦炭的異相還原反應(yīng)下，可以降至較低水平。本試驗(yàn)中2種燃料的NOx排放均較低，均低于100 mg/m3。