兩段式滴管內(nèi)煙煤富氧空氣分級燃燒NOx排放特性研究

楊 石

(1.煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；3.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

0 引 言

NOx是一種環(huán)境危害極大且不易處理的大氣污染物，據(jù)統(tǒng)計我國NOx污染物的60%以上來自于煤炭燃燒。近年來，隨著環(huán)保形勢的日益嚴(yán)峻，我國對燃煤鍋爐NOx的排放標(biāo)準(zhǔn)也愈加嚴(yán)格。相應(yīng)出現(xiàn)了多種鍋爐NOx控制技術(shù)?，F(xiàn)有的控制NOx排放技術(shù)按照機(jī)理不同可分為2類：① 低氮燃燒技術(shù)，在保證完全燃燒前提下，通過調(diào)整燃燒形式和氛圍等使得燃料在燃燒釋放化學(xué)能的過程中，盡可能減少污染物排放；② 燃燒后煙氣脫硝技術(shù)，針對已經(jīng)生成的污染物，排放到環(huán)境中前，通過物理、化學(xué)等方法對其進(jìn)行捕集、催化處理。燃燒后煙氣脫硝技術(shù)的NOx排放降低效果明顯，但會導(dǎo)致鍋爐效率降低、受熱面腐蝕等問題。此外采用煙氣脫硝技術(shù)，需要額外配置煙氣脫硝設(shè)備并消耗脫硝催化劑或吸附介質(zhì)，初投資和運(yùn)行費(fèi)用較高；低氮燃燒技術(shù)則是根據(jù)NOx的形成機(jī)理而開發(fā)，是最直接、最簡便的NOx排放控制技術(shù)。傳統(tǒng)的低氮燃燒技術(shù)主要包括低氧燃燒法、分級燃燒法、煙氣再循環(huán)法、低氮燃燒器等。上述低氮燃燒技術(shù)雖然投資和運(yùn)行費(fèi)用較低，但在降低NOx排放的同時，還伴隨火焰燃燒不穩(wěn)定、燃料燃燒不完全等問題，且目前低氮燃燒技術(shù)整體脫硝效率不高，單獨(dú)使用已經(jīng)無法滿足日益嚴(yán)格的NOx排放標(biāo)準(zhǔn)。

富氧分級燃燒是近年來提出的一種新型低氮燃燒技術(shù)，將富氧燃燒和分級配風(fēng)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)低NOx排放的目的[1-5]。富氧分級燃燒主要包括O2/CO2分級燃燒和O2/空氣(富氧空氣)分級燃燒。O2/CO2分級燃燒具有同時降低NOx排放和便于CO2捕集的技術(shù)優(yōu)勢，也是目前研究的熱點(diǎn)。富氧空氣燃燒在降低NOx排放效果上與O2/CO2富氧燃燒相當(dāng)，初投資和運(yùn)行成本較低，更加適合于當(dāng)前燃煤鍋爐尤其是中小型燃煤鍋爐的NOx控制。但相對于O2/CO2分級燃燒，針對富氧空氣分級燃燒NOx排放特性的研究較少。部分學(xué)者利用一維滴管爐和數(shù)值模擬手段，研究了煤炭在O2/CO2富氧分級燃燒下NOx排放特性，并考察了反應(yīng)溫度、配風(fēng)比、富氧氣體成分等因素對NOx排放的影響規(guī)律[6-7]。但其研究條件為O2/CO2富氧分級燃燒，其中CO2對NOx排放的影響機(jī)理與空氣、富氧空氣不同，因此上述研究的結(jié)論未必適用于富氧空氣分級燃燒。朱書俊[8]在流化床與下行燃燒室聯(lián)合系統(tǒng)上，研究了富氧空氣分級燃燒的NOx排放特性。結(jié)果表明：富氧空氣燃燒可以在不犧牲燃燒效率的條件下，大幅降低NOx排放。在局部氧濃度由21%升高至28%時，NOx排放明顯降低。但該研究只是針對富氧預(yù)熱燃燒工藝，并不是對于煤粉鍋爐富氧空氣分級燃燒NOx排放特性進(jìn)行研究。在該研究中，下行燃燒室的溫度最高僅為1 250 ℃，且缺乏反應(yīng)溫度、二次風(fēng)配比等關(guān)鍵因素對NOx排放的研究。而且上述研究的熱態(tài)條件均與煤粉鍋爐相差甚遠(yuǎn)。

兩段式滴管爐是在傳統(tǒng)滴管爐基礎(chǔ)上開發(fā)的改進(jìn)設(shè)備。除了具有傳統(tǒng)滴管爐升溫速率高、排除顆粒間作用、動態(tài)性能良好[9]等特點(diǎn)外，還將爐體分為2段，可以分別模擬煤粉在燃燒器和爐膛內(nèi)的燃燒狀態(tài)，更加接近煤粉在鍋爐內(nèi)燃燒的實(shí)際情況。不同研究者利用兩段式滴管研究了煙煤、半焦空氣分級燃燒的NOx和SOx排放特性[10-13]，但未見利用兩段式滴管爐研究富氧空氣分級燃燒NOx排放特性的報道。本文采用兩段式滴管作為熱態(tài)試驗(yàn)設(shè)備，更加接近鍋爐中煤粉燃燒的流程與熱態(tài)環(huán)境。通過比較煤粉在單級空氣、空氣分級和富氧空氣分級3種燃燒方式下的NOx排放特性，驗(yàn)證富氧空氣分級燃燒的低氮效果。并針對富氧空氣分級燃燒方式，考察主燃區(qū)溫度、主燃區(qū)過量氧氣系數(shù)和二次風(fēng)氧濃度對NOx排放的影響規(guī)律，為富氧空氣分級燃燒技術(shù)在煤粉鍋爐的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

兩段式滴管爐熱態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。試驗(yàn)系統(tǒng)由兩段式滴管爐本體、微量輸粉設(shè)備、配氣系統(tǒng)、取樣分析設(shè)備、控制系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)構(gòu)成。滴管爐本體上段為主燃區(qū)(用于模擬鍋爐燃燒器內(nèi)的煤粉燃燒情況)，是由φ50 mm×2 200 mm剛玉管、硅碳加熱裝置和熱電偶組成。主燃區(qū)溫度可從常溫加熱至1 600 ℃。滴管爐本體下段為燃盡區(qū)(用于模擬鍋爐爐膛內(nèi)的煤粉燃燒情況)，由電阻絲不銹鋼管、電阻絲加熱裝置和熱電偶組成。燃盡區(qū)溫度可從常溫加熱至1 000 ℃。微量給料器裝置采用無軸螺旋輸送方式，精度±0.5%。兩段式滴管爐熱態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)置三級配風(fēng)，共6條氣路。1、2號氣路為一次風(fēng)管路，位于微量給粉裝置底部，用于將煤粉輸送至主燃區(qū)爐膛;3、4號氣路為二次風(fēng)管路，位于主燃區(qū)爐膛頂部；5、6號氣路為燃盡風(fēng)管路，位于燃盡區(qū)爐膛頂部。各氣路中氣體流量均由獨(dú)立的氣體質(zhì)量流量計控制。通過調(diào)節(jié)配氣系統(tǒng)中三級配風(fēng)量和氣體成分，可以實(shí)現(xiàn)單級供風(fēng)(僅有一、二次風(fēng)，均為空氣)、空氣分級配風(fēng)(一、二次風(fēng)與燃盡風(fēng)均為空氣)與富氧分級配風(fēng)(一次風(fēng)、燃盡風(fēng)為空氣，二次風(fēng)為富氧氣體)3種燃燒方式。

圖1 兩段式滴管爐實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig1 Structural diagram of two-stage dropper tube furnace system

氣體采樣分析設(shè)備為testo350煙氣分析儀，實(shí)時測量煙氣中O2、CO2、CO、NOx、SO2等成分含量。煤灰通過設(shè)置在燃盡區(qū)下游的旋風(fēng)分離器進(jìn)行捕集采樣。

1.2 煤粉特性

試驗(yàn)用煤為平均粒徑70 μm的神府煙煤煤粉。揮發(fā)分31.64%，固定碳55.58%，低位發(fā)熱量28.21 MJ/Kg，氮元素含量為0.92%。煤質(zhì)分析見表1。

表1 煤質(zhì)分析

1.3 工況設(shè)定與NOx排放評價方法

試驗(yàn)過程中煤粉給粉速率保持在3.5 g/min；一次風(fēng)為空氣，流量為1 L/min；二次風(fēng)為空氣或氧氣與空氣的混合氣體。由于二次風(fēng)并非單純空氣，以過量空氣系數(shù)來表征助燃?xì)怏w量與燃料量的配比關(guān)系不準(zhǔn)確。本文采用過量氧氣系數(shù)，即實(shí)際供給燃料燃燒的氧氣量與燃料完全燃燒所需要的氧氣量之比，來表征氧化氣體量與燃料量的配比關(guān)系。試驗(yàn)過程中，主燃區(qū)與燃盡區(qū)的總過量氧氣系數(shù)保持為1.05；燃盡區(qū)溫度保持1 000 ℃不變。為接近鍋爐運(yùn)行工況，試驗(yàn)過程中，燃盡區(qū)出口煙氣CO濃度(按氧濃度4%折算)保持在200 mg/m3以下。

本文采用煙氣中NOx濃度和計算得到的單位質(zhì)量煤粉燃燒NOx生成量2個指標(biāo)表示不同燃燒方式下NOx的排放特性。煙氣中NOx濃度可以直觀反映出NOx排放特性，但由于在相同過量氧氣系數(shù)條件下，采用空氣和富氧氣體所需氣體量不同，導(dǎo)致燃燒產(chǎn)生的煙氣量存在差別，采用煙氣NOx濃度并不能準(zhǔn)確反映煤炭在不同燃燒方式下的NOx排放效果。因此，采用單位質(zhì)量煤粉燃燒的NOx生成量來表示不同燃燒方式下NOx的排放特性。單位質(zhì)量煤粉燃燒的NOx生成量按照式(1)計算。

M=V0C(NOx)

(1)

式中，M為單位質(zhì)量煤粉燃燒的NOx生成量；V0為單位質(zhì)量煤粉燃燒理論煙氣量；C(NOx)為煙氣中NOx濃度。

理論煙氣量根據(jù)一次風(fēng)量、二次風(fēng)量、燃盡風(fēng)量和二次風(fēng)氧濃度進(jìn)行計算[14]。采用單位質(zhì)量煤粉燃燒的NOx生成量可更準(zhǔn)確地比較各燃燒方式下NOx排放情況。

2 結(jié)果分析

2.1 燃燒方式及主燃區(qū)溫度對NOx排放的影響

單級供風(fēng)、空氣分級、富氧空氣分級3種燃燒方式下，總過量氧氣系數(shù)為1.05，煙氣CO濃度(按氧濃度4%折算)不高于200 mg/m3時，各工況下NOx最低排放如圖2所示，空氣分級燃燒和富氧空氣分級燃燒NOx最低排放通過調(diào)節(jié)二次風(fēng)配比實(shí)現(xiàn)。

圖2 3種燃燒方式NOx濃度比較Fig2 Comparation of NOx concentration with threedifferent combustion modes

由圖2可知，采用空氣分級配風(fēng)和富氧空氣分級配風(fēng)2種燃燒方式NOx排放要遠(yuǎn)低于空氣單級供風(fēng)時的NOx排放。這是由于采用分級配風(fēng)燃燒后，燃料中N分解成NHi、HCN等大量中間產(chǎn)物，在主燃區(qū)形成還原性氣氛，將部分NOx還原。在燃盡區(qū)，氧量充足但溫度較低，不利于NOx的二次生成。因此，采用分級配風(fēng)燃燒后，NOx濃度均低于400 mg/m3，當(dāng)主燃區(qū)溫度升高到1 400 ℃后，NOx濃度均低于200 mg/m3。

采用單級供風(fēng)燃燒時，隨主燃區(qū)溫度的升高，NOx生成量持續(xù)增加。而采用空氣分級和富氧空氣分級燃燒，NOx排放隨主燃區(qū)溫度的升高整體呈下降趨勢。隨主燃區(qū)溫度的升高，煤粉升溫速率增大，揮發(fā)分析出量以及揮發(fā)分中小分子碳?xì)浠衔镌黾樱瑩]發(fā)分氮析出量持續(xù)增長[15]。單級供風(fēng)時，主燃區(qū)始終處于氧化性氣氛中，溫度的升高導(dǎo)致更多的NHi、HCN等中間產(chǎn)物產(chǎn)生，并氧化生成NOx。此外，主燃區(qū)溫度升高后，也會生成更多的熱力型NOx；而空氣分級燃燒時，主燃區(qū)處于欠氧還原性氣氛下，溫度升高使煤中析出的揮發(fā)分增多，更增強(qiáng)了主燃區(qū)氣氛的還原性，從而抑制了熱力型NOx和燃料型NOx的生成。根據(jù)周志軍等[16]提出的燃燒模式判別方法，本文煤粉富氧空氣分級燃燒屬于均相非均相著火模式，即在煤粉顆粒表面，揮發(fā)分與焦炭同時著火，因此揮發(fā)分析出量的增加，也增強(qiáng)了揮發(fā)分對焦炭的“搶氧”作用，利于焦炭對NOx的還原[12]；錢彬[17]研究表明，反應(yīng)氣氛氧濃度的升高，可以大幅提高燃料的燃燒速率。因此，在富氧空氣分級燃燒條件下，煤粉在主燃區(qū)反應(yīng)更加充分，NHi、HCN等中間產(chǎn)物生成量高于空氣分級條件下的生成量，從而進(jìn)一步降低NOx的生成。因此，在合理配風(fēng)條件下，空氣分級和富氧空氣分級燃燒的NOx排放隨主燃區(qū)溫度的升高而下降。

為考察富氧分級配風(fēng)燃燒方式的低氮效果，以煤粉單級供風(fēng)燃燒NOx濃度為基準(zhǔn)，對比了不同主燃區(qū)溫度下，空氣分級配風(fēng)與富氧空氣分級的NOx降低比例，如圖3所示，其計算公式如下：

(2)

式中，η為NOx降低比例；Ms為單級供風(fēng)NOx生成量；Ma為實(shí)際NOx生成量。

圖3 空氣分級配風(fēng)及富氧分級配風(fēng)NOx減少比例Fig.3 NOx removal rate of air-staged and staged oxy-fuel combustion

由圖3可知，試驗(yàn)條件下，富氧空氣分級的NOx降低比例比空氣分級條件下提高6%～12%。因此富氧空氣分級燃燒方式對控制NOx排放的效果更佳。

2.2 主燃區(qū)過量氧氣系數(shù)對NOx排放的影響

前人研究發(fā)現(xiàn)，二次風(fēng)配比對于分級配風(fēng)條件下NOx排放有顯著影響[11-13]。由于本文二次風(fēng)為不同氧濃度氣體，采用二次風(fēng)占總風(fēng)量的比例不能對各工況進(jìn)行準(zhǔn)確比較，因此采用主燃區(qū)過量氧氣系數(shù)表征二次風(fēng)配比。主燃區(qū)溫度1 300、1 500 ℃下，主燃區(qū)過量氧氣系數(shù)對NOx濃度的影響如圖4所示。

圖4 主燃區(qū)過量氧氣系數(shù)對NOx排放的影響Fig.4 Effect of primary combustion zone excess oxygen ratio on NOx emission

由圖4可知，隨主燃區(qū)過量氧氣系數(shù)的升高，NOx排放均呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。由于主燃區(qū)內(nèi)還原性氣氛有利于降低NOx的排放。當(dāng)主燃區(qū)過量氧氣系數(shù)過小時，煤粉燃燒不充分，揮發(fā)分析出較少，大量N元素以焦炭氮的形式進(jìn)入燃盡區(qū)，氧化生成NOx；當(dāng)主燃區(qū)過量氧氣系數(shù)過大時，主燃區(qū)氣氛的還原性不夠強(qiáng)，更多的中間產(chǎn)物被氧化成NOx，而且揮發(fā)分對焦炭的“搶氧”作用降低，焦炭對NOx的還原有限。這說明在富氧空氣分級燃燒條件下，主燃區(qū)氧氣過量氧數(shù)存在一個最佳值使NOx排放最低。主燃區(qū)溫度為1 300 ℃時，最佳主燃區(qū)過量氧氣系數(shù)約為0.58。主燃區(qū)溫度為1 500 ℃時，最佳主燃區(qū)過量氧氣系數(shù)約為0.55。兩者差異是由于主燃區(qū)溫度升高促進(jìn)了揮發(fā)分的釋放以及中間產(chǎn)物的反應(yīng)，因此在主燃區(qū)溫度升高時，在較低的過量氧氣系數(shù)下，即達(dá)到NOx排放的最低值。

王道平等[11]、李慧[12]研究表明，在空氣分級燃燒中同樣存在最佳主燃區(qū)過量氧氣系數(shù)，在與本研究條件相近情況下，空氣分級燃燒的最佳主燃區(qū)過量氧氣系數(shù)約為0.6，略高于本研究結(jié)果。這說明二次風(fēng)氧濃度升高對降低煤粉NOx排放具有促進(jìn)作用。

2.3 二次風(fēng)氧濃度對NOx排放的影響

不同主燃區(qū)溫度下，主燃區(qū)過量氧氣系數(shù)0.58，富氧空氣分級燃燒方式時，二次風(fēng)氧濃度對NOx排放的影響如圖5所示?？芍獑挝毁|(zhì)量煤粉NOx排放隨二次風(fēng)氧含量的升高而降低。當(dāng)富氧氣氛的氧濃度逐漸升高，NOx排放的降低趨勢逐漸放緩。

圖5 二次風(fēng)氧含量對NOx排放的影響Fig.5 Effect of O2 concentration in secondary air on NOx emission

二次風(fēng)氧濃度的升高增加了煤粉在主燃區(qū)的停留時間。主燃區(qū)過量氧氣系數(shù)給定，不同二次風(fēng)氧濃度下，CFD模擬得到的煤粉顆粒在主燃區(qū)無量綱停留時間如圖6所示?？芍悍墼谥魅紖^(qū)停留時間隨二次風(fēng)氧含量的升高而增加。在相同過量氧氣系數(shù)下，二次風(fēng)流量隨著氧含量的增加不斷降低。因此，當(dāng)二次風(fēng)氧含量由21%升高到31%時，煤粉在主燃區(qū)的停留時間增加了46%。停留時間的延長使煤粉在主燃區(qū)還原性氣氛下的反應(yīng)更加充分，從而降低了NOx的排放。

圖6 不同二次風(fēng)氧含量煤粉在主燃區(qū)停留無量綱時間Fig.6 Residence time of pulverized coal with different O2 concentration in secondary air

研究表明即使在過量氧氣系數(shù)相同的條件下，二次風(fēng)的氧濃度升高仍可以在煤粉顆粒表面形成局部的富氧區(qū)。富氧區(qū)的存在促進(jìn)了煤粉的均相非均相燃燒，使更多的揮發(fā)分析出，降低NOx的排放。而NOx排放的降低趨勢隨氧濃度逐漸升高逐漸放緩，這是由于煤粉顆粒表面富氧區(qū)氧含量過高，降低了焦炭對NOx的還原作用。

除以上2個原因外，空氣與氧氣混合還降低了二次風(fēng)中N2的濃度，有助于降低熱力型NOx和快速型NOx。

2.4 煤灰的孔隙特性

綜上所述，采用空氣分級和富氧空氣分級燃燒方式下，主燃區(qū)溫度對NOx的降低率有顯著影響。為深入分析，針對主燃區(qū)溫度為1 200和1 500 ℃、過量氧氣系數(shù)0.58條件下，采用BET分析空氣分級和富氧空氣分級粉煤灰的孔徑分布，結(jié)果見表2。

表2 不同工況下煤灰的孔隙特性

由表2可知，主燃區(qū)溫度由1 200 ℃升高到1 500 ℃，二次風(fēng)氧濃度由21%升高到29%，煤灰顆粒的比表面積和總孔容均增大。這是因?yàn)闇囟鹊纳呒熬植垦鹾康脑黾?，揮發(fā)分析出越發(fā)劇烈，煤粉顆粒內(nèi)部反應(yīng)越劇烈導(dǎo)致膨脹越強(qiáng)[18]，更多燃料氮轉(zhuǎn)化為揮發(fā)分氮。在還原性氣氛下，揮發(fā)分氮生成N2，即還原性氣氛下的高溫和適當(dāng)?shù)木植垦趸詺夥蘸坑欣诮档蚇Ox的排放。

3 結(jié) 論

1)與傳統(tǒng)分級配風(fēng)燃燒相比，富氧空氣分級燃燒方式可大幅降低NOx的排放濃度。主燃區(qū)溫度為1 300～1 500 ℃時，富氧分級配風(fēng)燃燒NOx排放減少比例相比分級配風(fēng)燃燒提高了6%～12%。

2)主燃區(qū)溫度在1 200～1 500 ℃時，隨主燃區(qū)溫度升高，NOx排放整體呈下降趨勢。

3)二次風(fēng)的配比對NOx排放具有顯著影響，隨主燃區(qū)過量氧氣系數(shù)的升高，NOx排放均呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。因此存在最佳二次風(fēng)配比，使NOx排放濃度最低。主燃區(qū)溫度為1 300 ℃時，最佳主燃區(qū)過量氧氣系數(shù)約為0.58；主燃區(qū)溫度為1 500 ℃時，最佳主燃區(qū)過量氧氣系數(shù)約為0.55。

4)二次風(fēng)氧濃度為21%～31%時，NOx排放隨二次風(fēng)氧含量的升高而降低。隨著二次風(fēng)的氧濃度逐漸升高，NOx排放的降低趨勢放緩。