半焦空氣分級燃燒NOx排放試驗研究

李 慧，楊 石，周建明

(1.煤科院節(jié)能技術有限公司，北京 100013; 2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013；3.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術裝備重點實驗室，北京 100013；)

0 引 言

低階煤經低溫熱解后的油氣產品是具有高附加值的化工原料，加工過程產生的大量半焦粉主要作為燃料進行利用[1-3]，若作為煤粉工業(yè)鍋爐燃料[4-6]，既可增加鍋爐燃料來源，又有利于促進煤炭分質利用。由于半焦揮發(fā)分較低，著火和實現穩(wěn)定燃燒較原煤需要更高的溫度；此外，由于半焦的低揮發(fā)分，初期揮發(fā)分析出困難，且揮發(fā)分中還原性小分子物質含量較低，不利于煤粉工業(yè)鍋爐燃用半焦NOx的控制。因此，需要通過多種技術措施，合理組織燃燒，從而降低NOx的生成?？諝夥旨壢紵夹g是將半焦粉燃燒空氣分階段送入爐體，一般分為一次風、二次風及燃盡風，形成具有還原性氣氛的主燃區(qū)和氧化性氣氛的燃盡區(qū)，燃燒生成的NOx在主燃區(qū)進行還原，半焦顆粒在燃盡區(qū)燃盡[7-9]。對于燃用半焦的NOx控制技術前人已進行了一定的研究，么瑤等[10-12]在循環(huán)流化床鍋爐簡化系統(tǒng)上研究了細粉半焦預熱燃燒NOx生成特性，對一次風當量比、二次風量及位置、還原區(qū)長度等因素進行了考察，得出適用于循環(huán)流化床的半焦預熱燃燒NOx排放特性。目前尚未有針對應用室燃技術的煤粉工業(yè)鍋爐的半焦空氣分級燃燒研究，包括結合應用逆噴式燃燒器的煤粉工業(yè)鍋爐燃燒溫度以及系統(tǒng)研究不同配風工況對NOx生成的影響，故采用兩段式滴管爐將半焦粉在煤粉工業(yè)鍋爐中的燃燒過程進行簡化，以探究主燃區(qū)燃燒溫度的影響以及合理的配風比例。研究表明，半焦在較高升溫速率條件下，揮發(fā)分析出速率較快，揮發(fā)分中小分子物質較多，有利于快速著火[13-16]。針對煤粉工業(yè)鍋爐燃燒器內具有高溫回流區(qū)的特點，通過提高主燃區(qū)溫度，加快半焦粉進入爐體后的升溫速率，使其揮發(fā)分快速析出，增加揮發(fā)分中還原性小分子物質含量，空氣分級燃燒技術的應用可實現半焦穩(wěn)定燃燒同時控制NOx的生成[17-18]。因此，結合煤粉工業(yè)鍋爐燃燒特點，探究較高主燃區(qū)溫度下半焦空氣分級燃燒NOx排放規(guī)律，選取合適的燃燒溫度、合理的分級配風比例，是實現半焦在煤粉工業(yè)鍋爐中穩(wěn)定燃燒及降低NOx排放的關鍵。本文在自主搭建的滴管爐燃燒試驗臺架對半焦空氣分級燃燒過程中NOx的排放規(guī)律進行研究，并從燃盡率、灰樣微觀結構等方面進行分析，為半焦應用于煤粉工業(yè)鍋爐提供理論基礎。

1 試驗方法與設備

半焦的空氣不分級及空氣分級燃燒試驗均在自主搭建的兩段式滴管爐實驗臺架上進行。滴管爐系統(tǒng)如圖1所示，爐體上段相當于煤粉工業(yè)鍋爐的主燃區(qū)，最高溫度1 600 ℃，爐體下段相當于煤粉工業(yè)鍋爐的燃盡區(qū)，最高溫度1 000 ℃；試驗過程中由微粉給料器給料，給料精度±5%。實驗臺架配有配氣系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)及煙氣測試系統(tǒng)以滿足試驗需要。

圖1 滴管爐系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of drop-tube furnace system

試驗過程中滴管爐主燃區(qū)溫度設置在1 000～1 400 ℃，燃盡區(qū)溫度保持1 000 ℃?？諝獠环旨壢紵囼炦^量空氣系數為1.00～1.30；空氣分級燃燒試驗二次風比例在0.4～0.8，一次風保持5%(煤粉工業(yè)鍋爐一次風比例為5%左右)，通過改變二次風和燃盡風量來調節(jié)主燃區(qū)過量空氣系數及配風比例，總過量空氣系數為1.2；試驗前對微粉給料器進行標定，結果如圖2所示，給料速率為3.5 g/min。煙氣數據在爐膛出口處測得，并按照O2含量6%標準進行折算。燃盡率采用耐馳STA449F3型熱重分析儀測定，其計算方法為灰樣中殘留的可燃質含量占半焦總可燃質含量的百分數。

試驗用半焦均制成200目(0.074 mm)的半焦粉。微量給料器要求物料為干燥粉末狀，為了保證半焦粉給料連續(xù)均勻，將半焦粉于烘箱中烘干5 h。試驗用半焦粉的工業(yè)分析和元素分析見表1。可以看出，半焦固定碳為78.18%，揮發(fā)分為12.19%，灰分為10.96%，揮發(fā)分較低，固定碳含量較高。

圖2 微量給料器標定曲線Fig.2 Curve of rating test of the micro feeder

表1 半焦樣品的工業(yè)分析及元素分析

2 試驗結果與分析

2.1 空氣不分級燃燒NOx生成規(guī)律

半焦的燃燒反應和燃燒過程中的NOx生成與還原反應均受化學反應速率及擴散速率控制，即受反應溫度和過量空氣系數控制。圖3為半焦空氣不分級燃燒爐膛出口處NOx濃度隨溫度和過量空氣系數的變化?？梢钥闯?，在相同過量空氣系數時，NOx濃度隨主燃區(qū)溫度的升高而增加。相同溫度下，過量空氣系數由1.0增到1.3時，NOx生成量逐漸增大。其中，過量空氣系數由1.0增到1.15時，在主燃區(qū)溫度1 000～1 400 ℃的5個試驗溫度下，出口NOx濃度分別增加了1 100%、673%、395%、256%、235%，說明在此過量空氣系數范圍內NOx生成量增加明顯；空氣過剩系數由1.15增加到1.30時，5個試驗溫度下出口NOx濃度分別增加了23.71%、25.60%、22.58%、25.75%、17.16%，可見在此過量空氣系數范圍內，NOx生成量增加較慢。其主要原因是由于空氣一次性送入燃燒系統(tǒng)，在試驗溫度下，生成的NOx基本為燃料型NOx，主要由揮發(fā)分和焦炭N氧化而來[19-20]。隨著溫度升高，半焦升溫速率加快，揮發(fā)分析出加快，燃燒過程加劇，揮發(fā)分中原子N和焦炭中N原子氧化生成NOx速率加快[9,13,19]，但當過量空氣系增加到一定值后，半焦的燃燒速度以及燃料N與O2的反應達到限度，因而，繼續(xù)增大空氣過剩系數，NOx生成速率未明顯增加。

圖3 空氣不分級燃燒NOx生成規(guī)律Fig.3 NOx generation law in non-staged condition

圖4 空氣不分級燃燒燃燒CO生成規(guī)律Fig.4 CO generation law in non-staged condition

空氣不分級燃燒條件下CO生成規(guī)律如圖4所示。可見，隨著主燃區(qū)溫度升高和過量空氣系數增加，出口煙氣中CO濃度下降，說明燃燒速率加快，燃燒更充分?？諝膺^剩系數在1.00～1.15時，CO濃度升高明顯；空氣過剩系數在1.15～1.30時，CO濃度變化不明顯，說明燃燒過程已達一定限度。該規(guī)律與NOx生成規(guī)律基本相同。由此可見，過量空氣系數的增加不會使半焦的燃燒速率持續(xù)增加，在實際工業(yè)鍋爐運行中，過大的過量空氣系數會增加煙氣帶走的熱量，降低鍋爐熱效率，在本文試驗條件下，過量空氣系數在1.2內為宜。

2.2 空氣分級燃燒NOx生成規(guī)律

半焦空氣分級燃燒過程中NOx生成規(guī)律如圖5所示，可見，隨主燃區(qū)溫度升高，不同二次風比例范圍內NOx生成量變化趨勢不同，當二次風比例大于0.56時，NOx生成量隨溫度升高而增加；當二次風比例小于0.56時，NOx生成量隨溫度的升高而降低。主要原因為：① 隨著主燃區(qū)溫度升高，燃料N氧化生成NOx速率，以及已生成的NOx被還原的速率均增大，此時燃料N的轉化途徑取決于反應氣氛；② 二次風比例大于0.56時，由于主燃區(qū)內氧含量較高，隨溫度升高燃料N氧化生成NOx的速率比NOx還原反應速率增加的幅度大，故此時隨著主燃區(qū)溫度升高，NOx排放濃度升高；③ 二次風比例小于0.56時，主燃區(qū)內還原性氣氛較強，隨主燃區(qū)溫度升高，NOx還原反應速率增幅較大，大于因溫度升高增加的量，故生成的NOx總量降低。

圖5 半焦空氣分級燃燒NOx生成規(guī)律Fig.5 NOx generation law in semi-coke air-staged combustion

圖6 半焦空氣分級燃燒燃盡率變化規(guī)律Fig.6 Burn-out rate in semi-coke air-staged combustion

圖7 二次風比例對NOx的影響Fig.7 Influence of secondary air ratio on NOx

半焦空氣分級燃燒燃盡率變化如圖6所示。隨主燃區(qū)溫度升高，燃盡率整體上呈增加趨勢。圖7為二次風比例對NOx的影響，與NOx生成的變化規(guī)律相似，隨著主燃區(qū)溫度升高，二次風比例大于0.56時，NOx濃度減少比例降低；二次風比例小于0.56時，NOx濃度降低幅度增大。結合NOx濃度、燃盡率及NOx生產量降低可以看出，提高主燃區(qū)溫度可在保證燃盡率的前提下降低的NOx生成量。在各主燃區(qū)溫度下，NOx濃度隨二次風比例的減小，先減后增或后趨于平穩(wěn)。主燃區(qū)溫度為1 000～1 200 ℃時，NOx排放濃度的二次風比例轉折點為0.64。二次風比例大于0.64時，隨二次風比例減小，NOx排放濃度降低；二次風比例小于0.64時，隨二次風比例降低，NOx濃度稍有回升。主燃區(qū)溫度為1 300～1 400 ℃時，二次風比例轉折點為0.56。二次風比例大于0.56時，隨二次風比例的降低，NOx濃度降低；二次風比例小于0.56時，NOx濃度趨于平穩(wěn)。二次風比例較大時，半焦顆粒附近的氧含量較高，CO等還原性氣體濃度較低，NOx生成量比還原量大，NOx排放濃度較高；二次風比例過低時，由于燃燒進程的推遲，燃料N的釋放被推遲到燃盡區(qū)，NOx排放濃度增大。由圖6可知，隨二次風比例減小，半焦燃盡率呈先增后減或后趨于平穩(wěn)，說明合理的配風有利于提高半焦的燃燒效率；圖7中二次風比例對NOx的影響與NOx排放規(guī)律一致，說明對于空氣分級燃燒，合理的二次風配比對其低氮燃燒效果的影響巨大，選擇合理的二次風配比會帶來良好的低氮效果。

主燃區(qū)溫度為1 000～1 200 ℃時，二次風比例0.64時的NOx排放濃度比0.56時稍低，但后者燃盡率較高，結合圖8的CO排放濃度，二次風比例為0.56時的CO排放濃度均較低，因此選取0.56為本文試驗條件下的最佳二次風比例，且在各主燃區(qū)溫度的最佳二次風比例下，NOx排放濃度均在120 mg/m3以下，燃盡率和NOx減少比例均較高。

圖8 二次風比例為0.56時CO濃度隨主燃區(qū)溫度變化規(guī)律Fig.8 CO emission in different fuel-rich zone temperaturewhen the ratio of secondary air is 0.56

2.3 空氣分級燃燒灰樣微觀孔隙結構及形貌

選取主燃區(qū)溫度為1 300 ℃時，3個二次風比例(0.4、0.56、0.8)燃燒所得灰樣進行孔徑分布及比表面積測定。圖9為半焦粉空氣分級燃燒所得灰樣的孔徑分布，可以看出，二次風比例為0.56時，其孔隙在較小孔徑處出現的幾率遠大于二次風比例為0.4和0.8時，二次風比例為0.4和0.8時的孔徑分布差別不大。表2為1 300 ℃時，不同二次風比例下半焦燃燒灰樣孔隙特征參數，二次風比例為0.56時，燃燒所得灰樣的比表面積最大，有利于揮發(fā)分析出和孔隙的形成，有利于半焦燃燒和NOx的還原反應[21-22]；二次風比例為0.8時，其總孔容最小，為0.005 914 cm3/g，灰樣比表面積也最??；二次風比例為0.4時，其總孔容最大，為0.012 816 cm3/g，比表面積較小，為2.28 m2/g，說明在這2個二次風比例下的揮發(fā)分析出比0.56時少，不利于孔隙的形成和發(fā)展，燃燒反應不及0.56時充分。綜上，3個二次風比例中，0.56為最佳二次風比例，既可保證半焦充分燃燒，也可保證低NOx排放。

圖9 不同二次風比例下半焦灰樣孔徑分布Fig.9 Pore distribution of semi-coke ash atdifferent ratio of secondary air

表2 不同二次風比例下半焦燃燒灰樣孔隙特征參數

圖10為主燃區(qū)溫度為1 300 ℃，二次風比例分別為0.4、0.56和0.8時的半焦空氣分級燃燒所得灰樣的微觀形貌。由圖10可以看出，二次風比例為0.56時，灰樣顆粒較小，顆粒間黏連較多，說明該二次風比例下的燃燒反應進行較充分；此時，灰樣表面孔隙最豐富，說明在試驗條件下，二次風比例為0.56時有利于半焦燃燒和揮發(fā)分析出及孔隙的形成與發(fā)展。

圖10 1 300 ℃時不同二次風比例半焦燃燒灰樣微觀形貌Fig.10 Microstructure of semi-coke ash at different secondary air at 1 300 ℃

3 結 論

1)半焦空氣不分級燃燒時，隨主燃區(qū)溫度升高，NOx排放濃度增大；隨過量空氣系數增加，NOx排放濃度增大；當過量空氣系數大于1.15時，NOx排放濃度增幅變小，燃燒反應和NOx生成反應達一定極限；本文試驗條件下，過量空氣系數在1.2以內為宜。

2)半焦空氣分級燃燒時，綜合NOx排放濃度、燃盡率及NOx減排效率的變化規(guī)律，在合理配風條件下，提高主燃區(qū)溫度有利于半焦燃燒及NOx減排。

3)在本文試驗條件下，最佳二次風比例為0.56，此時NOx排放濃度均在120 mg/m3以下，且燃盡率和NOx降低比例均較高，從微觀孔隙結構及形貌也得到證明，說明該二次風比例下，有利于燃燒和揮發(fā)分析出、孔隙的形成和發(fā)展，有利于NOx減排。