煤粉燃燒時富氧部分氣化對NOx 生成的影響研究

程曉磊

（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(shù)裝備重點實驗室，北京 100013）

0 引 言

我國新能源行業(yè)發(fā)展日益迅速，但能源結(jié)構(gòu)特點決定了化石能源尤其是煤炭資源仍是我國能源行業(yè)的基礎(chǔ)支柱。 到2035 年，中國基礎(chǔ)能源消費中煤炭占比仍將接近45%［1］。 在國家對節(jié)能環(huán)保要求不斷提高的背景下，超低排放、近零排放使環(huán)保設(shè)備的投資逐漸攀升，嚴(yán)重制約了煤粉鍋爐系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用［2］。 煤粉燃燒過程生成的NOx可通過低氮燃燒技術(shù)從源頭降低，其關(guān)鍵要保證燃燒初期處于還原性氣氛，抑制NOx的生成并還原部分已生成的NOx。 富氧燃燒（Oxy-Fuel Combustion）是新型低氮燃燒技術(shù)，使用氧體積分?jǐn)?shù)（如無特殊說明，下文中氣體濃度均指體積分?jǐn)?shù)）比空氣高的氣體燃燒，結(jié)合煙氣再循環(huán)技術(shù)，使煙氣中高濃度CO2與富氧或純氧空氣混合。 富氧燃燒技術(shù)在常規(guī)電站鍋爐［3-4］和循環(huán)流化床［5-6］上均有應(yīng)用。 單純富氧燃燒并不能 降 低 NOx排 放。 ERIC 等［7］、 FAN 等［8-9］、SHADDIX 等［10］研究表明，煤粉燃燒全過程采用富氧方式，無論富氧（氧體積分?jǐn)?shù)21%～30%）還是純氧燃燒，均會提高煤粉燃燒產(chǎn)生的NOx總量，NOx排放量最大增幅在30%左右。 這是因為，雖然富氧條件下煙氣中N2濃度減少，熱力型NOx降低；但由于單純富氧燃燒時煤粉處于氧化氣氛，富氧氣氛會提高揮發(fā)分N 的析出，揮發(fā)分N 的轉(zhuǎn)化為NOx的比例比焦炭N 轉(zhuǎn)化比例高，導(dǎo)致總體燃料N 的轉(zhuǎn)化率明顯增加。

富氧燃燒一般需要結(jié)合煙氣再循環(huán)和空氣分級等低氮燃燒技術(shù)進(jìn)行，在主燃區(qū)采用較低過量空氣系數(shù)（0.15～0.40）的富氧燃燒，發(fā)生部分氣化反應(yīng)，形成還原性氣氛（CO 濃度可超過14%），在還原區(qū)和燃盡區(qū)采用空氣或低氧燃燒方式，實現(xiàn)降低NOx的排放。 文獻(xiàn)［11-12］在富燃O2／CO2火焰中觀測到了比在相同配比的燃料空氣火焰中更多的OH 自由基，認(rèn)為燃燒時鏈反應(yīng)基團(tuán)數(shù)量巨大，CO2的反應(yīng)與燃燒鏈反應(yīng)的競爭作用可忽略。 劉忠等［13］采用純氧燃燒結(jié)合再循環(huán)煙氣的低氮燃燒技術(shù)研究污染物生成與控制時指出，再循環(huán)煙氣比例為40%時，NOx排放量可降至原來的1／7。 FAN 等［8］在20 kW中試規(guī)模條件下，以通過富氧燃燒加深度空氣分級的方式，使用氧濃度為21%～30%的空氣，在分級配風(fēng)比例為42%的條件下，實現(xiàn)了還原區(qū)CO 濃度大于13%、NOx最終排放減排80% 以上的效果。MACKRORY 等［14-15］、游卓等［16-17］的研究也證明了富氧空氣分級燃燒的低氮作用。 OUYANG 等［18］和ZHU 等［19］利用200 kW 預(yù)熱式循環(huán)流化床煤粉燃燒試驗平臺研究了循環(huán)流化床預(yù)熱氣化燃燒、下行燃燒爐燃盡系統(tǒng)的燃燒和低氮特性。 在預(yù)熱式循環(huán)流化床內(nèi)配風(fēng)的過量空氣系數(shù)為0.3 ～0.5，下行爐進(jìn)口配風(fēng)比例為0.5～0.3，燃盡風(fēng)配風(fēng)比例0.4 ～0.5的條件下，預(yù)熱式循環(huán)流化床內(nèi)碳轉(zhuǎn)化率大于40%，煙氣中CO、H2和CH4濃度分別為9.0%、7.5%和2.0%左右，NOx排放可降至100 mg／m3以下。

采用富氧結(jié)合分級燃燒的方式，使主燃區(qū)配入過量空氣系數(shù)較小的富氧空氣，來獲得較高CO 濃度，實現(xiàn)較強(qiáng)還原性氣氛。 其關(guān)鍵是在主燃燒區(qū)內(nèi)盡可能提高煤粉的部分氣化反應(yīng)，提高還原性區(qū)域的范圍和還原性氣氛強(qiáng)度，強(qiáng)化空氣分級燃燒效果，為控制煤粉燃燒過程中NOx含量提供有利條件。 在煤粉富氧空氣分級燃燒的基礎(chǔ)上，結(jié)合煤粉氣化理念，形成煤粉富氧部分氣化耦合燃燒以降低NOx排放。 基于此，利用數(shù)值模擬研究了7 MW 燃燒器的燃燒特性、氣化反應(yīng)特性，并在鄂爾多斯某10 t／h煤粉蒸汽鍋爐系統(tǒng)上進(jìn)行了煤粉富氧部分氣化和分級燃燒的低氮燃燒試驗研究，驗證了富氧部分氣化對降低煤粉燃燒過程N(yùn)Ox生成量的作用，為低氮燃燒的實際應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支持。

1 煤粉富氧部分氣化數(shù)值模擬

流體力學(xué)耦合燃燒的數(shù)值模擬方法在煤粉燃燒特性研究中應(yīng)用日益廣泛。 由于煤粉在富氧部分氣化條件下的反應(yīng)與常規(guī)煤粉燃燒不同，需選用合適的氣相反應(yīng)模型。 常規(guī)煤粉燃燒過程常用混合分?jǐn)?shù)PDF（Probability Density Function）方法和組分輸運(yùn)模型中的渦耗散（Eddy Dissipation Model）模型，但該2 種反應(yīng)模型均未考慮反應(yīng)過程，只考慮了焦炭的燃燒反應(yīng)，強(qiáng)還原性氣氛下的氣化反應(yīng)模擬準(zhǔn)確性差、精度低［20-21］。 因此，氣相反應(yīng)采用FR／ED（Finite Rate／Eddy Dissipation）模型，并考慮氣化過程中所涉及的化學(xué)反應(yīng)。 該模型適合用于富氧部分氣化條件下的模擬，反應(yīng)方程及反應(yīng)機(jī)理參數(shù)見表1。

表1 富氧部分氣化過程的化學(xué)反應(yīng)及反應(yīng)動力學(xué)機(jī)理Table 1 Some reaction and kinetic mechanisms for oxygen rich combustion

模擬中涉及的主要模型參數(shù)如下：湍流模型采用Realizable k-ε 模型，該模型可相對準(zhǔn)確模擬湍流流動中的旋轉(zhuǎn)射流問題；燃燒器符合光學(xué)深度大于1 的條件，輻射模型選用具有較高計算效率的P1 模型；焦炭的揮發(fā)分析出選用雙競爭反應(yīng)模型，兩反應(yīng)在不同溫度范圍區(qū)間可控制析出速率，其反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)見表2；氣固兩相流動選用拉格朗日法的DPM 離散相模型，適用于離散相體積分?jǐn)?shù)小于10%的模型，DPM 模型使用面源注入。 數(shù)值模擬的研究利用商用軟件Ansys Fluent 進(jìn)行。

表2 雙競爭反應(yīng)模型動力學(xué)參數(shù)Table 2 Reaction kinetics parameters of two competing rates model

燃燒器采用自主研發(fā)的7 MW 中心逆噴雙錐燃燒器［22-23］，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 燃燒器1 次風(fēng)用于輸送煤粉，并在中部逆噴進(jìn)入燃燒器前錐，與2 次風(fēng)在前錐混合燃燒。 由于其具備獨特的燃料逆噴、煙氣回流和雙錐預(yù)燃室等特點，7 MW 中心逆噴雙錐燃燒器在煤粉著火、穩(wěn)定燃燒、低氮燃燒等方面有明顯優(yōu)勢。

圖1 7 MW 中心逆噴雙錐燃燒器Fig.1 7 MW double cone combustor with center reverse spraying

對該燃燒器結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，可分為1 次風(fēng)進(jìn)口、2 次風(fēng)進(jìn)口、出口、燃燒器壁面等部位，采用商用軟件ICEM 對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量為46.5 萬，如圖2 所示。

圖2 7 MW 中心逆噴雙錐燃燒器網(wǎng)格劃分Fig.2 7 MW meshing of double cone combustor with center reverse spraying

數(shù)值模擬燃料為神府東勝煙煤，其工業(yè)分析和元素分析見表3。

表3 燃料的工業(yè)分析和元素分析Table 3 Proximate and ultimate analyses of feed coal

模擬對比典型空氣工況和富氧工況條件下的燃燒器燃燒特性。 2 種工況條件下，在2 次風(fēng)過量空氣系數(shù)（燃燒所需氧氣量占理論所需氧氣量之比）均為0.61，空氣工況氧濃度為21.0%，富氧工況氧濃度為25.9%條件下，模擬結(jié)果如圖3 所示。 富氧工況條件下燃燒器內(nèi)燃燒溫度整體高于空氣燃燒工況，且著火區(qū)域更加提前，燃燒器出口溫度更加均勻。 空氣工況和富氧工況燃燒器內(nèi)平均溫度分別為897 ℃和1 007 ℃；燃燒器出口平均溫度分別為1 255 ℃和1 356 ℃。 富氧工況時，空氣中氧濃度提高，與煤粉的反應(yīng)速率提高，同時不參加反應(yīng)的N2等氣體濃度減少，吸收燃燒釋放熱量減少，燃燒器內(nèi)反應(yīng)溫度提高；由于氧濃度提高，空氣總量減少，煙氣在燃燒器內(nèi)的傳播速度降低，停留時間增加，有利于促進(jìn)煤粉的燃燒反應(yīng)，提高燃燒器內(nèi)溫度；2 次風(fēng)風(fēng)速降低時，逆噴的1 次風(fēng)與2 次風(fēng)混合位置更接近燃燒器前部，進(jìn)一步提高了煤粉燃燒的停留時間。燃燒器出口風(fēng)速降低，旋流強(qiáng)度降低，氣體在燃燒器出口的分層現(xiàn)象緩解，因此，燃燒器出口溫度分布更加均勻。

圖3 典型工況數(shù)值模擬Fig.3 Simulation of typical condition

燃燒器內(nèi)2 次風(fēng)向前傳播，1 次風(fēng)向后傳播，兩者交匯處即煤粉燃燒生成CO2和部分氣化反應(yīng)生成CO 開始的位置，此處CO 濃度迅速上升。 與反應(yīng)溫度分析類似，采用富氧方式，1 次風(fēng)攜帶煤粉向后傳播距離更遠(yuǎn)，燃燒器前部的CO 濃度更高。 同時燃燒器內(nèi)由于部分氣化反應(yīng)進(jìn)行程度的提高以及不參加反應(yīng)N2等氣體濃度的減少，采用富氧部分氣化時，燃燒器內(nèi)整體CO 濃度明顯高于采用空氣燃燒時的工況。 空氣工況和富氧工況燃燒器內(nèi)平均CO濃度分別為5.48%和7.17%，燃燒器出口平均CO 濃度分別為5.23%和6.35%。 由于采用了富氧氣氛，煤粉在燃燒器內(nèi)的反應(yīng)進(jìn)度也大幅提高，空氣工況和富氧工況條件下碳轉(zhuǎn)化率分別為61.54%和86.27%。

2 燃燒器富氧部分氣化試驗

通過數(shù)值模擬的工作初步探討了富氧條件對促進(jìn)燃燒器內(nèi)部氣化反應(yīng)的作用，但還需通過現(xiàn)場試驗進(jìn)行對比驗證。 燃燒器的富氧部分氣化試驗主要研究富氧比例及分級配風(fēng)比例對燃燒器內(nèi)部氣化進(jìn)行程度的影響。 試驗在鄂爾多斯某變量10 t／h 蒸汽煤粉工業(yè)鍋爐上進(jìn)行，鍋爐燃燒器與數(shù)值模擬中所用燃燒器燃料均相同。 純氧由液氧罐氣化后提供，按設(shè)定比例與2 次風(fēng)混合后進(jìn)入燃燒器，形成試驗所需富氧比例。 采用Vario 高溫?zé)煼謨x測試測定燃燒器出口煙氣成分，取樣點布置在燃燒器出口中心處。 由于燃燒器內(nèi)煤粉反應(yīng)時間有限，煤粉的碳轉(zhuǎn)化率約為60%左右，燃燒器內(nèi)通入過量空氣會形成氧化性氣氛，不利于煤粉部分氣化反應(yīng)進(jìn)行。 通過試驗研究了燃燒器內(nèi)不同過量空氣系數(shù)對燃燒器出口中心位置煙氣成分的影響。 試驗結(jié)果如圖4 所示，在過量空氣系數(shù)較低的條件下，燃燒器內(nèi)能完成部分氣化反應(yīng)，且煙氣中CO 和H2濃度均隨過量空氣系數(shù)下降而迅速上升。 過量空氣系數(shù)為1.25 時，燃燒器出口中心處煙氣中CO 和H2所占比例分別為2.512%和0.184%；當(dāng)過量空氣系數(shù)為0.456 時，相應(yīng)的CO 和H2比例分別增加至15.457%和0.992%。 由于在形成的強(qiáng)還原性氣氛條件下，燃燒器出口NOx濃度為0，大幅降低了煤粉燃燒初期對NOx生成的影響。 過量空氣系數(shù)越低，燃燒器還原性氣氛越強(qiáng)，但同時煤粉中焦炭反應(yīng)進(jìn)行程度也越低，因此，需綜合考慮還原性氣氛和焦炭反應(yīng)。 從燃燒器本身特點出發(fā)，燃燒器內(nèi)過量空氣系數(shù)在0.5 左右最優(yōu)。 數(shù)值模擬和試驗結(jié)果的對比驗證了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。 CO 體積分?jǐn)?shù)的模擬在過量空氣系數(shù)高時略高，在過量空氣系數(shù)低時略低。

圖4 過量空氣系數(shù)對燃燒器出口煙氣成分的影響Fig.4 Effects of excess air ratio on air composition from combustor outlet

與空氣燃燒工況相比相電，粉燃富氧燃燒形成的還原性氣氛更強(qiáng)，煙氣中CO 濃度更高。 在保證燃燒器內(nèi)空氣中總氧量（過量空氣系數(shù)）不變的條件下，進(jìn)行不同富氧濃度條件下的燃燒器富氧燃燒試驗。 由于富氧氣氛的存在，燃燒過程所需加熱不參加反應(yīng)的N2等成分濃度減少，燃燒反應(yīng)溫度提高，相同條件下焦炭反應(yīng)進(jìn)行程度明顯提高。 試驗濃度結(jié)果如圖5 所示，空氣中氧體積分?jǐn)?shù)可由21.0%提高至28.3%時，燃燒器出口中心處CO 體積分?jǐn)?shù)由9.540%提高至20.258%，即使扣除氧濃度提高的因素，CO 的生成量也提高了49.300%；CH4生成量略有降低。

圖5 富氧比例對燃燒器出口煙氣成分的影響Fig.5 Effects of oxygen enrichment ratio on air composition from combustor outlet

由于燃燒器屬強(qiáng)旋流燃燒器，燃燒出口截面不同直徑處的煙氣成分也不相同。 燃燒器2 次風(fēng)為旋流助燃風(fēng)，在燃燒器內(nèi)緊貼壁面，在壁面附近形成空氣層，起到降低燃燒器壁面附近溫度的作用。 而燃燒器中心位置，尤其是靠近出口處，空氣中氧濃度相對較低，燃燒的還原性氣氛更強(qiáng)。 還原性氣體濃度在燃燒器出口呈現(xiàn)中間高、邊緣低的特點。 在富氧工況條件下測得的還原性氣體成分分布如圖6 所示。 在該工況下，燃燒器出口中心處CO 濃度為20.025%，徑向距離中心點30 mm 處CO 濃度迅速降低至8.262%，距燃燒器邊緣150 mm 處CO 濃度為1.26%，燃燒器橫截面上平均CO 濃度為3.15%。

圖6 燃燒器出口不同位置煙氣成分分布Fig.6 Air distribution at different radial distance of combustor outlet

3 煤粉富氧部分氣化分級燃燒試驗

燃燒器內(nèi)實現(xiàn)煤粉富氧部分氣化是實現(xiàn)最終低氮燃燒的基礎(chǔ)條件，燃燒器生成的CO 等氣體、以及未反應(yīng)的焦炭在爐膛內(nèi)燃燒產(chǎn)生的NOx還需通過其他低氮燃燒技術(shù)進(jìn)行控制，以達(dá)到控制煤粉燃燒全過程N(yùn)Ox生成的目的。 10 t／h 煤粉蒸汽鍋爐系統(tǒng)布置如圖7 所示，燃燒器斜向下8°布置，配風(fēng)中1 次風(fēng)和2 次風(fēng)進(jìn)入燃燒器，3 次風(fēng)布置在鍋爐前墻燃燒器下部。 在相同2、3 次風(fēng)配風(fēng)比例條件下，進(jìn)行不同富氧比例對低氮燃燒影響的試驗，結(jié)果如圖8 所示。

圖7 10 t／h 蒸汽鍋爐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of 10 t／h steam boiler system

圖8 富氧氣氛對鍋爐NOx 初始排放的影響Fig.8 Effects of oxygen enrichment ratio on original NOx emission for boiler

鍋爐不采用分級配風(fēng)的工況，燃燒所需空氣均由燃燒器進(jìn)入爐膛，鍋爐NOx初始排放質(zhì)量質(zhì)量濃度為546 mg／m3，3 次風(fēng)分級比例為35%時，NOx初始排放濃度降低至390 mg／m3。 在相同分級配風(fēng)比例條件下，采用富氧工況，鍋爐NOx初始排放明顯降低，當(dāng)空氣中氧體積分?jǐn)?shù)由21.0%升至22.7%時，NOx初始排放質(zhì)量濃度由390 mg／m3降低至358 mg／m3，降幅為8.20%；當(dāng)氧濃度升高至24.4%時，NOx初始排放濃度降低至285 mg／m3，降幅為26.9%。試驗結(jié)果表明，采用富氧部分氣化和分級配風(fēng)2 種方式均能有效降低NOx初始排放濃度，分級配風(fēng)可保證燃燒器和爐膛前部處于還原性氣氛，幾乎不生成NOx，爐膛后部燃盡區(qū)分級風(fēng)混入，生成少量NOx；燃燒器內(nèi)采用富氧方式，可提高燃燒器內(nèi)碳轉(zhuǎn)化率和還原性氣體濃度，擴(kuò)大燃燒過程中還原性氣氛的作用區(qū)域，同時使燃盡區(qū)需要反應(yīng)的焦炭量降低，焦炭反應(yīng)生NOx總量降低，進(jìn)一步降低NOx的初始排放。 在2 次風(fēng)氧體積分?jǐn)?shù)為28.3%、3 次風(fēng)分級配風(fēng)比例為41.2%時，鍋爐初始NOx排放質(zhì)量濃度最低可至159 mg／m3，NOx生成總降幅達(dá)70.9%。

4 結(jié) 論

1）FR／ED 的氣相反應(yīng)模型考慮了煤粉的氣化反應(yīng)，更適合于模擬煤粉富氧部分氣化反應(yīng)；富氧氣氛可提高燃燒器內(nèi)CO 的反應(yīng)濃度，同時提高煤粉的碳轉(zhuǎn)化率；數(shù)值模擬結(jié)果表明，相比空氣工況，氧濃度為25.9%的富氧工況條件下，燃燒器內(nèi)平均溫度由897 ℃提高至1 007 ℃，燃燒器出口溫度由1 255 ℃提高至1 356 ℃，燃燒器出口平均CO 濃度由5.23%提高至6.35%，燃燒器內(nèi)碳轉(zhuǎn)化率由61.54% 提高至86.27%。

2）7 MW 雙錐燃燒器的富氧試驗結(jié)果表明，試驗結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果有較好一致性；燃燒器內(nèi)過量空氣系數(shù)降低至0.456 時，燃燒器出口CO 濃度可達(dá)15.457%；燃燒器內(nèi)空氣中氧濃度由21.0%提高至28.3%時，燃燒器出口中心處CO 體積分?jǐn)?shù)由9.540% 提高至20.258%，燃燒器出口NOx的生成量為0。

3）鄂爾多斯某10 t／h 蒸汽煤粉工業(yè)鍋爐試驗在單獨采用富氧部分氣化時，NOx初始排放質(zhì)量濃度由390 mg／m3降低至285 mg／m3；采用富氧部分氣化和空氣分級相結(jié)合的低氮燃燒技術(shù)時，鍋爐NOx初始排放質(zhì)量濃度可由546 mg／m3降低至159 mg／m3。