氣化細粉灰預(yù)熱無焰燃燒煤氮轉(zhuǎn)化與NOx排放特性

丁鴻亮，歐陽子區(qū)

(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)

0 引 言

我國豐富的煤炭探明儲量中，低階煤占比大[1-3]。氣化殘?zhí)渴堑碗A煤分級分質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品[4]，通過對其進一步的燃燒利用可避免直接廢棄造成的能源浪費與環(huán)境污染等問題，提高煤炭資源的整體利用效率。但由于氣化殘?zhí)烤哂袚]發(fā)分極低、著火和穩(wěn)定燃燒較難等特點，現(xiàn)有的常規(guī)煤粉鍋爐通常難以實現(xiàn)深度處理。探索氣化殘?zhí)康姆€(wěn)定、高效、潔凈燃燒技術(shù)，為其廣泛應(yīng)用提供新的技術(shù)方案和理論支撐，已成為當(dāng)前亟待解決的難題。

燃煤利用過程中產(chǎn)生的氮氧化物(NOx)會對大氣環(huán)境造成嚴(yán)重污染[5-6]。由于煤粉在實際燃燒過程中產(chǎn)生的NOx化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，且相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)較復(fù)雜，因此對其控制效果不理想[5]。研究發(fā)現(xiàn)，高濃度的氮氧化物易引發(fā)多種大氣污染，如光化學(xué)煙霧、酸雨等，同時也會對臭氧層造成破壞，加劇溫室效應(yīng)[6]。NOx也會危害人類健康，易引發(fā)肺部疾病。我國環(huán)保部門針對燃煤污染物已陸續(xù)出臺了多項政策，并發(fā)布了相關(guān)規(guī)范文件，NOx減排任務(wù)勢在必行[5]。目前除成熟度較高的脫氮技術(shù)[7-9]外，無焰燃燒(MILD)作為新型燃燒技術(shù)在NOx排放控制上顯現(xiàn)巨大潛力[10-11]，近30年發(fā)展迅速。研究結(jié)果表明[12-19]，在無焰燃燒區(qū)域內(nèi)，燃燒穩(wěn)定性高，燃燒溫度分布均勻且峰值較低，無肉眼可見的火焰鋒面，NOx排放水平較低。對于固體燃料，其實現(xiàn)無焰燃燒的主要方式是以燃氣或蓄熱體中的高溫低氧空氣作助燃氣體[17-18]，也可利用常溫空氣高速射流卷吸煙氣方式來滿足無焰燃燒條件[19-21]。Weidmann等[22]在中試試驗平臺(230 kWth)上研究了煤粉的無焰氧化過程，證實了無焰燃燒技術(shù)能提高燃料燃燒的均勻性，通過OH化學(xué)成像和LDV表征手段描述了煤粉無焰氧化過程中反應(yīng)區(qū)域拓撲和流場模型，發(fā)現(xiàn)富氧工況下較低溫度可降低HCN的釋放和NOx形成。Stadler等[15]研究表明，與火焰燃燒相比，褐煤與煙煤無焰燃燒狀態(tài)下產(chǎn)生的熱力型NOx含量降低約50%。Saha等[23]在立式爐上研究了無焰燃燒模式下CO2射流速度對維多利亞褐煤燃燒特性的影響，結(jié)果表明，射流雷諾數(shù)與煤揮發(fā)分釋放速率呈正相關(guān)，二者增加會造成褐煤總碳消耗速率明顯下降。但有關(guān)氣化細粉灰無焰燃燒模式下的燃料特性、煤氮轉(zhuǎn)化及NOx排放卻鮮有報道。

中國科學(xué)院工程熱物理研究所于2007年提出適用于固體燃料高效低氮燃燒的煤粉高溫燃燒方法[23]，并據(jù)此研發(fā)出煤粉自預(yù)熱燃燒工藝[24]，打破了傳統(tǒng)燃燒模式下燃料高效燃燒與低NOx排放的相互制約。燃料首先在預(yù)熱燃燒器中進行部分燃燒與部分氣化反應(yīng)釋放熱量，實現(xiàn)自身預(yù)熱，無需外部熱源，隨后在燃燒過程中結(jié)合分級燃燒技術(shù)進一步降氮。在30 kW煤粉自預(yù)熱燃燒小試[25-27]、MW級煤粉自預(yù)熱燃燒中試[28-29]等試驗裝置上實現(xiàn)了多種燃料穩(wěn)定的預(yù)熱燃燒，研究結(jié)果均證明煤粉自預(yù)熱燃燒技術(shù)具有實現(xiàn)燃料清潔高效燃燒的潛力，揭示了預(yù)熱促進燃料改性和活化的內(nèi)在機制。在煤粉自預(yù)熱燃燒技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用方面，中國科學(xué)院工程熱物理研究所開發(fā)了20～60 t/h的煤粉預(yù)熱燃燒鍋爐，展現(xiàn)出煤種適應(yīng)性廣、負荷調(diào)節(jié)范圍大和NOx排放低等技術(shù)優(yōu)勢[30]。煤氣化的副產(chǎn)物——氣化細粉灰，具有揮發(fā)分極低、熱值小、可燃性差和反應(yīng)特性差等特點，常規(guī)燃燒技術(shù)難以利用，且經(jīng)煤氣化處理后，其物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)特性較原燃料發(fā)生很大變化。目前采用煤粉自預(yù)熱燃燒技術(shù)實現(xiàn)氣化細粉灰的穩(wěn)定、高效和清潔燃燒以及預(yù)熱過程中的煤氮轉(zhuǎn)化和NOx生成特性研究的相關(guān)文獻較少。

本文在前期研究基礎(chǔ)上采用煤粉自預(yù)熱燃燒技術(shù)，在燃燒室內(nèi)實現(xiàn)了氣化細粉灰的無焰燃燒，旨在探索實現(xiàn)氣化細粉灰燃燒中低NOx排放的新途徑，并對其煤氮轉(zhuǎn)化特性及NOx排放進行深入研究。

1 試 驗

1.1 試驗裝置和試驗過程

試驗裝置為30 kW固體碳基燃料預(yù)熱無焰燃燒試驗臺，其原理如圖1所示，主要由預(yù)熱燃燒器、下行燃燒室及其他輔助系統(tǒng)組成。

圖1 試驗工藝流程Fig.1 Processing flow chart of experimental system

預(yù)熱燃燒器本體采用Cr25Ni20不銹鋼材料制成，以循環(huán)流化床為設(shè)計原型。一部分助燃風(fēng)(一次風(fēng)，風(fēng)量為理論風(fēng)量的20%～40%)從提升管底部供入，另一部分燃燒所需空氣(二次風(fēng)和三次風(fēng))分別從下行燃燒室頂部噴嘴和側(cè)壁噴嘴引入。試驗開始前，向預(yù)熱燃燒器內(nèi)加入4 kg石英砂作為蓄熱床料。燃料進入預(yù)熱燃燒器后在高溫床料作用下發(fā)生部分燃燒與部分反應(yīng)，實現(xiàn)自身預(yù)熱，產(chǎn)生的高溫煤氣和高溫煤焦(統(tǒng)稱為預(yù)熱燃料)從旋風(fēng)分離器出口離開，進入下行燃燒室繼續(xù)燃燒。

下行燃燒室頂部噴口采用高溫預(yù)熱燃料與二次風(fēng)同軸射流噴口，結(jié)構(gòu)如圖2所示。高溫預(yù)熱燃料從中心筒噴入，中間一層為內(nèi)二次風(fēng)通道，最外側(cè)為外二次風(fēng)通道。三次風(fēng)噴口布置在距下行燃燒室頂部1 000 mm處。在側(cè)墻上布置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 mm及250 mm處，下面4層為內(nèi)徑63 mm的圓形，分別位于600、900、1 200及1 600 mm處。引入少量壓縮空氣對內(nèi)側(cè)觀火窗進行吹掃，以清除燃燒過程中沉積的飛灰，其對燃燒的影響可忽略。

圖2 高溫預(yù)熱燃料與二次風(fēng)同軸射流噴口Fig.2 High temperature preheated fuel and secondary air coaxial jet nozzle

1.2 數(shù)據(jù)采集與取樣分析

表1為熱電偶(不確定度 < 0.5%)的安裝位置。在預(yù)熱燃燒器內(nèi)布置5支K型熱電偶，在下行燃燒室沿軸線方向布置10支S型熱電偶。本試驗測得的溫度均已根據(jù)輻射量進行校正。取樣口分別設(shè)置在旋風(fēng)分離器出口處，以及距下行燃燒室頂部150、400、900、1 400、2 400和3 400 mm處，可在線分析下行燃燒室不同位置處的高溫?zé)煔?。對于預(yù)熱燃燒器出口氣體：① 高溫煤氣利用氟膜集氣袋收集，并連接至GC7800氣相色譜儀(安捷倫科技有限公司)分析成分組成；② 利用電化學(xué)KM9106便攜式煙氣分析儀對高溫煤氣中O2、NO和NO2進行在線分析；③ 利用稀硫酸溶液與氫氧化鈉溶液吸收高溫煤氣中的NH3和HCN，分別采用納氏試劑分光光度法和硫氰酸汞分光光度法分析，其詳細測量精度見文獻[31]。利用Gasmet FTIR DX4000煙氣分析儀(芬蘭GASMET公司)對下行燃燒室沿程各處煙氣組分進行在線分析。利用氧化鋯對煙氣冷卻器出口煙氣氧含量實時監(jiān)測。試驗過程中利用Ganon G7XII相機(光圈F4，快門速度1/1 000 s，感光ISO 1000，色溫6 000 K)拍攝燃燒室內(nèi)的火焰燃燒狀況。試驗數(shù)據(jù)采集與取樣工作均在系統(tǒng)已進入工況并穩(wěn)定運行2 h 后進行，取樣過程各測點溫度波動控制在±4 ℃以內(nèi)。

表1 試驗系統(tǒng)熱電偶布置

1.3 試驗原料

試驗原料為產(chǎn)自山東茌平的氣化細粉灰，揮發(fā)分低，穩(wěn)定燃燒較難，其工業(yè)分析及元素分析見表2，灰成分分析和灰熔融性分析見表3。氣化細粉灰粒徑分布范圍為0～100 μm，其中50%切割粒徑d50=13.2 μm，90%切割粒徑d90=40.93 μm，具體粒徑分布如圖3所示。預(yù)熱燃燒器床料粒徑范圍為0.1～0.5 mm。

表2 茌平氣化細粉灰工業(yè)分析和元素分析

表3 茌平氣化細粉灰灰成分分析和灰熔融性分析

圖3 氣化細粉灰粒徑分布曲線Fig.3 Particle size distribution curve of gasification fine powder ash

1.4 試驗工況

預(yù)熱溫度和預(yù)熱燃燒器空氣當(dāng)量比是影響氣化細粉灰中煤氮析出和轉(zhuǎn)化的重要因素。由于2個變量之間存在相關(guān)關(guān)系，因此本文在進行單一變量試驗時，通過給煤量和配風(fēng)量之間的協(xié)同控制，實現(xiàn)對另一變量的約束，研究不同預(yù)熱條件下氣化細粉灰中氮元素的轉(zhuǎn)化特性，并在下行燃燒室內(nèi)實現(xiàn)氣化細粉灰無焰燃燒模式下的低NOx排放。試驗具體運行工況參數(shù)見表4。其中，預(yù)熱燃燒器當(dāng)量比、二次風(fēng)當(dāng)量比(內(nèi)外二次風(fēng)比為1∶1)、三次風(fēng)當(dāng)量比分別為通入預(yù)熱燃燒器的風(fēng)量、二次風(fēng)量以及三次風(fēng)量與煤粉完全燃燒所需理論空氣量的比值，預(yù)熱溫度指預(yù)熱燃燒器內(nèi)的最高溫度，輸入熱功率與給煤量呈正相關(guān)。

表4 試驗工況參數(shù)

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 預(yù)熱燃燒器運行特性

以工況2為例對預(yù)熱燃燒器運行穩(wěn)定性進行研究。圖4為預(yù)熱燃燒器內(nèi)溫度隨時間變化曲線。試驗工況穩(wěn)定時，提升管內(nèi)溫度分布均勻，最高溫度為902 ℃，位于提升管中部；最低溫度為865 ℃，位于提升管底部，最高溫差為37 ℃，體現(xiàn)了循環(huán)流化床溫度均勻化的特點。預(yù)熱燃燒器內(nèi)溫度平穩(wěn)，基本不隨時間推移發(fā)生明顯變化，說明氣化細粉灰在過量空氣系數(shù)為0.25的工況下，可在循環(huán)流化床中穩(wěn)定地進行部分氣化和部分燃燒反應(yīng)，釋放熱量，將溫度維持在900 ℃。下行燃燒室入口溫度為725 ℃，這是因為管道較長，保溫較差導(dǎo)致熱量散失。同時說明預(yù)熱燃燒器能夠連續(xù)、穩(wěn)定地產(chǎn)生溫度725 ℃的高溫預(yù)熱燃料。對于其他工況，預(yù)熱燃燒器床內(nèi)的溫度分布也能保持較高的穩(wěn)定性和均勻性。

圖4 工況2預(yù)熱燃燒器內(nèi)溫度隨時間變化曲線Fig.4 Temperature variations over timein preheating burner in case 2

圖5為預(yù)熱燃燒器內(nèi)壓力差隨時間變化曲線。從濾波后的曲線可以看出，當(dāng)預(yù)熱燃燒系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，物料濃度分布基本均勻，各部分壓差波動達到穩(wěn)定狀態(tài)，再次說明高溫預(yù)熱燃料可穩(wěn)定、連續(xù)地進入下行燃燒室進一步燃燒。因此，利用預(yù)熱燃燒器對氣化細粉灰進行預(yù)熱的方法可行。

圖5 工況2預(yù)熱燃燒器內(nèi)壓力差隨時間變化曲線Fig.5 Pressure differences variations over timein preheating burner in case 2

2.2 預(yù)熱溫度的影響

研究不同預(yù)熱溫度下的燃料氮轉(zhuǎn)化與NOx排放特性的工況為工況1、2、3。在調(diào)整試驗參數(shù)至工況穩(wěn)定的過程中，預(yù)熱燃燒器內(nèi)溫度隨給煤量的增加而減小，隨空氣量的增加而增加。因此試驗過程中通過協(xié)同控制給煤量和配風(fēng)量，在不改變預(yù)熱燃燒器空氣當(dāng)量比的前提下，實現(xiàn)對預(yù)熱溫度的控制。

2.2.1預(yù)熱過程燃料氮轉(zhuǎn)化特性

工況穩(wěn)定后在旋風(fēng)分離器出口對預(yù)熱后的高溫煤氣進行取樣，分析結(jié)果見表5?？芍?，氣化細粉灰預(yù)熱后的煤氣成分大部分為N2和CO2，另有少量的CO、H2和CH4。其中，CH4含量最少，占比不到0.5%。未檢測到O2及NOx，表明高溫煤氣具有強還原性，對NOx的生成有很好的抑制作用。氣化細粉灰中的部分燃料氮在欠氧的強還原性氣氛下提前脫除，主要向N2、NH3與HCN三種含氮物質(zhì)轉(zhuǎn)化。NH3與HCN含量隨預(yù)熱溫度的升高略有增加，濃度比接近1∶1。3種工況下產(chǎn)生的高溫煤氣均具有較高的低位熱值，可見，攜帶大量化學(xué)熱、氣固顯熱的預(yù)熱燃料將穩(wěn)定進入下行燃燒室燃燒，熱量被下行燃燒室有效利用。

表5 不同預(yù)熱溫度下高溫煤氣成分(干基)

在旋風(fēng)分離器出口處對預(yù)熱后的高溫煤焦取樣進行工業(yè)分析和元素分析，并利用灰平衡假設(shè)[32]，對氣化細粉灰中各元素轉(zhuǎn)化率進行計算，結(jié)果如圖6所示。氣化細粉灰各組分的轉(zhuǎn)化率隨預(yù)熱溫度的增加而增加。預(yù)熱溫度由854 ℃增至902 ℃時，各組分轉(zhuǎn)化率上升明顯；而預(yù)熱溫度進一步升高到950 ℃時，各組分轉(zhuǎn)化率上升幅度減小。其中大部分揮發(fā)分在預(yù)熱過程中析出。根據(jù)氮平衡假設(shè)[25]，預(yù)熱過程中燃料氮向N2、NH3和HCN的轉(zhuǎn)化率計算結(jié)果如圖7所示。預(yù)熱溫度的變化對煤氮向NH3與HCN轉(zhuǎn)化率影響不大，主要影響煤氮向N2的轉(zhuǎn)化率。預(yù)熱溫度由854 ℃增到902 ℃時，煤氮向N2的轉(zhuǎn)化率增大且幅度較明顯；預(yù)熱溫度進一步增到950 ℃時，煤氮向N2的轉(zhuǎn)化率增加但幅度明顯減小。氣化細粉灰在整個預(yù)熱過程中的氮轉(zhuǎn)化率在20%以下，說明有大多數(shù)氮仍殘留在高溫煤焦中。為進一步確定高溫煤焦中的氮元素分布，將高溫煤焦置于馬弗爐中加熱，去除水分與揮發(fā)分后，進行元素分析，得到的氮元素結(jié)果即為高溫煤焦中焦炭氮含量。從高溫煤焦總氮含量中扣除焦炭氮含量即為揮發(fā)分氮含量。高溫煤焦含氮分布如圖8所示?？芍?，3種工況下取得的高溫煤焦中揮發(fā)分氮占比均小于5%，且隨著預(yù)熱溫度的升高逐漸減小。焦炭氮占高溫預(yù)熱煤焦中總氮含量的95%以上，說明幾乎全部揮發(fā)分氮已在預(yù)熱過程中析出，進入下行燃燒室參與燃燒反應(yīng)的燃料氮類型主要為焦炭氮，成為后續(xù)燃燒中NOx的主要來源。

圖6 不同預(yù)熱溫度下各組分轉(zhuǎn)化率Fig.6 Conversion rate of each componentat different preheating temperatures

圖7 不同預(yù)熱溫度下煤氮向各含氮化合物轉(zhuǎn)化率Fig.7 Conversion rate of fuel-N to each nitrogen compoundat different preheating temperatures

圖8 不同預(yù)熱溫度下高溫煤焦含氮分布Fig.8 Nitrogen distribution of high temperaturecoal char at different preheating temperatures

2.2.2高溫預(yù)熱燃料燃燒特性

圖9為下行燃燒室溫度沿軸向變化曲線。3條溫度曲線的峰值溫度均低于1 100 ℃，表明熱力型NOx產(chǎn)出量極低，基本可忽略。在下行燃燒室中，預(yù)熱后的煤氣含有較多的可燃組分，與二次風(fēng)相遇后能快速著火并燃燒，不存在著火延遲，因此燃燒室頂部靠近二次風(fēng)噴口區(qū)域的燃燒溫度較高，均高于950 ℃，3個工況下的最高溫度均在距下行燃燒室頂部800 mm處達到。在二次風(fēng)和三次風(fēng)配比相同的情況下，隨著預(yù)熱溫度升高，預(yù)熱燃料在下行燃燒室的燃燒溫度也略有提高，總體燃燒穩(wěn)定，說明預(yù)熱可明顯改善氣化細粉灰的燃燒特性。

圖9 下行燃燒室溫度沿軸向變化曲線Fig.9 Temperature profiles along the axis of down-firedcombustor at different preheating temperatures

下行燃燒室沿軸線方向不同位置處火焰照片如圖10所示。在下行燃燒室內(nèi)壁、頂部的預(yù)熱燃料噴口以及各熱電偶探針和取樣管，無明顯火焰鋒面，屬于典型的無焰燃燒。隨預(yù)熱溫度升高，火焰照片亮度逐漸變亮，在預(yù)熱溫度為950 ℃時亮度達到最大，這與圖9中下行燃燒室的溫度分布趨勢較吻合。在試驗臺尾部取飛灰進行可燃物測定，根據(jù)文獻[25]中公式計算燃燒效率。經(jīng)計算，預(yù)熱溫度為854、902和950 ℃時，燃燒效率分別為91.23%、93.86%和90.72%，表明燃燒效率與燃燒區(qū)域溫度及火焰亮度并非單純的正比關(guān)系，而是隨預(yù)熱溫度升高先增后減，預(yù)熱溫度為902 ℃時達到最大。3個工況下，氣化細粉灰均在下行燃燒室實現(xiàn)了穩(wěn)定的無焰燃燒，燃燒效率均較高。

圖10 下行燃燒室沿軸線方向不同位置處火焰照片F(xiàn)ig.10 Flame images along the axis of down-fired combustor at different preheating temperatures

2.2.3NOx排放特性

不同預(yù)熱溫度下，氣化細粉灰NOx排放量(6% O2)和燃料氮向NOx的轉(zhuǎn)化率如圖11所示。轉(zhuǎn)化率和NOx排放濃度隨預(yù)熱溫度的變化趨勢相同，均隨預(yù)熱溫度的升高先減小后增加。902 ℃為本研究氣化細粉灰最佳預(yù)熱溫度，NOx排放濃度達到最低，為102.31 mg/m3，此時燃料氮向NOx的轉(zhuǎn)化率達最小值，為6.13%。NOx排放濃度隨預(yù)熱溫度的變化關(guān)系與預(yù)熱燃料特性有關(guān)，研究表明[33]，高溫煤焦的孔結(jié)構(gòu)對NOx的還原有重要作用，預(yù)熱溫度為900 ℃時，高溫煤焦的比表面積和孔容積最大，增加了與NOx的接觸面積，對NOx的異相還原最強，更多的NOx被煤焦還原成N2，從而降低了NOx的排放濃度。

圖11 NOx排放濃度與燃料氮向NOx轉(zhuǎn)化率Fig.11 NOx concentration and fuel-N to NOx conversionratio at different preheating temperatures

2.3 預(yù)熱燃燒器空氣當(dāng)量比的影響

研究不同預(yù)熱器空氣當(dāng)量比下的燃料氮轉(zhuǎn)化與NOx排放特性的工況為工況2、4、5。通過改變給煤量和配風(fēng)量，保證試驗系統(tǒng)在預(yù)熱燃燒器空氣當(dāng)量比變化的條件下，維持預(yù)熱溫度基本不變。

2.3.1預(yù)熱過程燃料氮轉(zhuǎn)化特性

表6為不同空氣當(dāng)量比下的高溫煤氣成分?？梢钥闯?，NH3含量隨著空氣當(dāng)量比的增加明顯上升，而HCN含量逐漸減少。文獻[34]中指出，HCN主要來源于揮發(fā)分，NH3主要來源于焦炭。因此推斷，隨著空氣當(dāng)量比增加，氣化細粉灰中將有更多煤氮從焦炭中析出轉(zhuǎn)化為NH3。圖12為不同預(yù)熱燃燒器當(dāng)量比下各組分轉(zhuǎn)化率計算結(jié)果。隨著空氣當(dāng)量比增大，各組分的轉(zhuǎn)化率增加，但幅度較小。雖然C轉(zhuǎn)化率隨著預(yù)熱燃燒器空氣當(dāng)量比的增長而增大，但煤氣中CO和CO2含量并非線性變化(表6)。這是由于CO、C與O2的燃燒反應(yīng)及C與CO2的氣化反應(yīng)相互競爭的結(jié)果。預(yù)熱燃燒器空氣當(dāng)量比從0.35 增至0.45時，燃燒反應(yīng)份額增大，因此煤氣中CO含量降低，CO2含量升高。

表6 不同預(yù)熱燃燒器空氣當(dāng)量比下高溫煤氣成分(干基)

圖12 不同預(yù)熱燃燒器當(dāng)量比下各組分轉(zhuǎn)化率Fig.12 Conversion rate of each component at different λ1

不同預(yù)熱燃燒器當(dāng)量比下，預(yù)熱過程中煤氮向N2、NH3和HCN的轉(zhuǎn)化率如圖13所示。與圖7結(jié)果不同，預(yù)熱燃燒器當(dāng)量比的變化對煤氮向HCN的轉(zhuǎn)化率影響不大，主要影響煤氮向N2和NH3的轉(zhuǎn)化率。隨預(yù)熱燃燒器當(dāng)量比增加，煤氮向N2的轉(zhuǎn)化率下降，向NH3的轉(zhuǎn)化率上升，二者趨勢正好相反，最終體現(xiàn)在揮發(fā)分氮總含量的變化幅度較小。高溫煤焦含氮分布如圖14所示。高溫煤焦中焦炭氮含量隨預(yù)熱燃燒器空氣當(dāng)量比的增加而逐漸減小，與NH3、HCN含量變化情況相符。焦炭氮在高溫煤焦總氮中仍占主導(dǎo)地位，是后續(xù)燃燒中NOx的主要來源。適當(dāng)增加預(yù)熱燃燒器空氣當(dāng)量比，可增加焦炭氮在預(yù)熱過程中轉(zhuǎn)化為NH3的幾率。

圖13 不同預(yù)熱器空氣當(dāng)量比下煤氮向各含氮化合物轉(zhuǎn)化率Fig.13 Conversion rate of fuel-N to each nitrogencompound at different λ1

圖14 不同預(yù)熱燃燒器當(dāng)量比下高溫煤焦含氮分布Fig.14 Nitrogen distribution of high temperaturecoal char at different preheating temperatures

2.3.2高溫預(yù)熱燃料燃燒特性

圖15為下行燃燒室溫度沿軸向變化曲線?？芍诙物L(fēng)和三次風(fēng)配比相同的情況下，隨著預(yù)熱燃燒器空氣當(dāng)量比增加，預(yù)熱燃料在下行燃燒室的燃燒溫度逐漸降低。在三次風(fēng)噴口位置以上區(qū)域，溫度均勻增加，這主要是由煙氣回流以及煤氣和煤焦的不同燃燒區(qū)間造成的。在三次風(fēng)噴口位置以下區(qū)域，煙氣為平推流，溫度呈下降趨勢，近似線性。由于散熱條件相同，3條曲線的溫度下降速率相同。下行燃燒室沿軸線方向不同位置處火焰照片如圖16所示。3個工況的整體燃燒區(qū)域亮度均較均勻，在下行燃燒室600和900 mm區(qū)域，燃燒亮度最亮，可見主要燃燒過程發(fā)生在該區(qū)域內(nèi)，在該區(qū)域外，燃燒反應(yīng)較弱。隨著預(yù)熱燃燒器空氣當(dāng)量比增加，預(yù)熱燃料在下行燃燒室的火焰亮度逐漸變暗，無肉眼可見的火焰鋒面，結(jié)合下行燃燒室軸向的溫度分布，可以判斷本組試驗同樣實現(xiàn)了氣化細粉灰穩(wěn)定的無焰燃燒。經(jīng)計算，預(yù)熱燃燒器空氣當(dāng)量比為0.25、0.35、0.45時，燃燒效率均在90%以上，分別為93.86%、90.53%和90.62%。

圖15 下行燃燒室溫度沿軸向變化曲線Fig.15 Temperature profiles along the axis ofdown-fired combustor at different λ1

圖16 下行燃燒室沿軸線方向不同位置處火焰照片F(xiàn)ig.16 Flame images along the axis of down-fired combustor at different λ1

2.3.3NOx排放特性

不同預(yù)熱器空氣當(dāng)量比下，氣化細粉灰NOx排放量(6% O2)和燃料氮向NOx的轉(zhuǎn)化率如圖17所示?？梢钥闯觯琋Ox排放濃度隨預(yù)熱燃燒器空氣當(dāng)量比的增加而減小，λ1=0.45時，預(yù)熱溫度為最佳預(yù)熱溫度(表4)，此時NOx排放濃度達最低，為83.02 mg/m3，燃料氮向NOx的轉(zhuǎn)化率也達到最小值，為5.94%。適當(dāng)增大預(yù)熱燃燒器空氣當(dāng)量比可大幅降低NOx排放水平。由圖12可知，預(yù)熱燃燒器空氣當(dāng)量比增加，在預(yù)熱過程中燃料氮的轉(zhuǎn)化率也會增加，有利于 NOx減排。此外，文獻[27]表明，預(yù)熱后高溫煤焦的孔隙結(jié)構(gòu)會隨預(yù)熱燃燒器空氣當(dāng)量比的增加更加發(fā)達，有利于其進入下行燃燒室繼續(xù)燃燒過程中NOx在焦炭表面的還原。兩者綜合作用導(dǎo)致預(yù)熱燃燒器空氣當(dāng)量比越高，最終的轉(zhuǎn)化率和NOx排放濃度越低。相比于改變預(yù)熱溫度，較多的焦炭氮在預(yù)熱過程中析出并轉(zhuǎn)化為NH3，因此圖17中NOx排放濃度明顯小于圖11，再次說明焦炭氮對于NOx排放的重要性。

圖17 NOx排放濃度與燃料氮向NOx轉(zhuǎn)化率Fig.17 NOx concentration and fuel-N toNOx conversion ratio at different λ1

在工程實際中應(yīng)重點聚焦于焦炭氮并盡可能使其提前脫除，減少在燃燒過程中向NOx的轉(zhuǎn)化，從而實現(xiàn)減排的目的。

3 對比分析

綜合試驗結(jié)果，目前現(xiàn)有的固體燃料燃燒裝置中直接燃用氣化細粉灰與本文的煤粉自預(yù)熱燃燒技術(shù)相比，難以達到理想效果[27,35-36]，同時為提高燃燒效率，鍋爐的燃燒溫度較高，導(dǎo)致更高濃度的NOx及SO2等污染物排放[37-38]，無法穩(wěn)定、高效和清潔利用。若要對氣化灰渣中的未燃碳進行配煤摻燒利用，其高灰分會影響氣化渣作為補充燃料的摻燒量，增大煤灰量，碳、灰相互制約，阻礙了其資源化利用[39-40]。與常規(guī)煤粉爐相比，循環(huán)流化床對多種固體燃料有更廣泛的適應(yīng)性，可直接實現(xiàn)氣化細粉灰的穩(wěn)定燃燒[41-42]，但造價較高、成本昂貴、耗電量較大。本文融合了煤粉自預(yù)熱燃燒、顆粒改性和分級燃燒等技術(shù)調(diào)整燃料與氧化劑的混合過程，控制燃料N向NOx的轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)了氣化細粉灰的無焰燃燒，獲得了低NOx排放的調(diào)控參數(shù)，為難燃低揮發(fā)分煤基固廢的工程利用提供了技術(shù)支持，證明了煤粉自預(yù)熱燃燒技術(shù)可突破常規(guī)的加熱、著火和燃燒方式，燃料適應(yīng)性廣，對氣化細粉灰類低揮發(fā)分煤化工固廢仍適用，燃燒穩(wěn)定性好且排放更低，具有廣闊的工程化應(yīng)用前景。

4 結(jié) 論

1)預(yù)熱燃燒技術(shù)可燃用低揮發(fā)分的氣化細粉灰，預(yù)熱燃燒器內(nèi)溫度平穩(wěn)，隨時間基本不變。產(chǎn)生的高溫預(yù)熱燃料能夠連續(xù)、穩(wěn)定地進入下行燃燒室進一步燃燒，無著火延遲。本研究的所有工況均實現(xiàn)了穩(wěn)定的無焰燃燒，燃燒區(qū)域溫度分布均勻，峰值溫度低，無明顯的火焰鋒面。

2)預(yù)熱對氣化細粉灰的燃燒特性改善有重要作用。預(yù)熱產(chǎn)生的高溫煤氣具有強還原性，以N2及CO2等為主，不含O2和NOx，對NOx的生成有很好的抑制作用。部分燃料氮在欠氧的強還原性氣氛下提前脫除，主要向N2、NH3與HCN這3種含氮物質(zhì)轉(zhuǎn)化。氣化細粉灰中幾乎全部的揮發(fā)分氮和大部分揮發(fā)分在預(yù)熱過程中析出，因此進入下行燃燒室參與燃燒反應(yīng)的燃料氮類型主要為焦炭氮，成為后續(xù)燃燒中NOx的主要來源。

3)隨預(yù)熱溫度升高，氣化細粉灰在預(yù)熱過程中各組分的轉(zhuǎn)化率增加。相比于預(yù)熱燃燒器空氣當(dāng)量比，預(yù)熱溫度對預(yù)熱過程中揮發(fā)分氮的釋放影響較明顯，主要體現(xiàn)在其對煤氮向N2轉(zhuǎn)化率的影響。燃燒效率在預(yù)熱溫度為902 ℃時達到最大，為93.86%。燃料氮向NOx轉(zhuǎn)化率和NOx排放濃度均隨預(yù)熱溫度的升高先減小后增加，902 ℃為本研究中最佳預(yù)熱溫度，此時NOx排放濃度和燃料氮向NOx的轉(zhuǎn)化率均達到最小值，分別為102.31 mg/m3(6% O2)和6.13%。

4)隨預(yù)熱燃燒器空氣當(dāng)量比的增加，氣化細粉灰各組分轉(zhuǎn)化率增加。相比于預(yù)熱溫度，預(yù)熱燃燒器空氣當(dāng)量比主要影響預(yù)熱過程中煤氮向N2和NH3的轉(zhuǎn)化率，以及焦炭氮的析出。適當(dāng)增加預(yù)熱燃燒器空氣當(dāng)量比，有利于氣化細粉灰中揮發(fā)分及各組分的釋放，并增加焦炭氮在預(yù)熱過程中轉(zhuǎn)化為NH3的幾率。燃料氮向NOx轉(zhuǎn)化率和NOx排放濃度均隨預(yù)熱燃燒器空氣當(dāng)量比增加而減小，λ1=0.45為本文最佳預(yù)熱燃燒器空氣當(dāng)量比，NOx排放濃度和燃料氮向NOx的轉(zhuǎn)化率均達最小值，分別為83.02 mg/m3(6% O2)和5.94%。