不同粒徑煤粉在空氣和O2/CO2下燃燒NO生成特性

鄒琳江 李毛毛 顧明言 嚴大煒

(安徽工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院)

以煤炭為主的能源消費結(jié)構(gòu)特點以及燃煤產(chǎn)生的大量氣態(tài)污染物，使得我國面臨著節(jié)約能源與保護環(huán)境的雙重壓力。如何提高煤炭的利用率，降低燃煤過程中污染物的生成與排放是目前急需解決的問題。當前O2/CO2燃燒作為一種新型的清潔煤炭燃燒技術(shù)引起高度關(guān)注[1-5]，該技術(shù)可同時減排CO2、NOx和SOx等多種污染物。與在空氣氣氛下相比，煤粉O2/CO2氣氛下燃燒產(chǎn)生的CO2和水蒸氣的濃度都相對較高，且氣體的各種熱物性參數(shù)、化學(xué)反應(yīng)以及燃燒機理等都有較大的變化。目前關(guān)于O2/CO2氣氛下煤粉燃燒時釋放NO特性的研究仍處于探索階段[6-9]。

研究表明煤粉粒徑的大小與煤粉燃燒NO的排放特性有關(guān)，在O2/CO2氣氛下常規(guī)粒徑煤粉燃燒產(chǎn)生NO的研究已有報道[10-11]。但對于超細粒徑煤粉(≤20 μm)，尤其是超細粒徑與常規(guī)粒徑混合煤粉在O2/CO2氣氛下反應(yīng)時NO釋放性質(zhì)的研究較少。由于超細煤粉中的揮發(fā)分的快速燃燒釋放降低O2濃度，從而降低NO生成量。實驗在水平管式爐上研究不同氣氛和不同粒徑組合的煤粉燃燒NO的排放特性，研究燃燒氣氛、煤粉粒徑、反應(yīng)溫度對NO生成的影響。

1 實驗設(shè)備及工況

實驗在自行設(shè)計的水平管式加熱爐系統(tǒng)上進行，如圖1所示。整個系統(tǒng)由可控溫管式爐加熱系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)和煙氣取樣分析系統(tǒng)組成。管式爐采用碳化硅管加熱，PID智能溫控柜控制爐溫，最高溫度可達1 300 ℃，精度為0.1 ℃。反應(yīng)器采用一段長800 mm、內(nèi)徑40 mm、壁厚2.2 mm的高溫石英玻璃管，恒溫段全長600 mm，出入口段長度100 mm，端頭部分進行磨砂處理以保證管內(nèi)密封。

圖1 管式爐實驗系統(tǒng)

實驗的配氣系統(tǒng)由工業(yè)用高純度氣瓶、七星華創(chuàng)牌質(zhì)量流量計及自制混氣箱組成。實驗所需氣體純度為99.9%、質(zhì)量流量計精度為±1%FS。取樣和氣體分析系統(tǒng)由尾氣過濾器和德國進口煙氣分析儀(testo 350型)組成。

實驗選用神華煤作為研究樣品，煤樣的工業(yè)、元素分析數(shù)據(jù)如表1所示。實驗樣品先進行研磨，之后對樣品進行篩分，采用LS-C(2A)型激光粒度分析儀分析粒度并選出平均粒徑為16 μm(超細煤粉)和82 μm(常規(guī)煤粉)的煤粉進行實驗。實驗開始前，打開氣瓶，調(diào)節(jié)質(zhì)量流量計使氣氛配比達到實驗要求，待反應(yīng)管內(nèi)充滿實驗工況所需氣體后開始升溫，同時在瓷舟內(nèi)鋪上一薄層的煤粉。瓷舟的規(guī)格為長45 mm、寬22 mm、高14 mm。待爐溫達到要求并穩(wěn)定后，用推桿將鋪好煤粉的瓷舟推入管式爐石英玻璃管的中心位置并迅速密封反應(yīng)管出口進行數(shù)據(jù)采集。實驗工況參數(shù)見表 2。

表1 煤樣的成分數(shù)據(jù) %

表2 實驗工況

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 O2/CO2氣氛與空氣氣氛的比較

圖2為反應(yīng)溫度為950 ℃和1 050℃時，超細煤粉在不同的燃燒氣氛下NO的排放特性。由圖可知，當爐溫為950 ℃時，在空氣氣氛下NO峰值為165×10-6，對應(yīng)時間為36 s，在O2/CO2氣氛下NO峰值為83×10-6，對應(yīng)時間為40 s；當爐溫為1 050 ℃時，在空氣氣氛下NO峰值為202×10-6，對應(yīng)時間為12 s，在O2/CO2氣氛下NO峰值為109×10-6，對應(yīng)時間為36 s?？梢姛o論是高溫還是低溫，煤粉在空氣氣氛下燃燒排放NO濃度都要高于其在O2/CO2氣氛下燃燒排放NO濃度，燃燒NO到達峰值時間明顯提前于其在O2/CO2氛圍下燃燒。比較圖(a)和圖(b)可得，隨著溫度的升高，NO在空氣氣氛下峰值析出的時間提前66.7%、峰值增加22.4%；而NO在O2/CO2氣氛下峰值析出的時間提前10%、峰值增加31.3%。隨著溫度的增加，煤粉在空氣氣氛下燃燒NO到達峰值時間明顯提前于其在O2/CO2氣氛下燃燒。

圖2 氣氛對超細煤粉燃燒NO排放濃度的影響

圖3 超細煤粉在空氣與O2/CO2氣氛下燃燒的氮轉(zhuǎn)化率

圖3為反應(yīng)溫度為950 ℃和1 050 ℃時，超細煤粉在空氣與O2/CO2氣氛下燃燒時氮的轉(zhuǎn)化率。氮轉(zhuǎn)化率公式計算如下：

氮轉(zhuǎn)化率=生成NO的含氮量/煤粉總含氮量×100%

其中生成NO的量

式中：c(t)為t時刻煙氣流量；v(t)為t時刻煙氣中NO濃度。

由圖3可知，與在空氣氣氛下相比，煤粉在O2/CO2氣氛下反應(yīng)時氮轉(zhuǎn)化率明顯降低。主要原因為：(1)CO2的比熱容(8.87 J/(mol·K)-1) 大于N2的比熱容(6.96 J/(mol·K)-1)，且O2在O2/CO2氣氛擴散速率較低，降低了煤粉在O2/CO2氣氛下反應(yīng)速率，從而導(dǎo)致煤粉在O2/CO2氣氛下反應(yīng)溫度較低；(2)煤粉在O2/CO2氣氛下燃燒產(chǎn)生CO等還原性氣體包圍碳顆粒，阻礙了碳顆粒與O2反應(yīng)。

圖4 溫度對不同粒徑煤粉燃燒中NO釋放濃度影響

2.2 反應(yīng)溫度對NO生成的影響

圖4為在反應(yīng)溫度為950 ℃和1 050 ℃時，不同粒徑的煤粉在O2/CO2氛圍下燃燒生成NO的濃度變化曲線。隨著反應(yīng)溫度增加，煤粉中揮發(fā)分氮的析出速率加快，有利于促進煤粉燃燒時釋放的NH3、HCN等更多的轉(zhuǎn)化為NO，煤粉燃燒也更加完全，增加了燃燒型NO的產(chǎn)生；另一方面，高溫下煤粉劇烈燃燒加快了熱力型NO釋放，且峰值較高。

當溫度從950 ℃升高到1 050 ℃時，D16 μm的超細煤粉燃燒NO濃度到達峰值的時間提前了8 s、峰值提高了26×10-6；D82 μm的普通煤粉燃燒NO濃度到達峰時間提前了10 s，峰值提高了27×10-6；D16 μm和D82 μm等比例混合煤粉燃燒NO濃度達峰時間提前了22 s、峰值提高了23×10-6。隨著溫度升高，各種粒徑的煤粉燃燒NO濃度到達峰值的時間均縮短、且峰值均增大。當反應(yīng)溫度較高時，煤粉析出揮發(fā)分中的N元素會被迅速氧化為NO(熱力型NOx)；而焦炭的燃燒同樣會促進N轉(zhuǎn)變?yōu)镹O(燃料型NOx)。當達到一定時間，兩種不同類型的NO疊加，達到NO濃度峰值。隨著燃燒反應(yīng)的進行，部分NO將被生成的還原性物質(zhì)所還原，而煤粉的消耗會使燃料型NO排放減少，因此NO的濃度呈現(xiàn)逐漸下降趨勢。

2.3 O2/CO2氣氛下煤粉粒徑對NO生成的影響

圖5為不同粒徑煤粉在O2/CO2氣氛下燃燒釋放NO濃度變化曲線。由于超細煤粉比表面積大于常規(guī)煤粉，一方面有利于氧氣擴散至碳顆粒表面，另一方面提高了氧的擴散速率，這使得超細煤粉前期反應(yīng)較普通煤粉劇烈，生成NO的時間比普通煤粉提前。由于超細煤粉燃燒時揮發(fā)分的析出速度較快，煤粉中的碳顆粒與氧氣接觸不充分，這將降低NO的釋放量。從圖5也可以看出，與普通煤粉相比，超細煤粉在O2/CO2氣氛下燃燒生成NO峰值最低，到達峰值得時間最快，從峰值到谷值時間最少。而對于普通煤粉與超細煤粉混合之后的煤粉，其在O2/CO2氣氛下燃燒時NO的峰值較低，到達峰值的時間變短，從峰值到谷值時間較少。對比圖5(a)和(b)可知，超細煤粉對NO釋放的抑制作用能改善普通煤粉NO的釋放特性，且在反應(yīng)溫度為1 050 ℃時比950 ℃時改善效果好。

圖5 不同粒徑煤粉在O2/CO2氣氛下燃燒對NO釋放濃度的影響

圖6 不同粒徑煤粉在O2/CO2氣氛下燃燒的氮轉(zhuǎn)化率

由圖6可以看出，在相同的O2/CO2燃燒氣氛下，無論在高溫或低溫條件下，煤粉燃燒時氮轉(zhuǎn)化率大小順序為：常規(guī)煤粉>混合煤粉>超細煤粉。可見在常規(guī)煤粉中加入超細煤粉能改善燃燒性質(zhì)，降低NO排放量，且NO降低效果在溫度為950 ℃時比1 050 ℃時更明顯。

3 結(jié)論

(1)與煤粉在空氣氣氛下燃燒相比，煤粉在O2/CO2氣氛下燃燒產(chǎn)生NO的濃度峰值和總量都明顯降低。

(2)溫度升高，煤粉在O2/CO2氣氛下燃燒生成NO濃度峰值和總量增加，開始產(chǎn)生NO以及到達NO峰值的時間提前，并且NO從產(chǎn)生到平衡的時間變短。

(3)與常規(guī)粒徑煤粉相比，超細煤粉在O2/CO2氣氛下燃燒產(chǎn)生NO的濃度峰值和總量均要低、且NO釋放量到達峰值的時間和從峰值降到谷值的時間均要減少。超細煤粉的加入對普通煤粉燃燒時NO的釋放特性有改善作用。