摻燒煤熱解氣和生物質(zhì)氣對(duì)鍋爐NOx排放的影響

曾卓雄, 武瑞兵, 袁 卓

(上海電力大學(xué) 能源與機(jī)械工程學(xué)院,上海 200090)

在我國(guó)煤炭資源結(jié)構(gòu)中,褐煤、弱黏煤等低階煤占比巨大。低階煤具有煤化程度低、揮發(fā)分高、發(fā)熱量低、水分高等特點(diǎn),若直接作為燃料,不僅能耗高、而且污染物排放量大。以低階煤為原料,通過(guò)低溫?zé)峤饧夹g(shù)將其分解為氣、液、固等三相物質(zhì),可實(shí)現(xiàn)低階煤的清潔高效梯級(jí)利用,具有十分重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。生物質(zhì)氣是由生物質(zhì)在高溫下熱解或氣化產(chǎn)生,具有燃料來(lái)源廣、碳排放低等優(yōu)點(diǎn),是典型的清潔燃料。劉玉華等人[1]在循環(huán)流化床預(yù)熱燃燒系統(tǒng)中實(shí)驗(yàn)研究了煤粉預(yù)熱氣中CO/CO2比例對(duì)后續(xù)燃燒和排放的影響。朱書(shū)駿等人[2]研究了神木煤半焦的預(yù)熱燃燒特性,結(jié)果表明,預(yù)熱過(guò)程中焦炭氮有35%被還原成氮?dú)?是預(yù)熱燃燒降低NOx排放的主要原因。于曠世等人[3]在循環(huán)流化床工業(yè)氣化爐上進(jìn)行了神華煤及混煤摻燒運(yùn)行實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,該鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定,未出現(xiàn)結(jié)渣流失等現(xiàn)象,同時(shí)氮轉(zhuǎn)化率高達(dá)85.1%,煤氣熱值為5.59 MJ/m3。楊章寧等人[4]以生物質(zhì)氣為再燃燃料,在50 kW下行爐上進(jìn)行了生物質(zhì)氣與貧煤、煙煤摻燒實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,生物質(zhì)氣與煤粉耦合摻燒可以降低NOx排放,且其與煙煤摻燒相比與貧煤摻燒的降氮效果要好。張小桃等人[5]通過(guò)數(shù)值模擬研究了燃煤耦合生物質(zhì)氣燃燒時(shí),生物質(zhì)氣噴口位置對(duì)鍋爐燃燒和NOx排放的影響。

為了更清楚了解煤熱解氣和生物質(zhì)氣耦合煤粉在鍋爐燃燒中的差異,本文研究摻燒不同組分氣體條件下鍋爐NOx的排放規(guī)律。

1 摻燒方法

(1) 基于能量守恒原則,以鍋爐額定工況下的入爐燃煤熱值Qboiler為守恒標(biāo)準(zhǔn),按熱值確定摻燒比例ω,用煤熱解氣或生物質(zhì)氣替代,進(jìn)行煤-氣混合摻燒。計(jì)算公式為

Qboiler=Qcoal+Qgas

(1)

(2)

式中:Qcoal——入爐煤的總熱值,MJ;

Qgas——入爐氣的總熱值,MJ;

Qnet,ar-gas——單位體積的入爐氣熱值,MJ/m3;

Qnet,ar-coal——單位質(zhì)量的入爐煤熱值,MJ/kg;

Vgas——入爐氣體積,m3;

Bcoal——入爐燃煤質(zhì)量,kg/s。

(2) 設(shè)鍋爐燃?xì)鈬娍诘目偯娣e為S,入爐燃?xì)馑俣葹関gas,則

(3)

采用濃淡分離直流型燃燒器和同心反切燃燒技術(shù)組織燃燒的某330 MW亞臨界鍋爐的結(jié)構(gòu)、計(jì)算模型及相關(guān)邊界條件可參考文獻(xiàn)[6]。爐膛的寬度、深度、高度分別為14 022 mm,13 640 mm,54 500 mm,坐標(biāo)原點(diǎn)在冷灰斗底部截面中心。實(shí)際計(jì)算過(guò)程中,摻燒比例ω=10%,入爐燃煤質(zhì)量Bcoal=37.74 kg/s,過(guò)量空氣系數(shù)α=1.15。燃燒過(guò)程中,取鍋爐E層的4個(gè)噴口作為摻燒煤熱解氣或生物質(zhì)氣的入口;入爐燃?xì)怏w積及燃?xì)鈬娍谒俣瓤筛鶕?jù)燃?xì)鉄嶂档牟煌?jì)算所得。煤質(zhì)分析、煤熱解氣組分[7]和不同生物質(zhì)組分[8]分別見(jiàn)表1、表2和表3。計(jì)算進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證,將實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值結(jié)果進(jìn)行了比較[6],吻合較好。

表1 煤質(zhì)分析

表2 煤熱解氣組分

表3 不同生物質(zhì)組分

2 結(jié)果與分析

圖1為摻混氣體燃燒與原煤燃燒對(duì)比,其中圖1(a)是原煤燃燒、摻燒煤熱解氣和生物質(zhì)氣的爐膛溫度曲線。

圖1 摻混氣體燃燒和原煤燃燒對(duì)比

由圖1(a)可知:在0～12.5 m范圍內(nèi),溫度迅速?gòu)?50 K升高至1 350 K;之后溫度上下波動(dòng),在25 m處達(dá)到1 425 K左右。在25～40 m范圍內(nèi),溫度值較為穩(wěn)定且下降速度較為緩慢。在40 m及以上高度,溫度值下降較快,從1 275 K降至1 100 K。另外,在10～25 m高度范圍內(nèi),原煤燃燒工況下的溫度值比摻燒工況下的溫度值稍微高些,而在25～40 m高度范圍內(nèi),正好相反。原因是E層的燃?xì)鈬娍谖挥跔t膛高度Z=20 m。由圖1(b)可知,鍋爐爐膛內(nèi)的揮發(fā)分主要集中在10～20 m范圍內(nèi)析出,噴入燃?xì)夂?使得該噴口之上的高度區(qū)域的爐膛溫度值高于原煤燃燒工況。揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在2個(gè)峰值,第1個(gè)峰值大于第2個(gè)峰值,這說(shuō)明揮發(fā)分不是均勻、一次性地析出。由圖1(c)可知,在20 m以下范圍,原煤燃燒工況下CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)從3.75%降低至1%,摻燒煤熱解氣的CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)緩慢增至1%左右。在20～30 m范圍內(nèi),三者的CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)都增加了約0.7%,但原煤燃燒工況的值高于摻燒煤熱解氣和生物質(zhì)氣的工況值。煤熱解氣和生物質(zhì)氣本身就含有CO,但相比于原煤燃燒,摻燒煤熱解氣或生物質(zhì)氣的CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)反而較低,原因是CO本身既可以參與燃燒,又可以促進(jìn)NOx的還原,都會(huì)消耗CO,而在摻燒工況下,CO更多地參與了燃燒過(guò)程。

圖2為原煤燃燒、摻燒煤熱解氣和生物質(zhì)氣的NOx濃度變化。

圖2 原煤燃燒、摻燒煤熱解氣和生物質(zhì)氣的NOx濃度變化

由圖2(a)可知,在20 m及以下范圍內(nèi),原煤燃燒工況下的NOx濃度值低于摻燒工況下的NOx濃度值;而在20 m以上高度,NOx濃度值正好相反。這是因?yàn)槊簾峤鈿夂蜕镔|(zhì)氣中含有CO,CHi等還原性的物質(zhì),可以促進(jìn)NOx的還原。在32.5 m以上高度,原煤燃燒工況的NOx值遠(yuǎn)大于摻燒工況條件下的NOx值,而煤熱解氣和生物質(zhì)氣摻燒條件下的NOx值相差不大。由圖2(b)可知,原煤燃燒工況的煙道出口處NOx濃度值為244.2 mg/m3,比摻燒煤熱解氣時(shí)的NOx濃度值高出44.7 mg/m3,比摻燒生物質(zhì)氣時(shí)的NOx濃度值高出28.1 mg/m3。

圖3是不同組分的生物質(zhì)氣摻燒對(duì)NOx排放的影響。

圖3 不同組分的生物質(zhì)氣對(duì)NOx排放的影響

生物質(zhì)氣的組分有差異,熱值也不同,所以入爐氣的流量也不同。由圖3可知,生物質(zhì)氣的組分差異對(duì)NOx生成及排放有影響。生物質(zhì)氣4的NOx濃度值最高,約為227.5 mg/m3,生物質(zhì)氣1的NOx濃度值最低,約199.4 mg/m3。這是因?yàn)樯镔|(zhì)氣4的組分中CHi含量最低,而生物質(zhì)氣1的組分中CHi最高,CHi是促進(jìn)NOx還原的主要反應(yīng)基元之一。與原煤燃燒相比,摻燒生物質(zhì)氣都可降低NOx排放,是因?yàn)閾綗镔|(zhì)氣不僅可直接節(jié)省鍋爐燃煤量,而且可強(qiáng)化對(duì)NOx的還原作用。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文從摻燒煤熱解氣和生物質(zhì)氣2個(gè)方面分析了鍋爐燃燒NOx排放規(guī)律,發(fā)現(xiàn)與原煤燃燒相比,摻燒煤熱解氣或生物質(zhì)氣均可降低鍋爐NOx排放量。煙道出口處,原煤燃燒工況的NOx濃度值為244.2mg/m3,摻燒煤熱解氣時(shí)的NOx濃度值為199.5 mg/m3,摻燒生物質(zhì)氣時(shí)的NOx濃度值為216.1 mg/m3。燃?xì)饨M分中CHi基元成分越高,NOx排放值越低。