褐煤燃燒污染物排放特性的實驗研究

趙亞瑩，石海鵬，杭珊珊

(1.東北電力大學能源與動力工程學院，吉林吉林132012;2.東華熱電有限公司，內蒙古包頭014040;3.吉林電力股份有限公司四平熱電公司，吉林四平132013)

當今世界上能源與環境已是全球性問題［1］。能源與環境是國民經濟和社會可持續發展的重要保證。2020年，煤炭在國家能源構成中仍將在60%左右。中國煤炭資源儲量相對豐富，2006年，中國煤炭產量已經達到2 313億噸，已探明的褐煤查明資源儲量達1 300多億噸，占全國煤炭儲量的13%，但煤炭畢竟是不可再生的有限資源，在強調綠色安全開采的同時，必須更加強調潔凈加工、轉化與高效利用［3］。

近年來，隨著國民經濟的增長，電力需求不斷提高，全國用電緊張局面非常突出。燃煤供應長期穩定且均質化是保證火電廠安全運行主要因素之一。但由于目前煤炭市場供給與需求的不平衡，煙煤、無煙煤面臨煤源緊張，所以褐煤的優質利用就是迫在眉睫的問題。

1 舒蘭褐煤的燃料特性

1.1 舒蘭褐煤的元素及工業分析

褐煤大多數無光澤，高水分，高揮發分，低燃點，不粘結，易風化變質，含原生腐植酸，含氧高，化學反應性強，熱穩定性差。原生腐植酸是褐煤區別于其它煤種的主要特征組分［5］。表1，2給出了舒蘭典型褐煤燃料的工業分析和元素分析。

表1 舒蘭典型褐煤燃料的工業分析

表2 舒蘭典型褐煤燃料的元素分析

1.2 舒蘭褐煤的灰成分分析

褐煤燃燒過程中灰分物質對其燃燒特性及其燃燒污染物排放的影響不容忽視。有關舒蘭褐煤灰成分分析結果見表3所示。

表3 舒蘭典型褐煤灰成分分析

2 褐煤循環流化床燃燒污染物排放特性實驗

2.1 實驗樣品

本次實驗依然用舒蘭褐煤，經將塊狀褐煤用小型磨煤機研磨，是因為實驗樣品用料量很大，得到不同了粒徑范圍的褐煤樣品，其粒徑范圍分別為:0～300 μm、300～600 μm、600～900 μm、900～1 200 μm。樣品的工業分析和元素分析數據見表1、2所示，灰成分分析數據見表3所示。

2.2 實驗系統和實驗說明

此實驗是在自行設計的小型流化床實驗臺上進行的，實驗系統由送風、給料、流化床本體、加熱、溫控和煙氣分析五部分組成。送風是利用氮氣瓶和氧氣瓶按照空氣配比經過氣體混合器后送到給料系統、二次風和流化床底部作為流化風;給料采用的是一次風攜帶送粉系統，用一玻璃制成的錐狀蓄粉倉儲粉，下部錐狀出口和一次風管垂直相連;流化床本體是用內徑為20 mm的石英玻璃管制成，玻璃管內部裝有布風板，布風板上的孔徑大約為0.5 mm，床料選用直徑在0.6～1.2 mm之間的石英砂，在布風板上方30 mm處設有給料管，給料管也與石英玻璃管制成一體，給料管內徑約5 mm，通過耐熱硅碳管與一次風管相連，布風板上部45 cm處設有煙氣出口，煙氣出口直接與旋風分離器相連，經過旋風分離器分離下來的顆粒進入一個與旋風分離器密封相連的磨口瓶，磨口瓶的作用就是盛裝分離下來的褐煤灰，而煙氣從旋風分離器上部排出;排出的煙氣進入煙氣分析系統，首先經過過濾器除掉未分離下來的細粉塵，然后經過干燥器用變色硅膠進行干燥，從干燥器出來的經過凈化后的煙氣通過泵之后進入煙氣分析儀，進行氣體分析;加熱部分是采用一個兩段的電加熱爐進行加熱;溫控部分是用一數字式溫控儀利用熱電偶采集回來的溫控信號控制交流接觸器。實驗過程中氣體流量、給料量、床溫等具體數據詳見下面具體實驗。

2.3 實驗結果和數據分析

2.3.1 床溫對污染物排放特性的影響

五次實驗中除床溫改變外，其他實驗條件完全相同。

從圖1我們看出，隨著床溫的升高，開始時污染物排放增加，而SO2的排放量在750℃時達到最大值，之后隨著床溫的升高SO2濃度急劇降低，到1050℃時已經降到了100 mg/Nm3以下。這是因為在低溫燃燒時褐煤燃燒不夠充分，雖然給料量是一定的，但是由于爐膛高度的限制，褐煤在低溫情況下未等燃燒完全就被煙氣攜帶出了爐膛，造成煙氣中污染物排放濃度很低，隨著溫度的上升，這種現象明顯減小，褐煤燃燒變得更加充分，所以在750℃之前隨著溫度的增加SO2濃度上升;而在750℃之后，褐煤的燃燒逐漸變得充分，加上隨著溫度的增加褐煤中的碳酸鹽開始分解，尤其是形成的金屬氧化物CaO在脫硫過程中起到了關鍵的固硫作用。

圖1 不同床溫下褐煤流化床燃燒污染物排放特性曲線

從圖1中我們也可看出，NOX排放量隨著溫度的增加而降低，在溫度為850℃時達到了峰值。因為在低溫時，褐煤燃燒不夠充分，爐內CO濃度較高，基本上處于還原性氣氛中，對NOX的還原作用很強，NOX在CO的還原作用下，被還原成N2，因此在低溫時NOX的排放量很低;隨著溫度的升高，褐煤逐漸燃燒充分，爐內CO濃度降低，對NOX的還原作用慢慢減弱，造成了在850℃之前，NOX的排放量隨著溫度的升高而增加;在850℃之后，褐煤基本上已經可以全部燃燒。

從上述的實驗結果來看，低溫運行是最好的，因為污染物排放量很低，對空氣的污染最小，但是在低溫燃燒時，鍋爐的未完全燃燒熱損失太大，特別在現行能源緊缺的情況下，會造成嚴重浪費，是不現實的。那么就只有提高爐膛內的溫度，而隨著溫度的升高，對爐內水冷壁管等耐熱設備耐熱性能的要求也隨之增加，而且就對現行鼓泡床和鏈條爐等鍋爐的改造來說此法也是不可行的。因此流化床鍋爐的運行溫度選擇在800～950℃之間是最經濟，最可靠的。

2.3.2 粒度對污染物排放特性的影響

四次實驗中除樣品粒度改變外，其他實驗條件完全相同。

從圖2中可以得到，隨著褐煤顆粒粒度的增加，SO2濃度逐漸升高。這主要是因為隨著褐煤粒度的增加，褐煤的固硫作用受到的SO2向褐煤顆粒內部擴散的傳質特性的影響增強，顆粒的增加使得褐煤的比表面積減小，在給料一定的情況下，就使得SO2與褐煤顆粒接觸的機會降低，在大顆粒內部煅燒得到的CaO等具有脫硫作用的物質很難與SO2接觸反應，使得這些物質的利用率降低，固硫率降低，導致SO2濃度升高。

從圖2中我們看到，NOX和NO的排放量在粒度小于900 μm時存在一個最小值。隨著粒度的增加，在達到某一個粒度范圍時NOX和NO的排放量最小。這是因為褐煤顆粒粒度的降低使得褐煤的燃燒特性有所改善，特別表現在燃燒反應速率方面提高顯著，在燃燒的中間過程中，有更多的CO氣體參與燃燒過使得部分燃料NOX被還原成N2，CO氧化成CO2氣體。因此隨著顆粒粒度的減小，燃料NOX的釋放會隨之減少;由于隨著顆粒粒度的減小，使得褐煤的燃盡特性有所改善，燃盡率有較大提高，從而褐煤中的N元素以NOX和NO氣體形式析出更為完全，因此會有更多的NOX和NO生成。而在當顆粒粒度大于900 um時，NOX和NO的排放量有所增大，這是因為燃燒過程中揮發的析出受到了一定的限制，而隨著粒度的增大，焦碳粒子的燃燒和燃燒產物的析出是在氣固相界面上進行的，受到的傳質特性的影響加劇，燃盡特性較差，所以使得部分燃料N還未能參加反應就排出了爐膛，造成NOX和NO排放量的降低。

對于實際運行的鍋爐，選擇合適的褐煤顆粒粒度是影響鍋爐效率和燃燒污染物排放量的關鍵因素。而實際運行的褐煤循環流化床鍋爐褐煤粒度的選擇應參考各種因素，但單從污染物排放角度來講，選擇主要粒度為300～600um的粒度范圍是比較合適的。

圖2 不同顆粒粒度的褐煤流化床燃燒污染物排放特性曲線

2.3.3 Ca/S比對污染物排放特性的影響

四次實驗中除Ca/S比改變外，其他實驗條件完全相同。

隨著Ca/S比的增加，SO2濃度下降，這是因為CaO的加入，增加了CaO與SO2氣體接觸的機會，尤其是添加進來的CaO完全是暴露在煙氣氣氛中的單物質顆粒，比褐煤灰中的CaO顆粒接觸NO的機會要大得多，所以固硫作用明顯增強。在Ca/S比較低時，SO2濃度下降的趨勢很明顯，而當Ca/S比大于5時，即使再增加CaO的量，SO2濃度也不怎么發生變化了，這是因為當Ca/S比達到5時，燃燒所釋放出的SO2氣體已基本被CaO等固硫物質反應消耗掉，固硫作用也不明顯。

從圖3中可以看出，脫硫劑CaO的加入，使得NOX的濃度也跟著下降，這是因為在CaO和CO共存的還原氣氛中，CaO成了CO對NO還原反應的催化劑，在CaO的催化作用下，NO和CO反應生成N2和CO2的還原反應增強，提高了NO的轉化率，從而降低了NO的濃度。華中科技大學煤燃燒國家重點實驗室的周浩生等人研究證明，當溫度為850℃時，在CO的共同作用下，CaO可以提高NO的轉化率，使得NO濃度降低［8］;雖然CaO的加入導致NO2的濃度有所提高，但它不足以抵消NO濃度的降低，所以整體NOX的排放濃度還是呈降低的趨勢。

所以選擇合適的Ca/S比是提高脫硫率降低環境污染和提高鍋爐效率，達到經濟運行的關鍵手段之一。如果Ca/S比選擇的不合理，選擇低了會造成脫硫效果不好、脫硫率降低，提高環境污染程度;選擇高了又影響鍋爐效率，提高粉煤灰量，提高尾部煙道過熱器、省煤器和空氣預熱器的磨損程度，也給除塵裝置帶來額外的負擔，是非常不經濟的。所以對既定的煤種和鍋爐選擇合適的Ca/S比是鍋爐長期穩定經濟運行的重要參考因素之一。對于褐煤循環流化床鍋爐，加入很少量的石灰石就可以達到很高的脫硫效率，在今后的褐煤循環流化床鍋爐大型化設計中能對此進行很好的考慮。本實驗研究得到對于舒蘭褐煤流化床燃燒方式最佳的Ca/S比為5。

圖3 不同Ca/S比的褐煤流化床燃燒污染物排放特性曲線

2.3.4 過量空氣系數對污染物排放特性的影響

所用的褐煤樣品的顆粒粒度為300～600 μm，實驗過程中共得到了七種不同過量空氣系數下各污染物排放的數據，各過量空氣系數分別為:1.10、1.20、1.30、1.40、1.50、1.60和1.70。實驗過程中除改變給料量來調節過量空氣系數的大小外，其他實驗條件完全相同。

從圖4中可以看出，SO2和NOX隨著過量空氣系數的增加而逐漸升高，這是因為過量空氣系數的增大，使得爐內氧化性氣氛增強，從而導致SO2和NOX的增加。

2.3.5 床料高度對污染物排放特性的影響

采用的靜止床料高度分別為1 cm、2 cm、3 cm、4 cm和5 cm。五次實驗中除改變床料高度外，其他實驗條件完全相同。

圖5 所示就是不同床料高度下的褐煤流化床燃燒污染物排放特性曲線

從圖2—圖5中看出，隨著床料高度的增加，各排放氣體濃度均有所上升，但是上升的幅度不是非常明顯。其原因是因為煙氣中的絕大部分SO2和NOX等氣體污染物是在爐膛的密相區產生的，產生后的氣體污染物在稀相區焦碳粒子的還原作用下開始分解，床料的增加使密相區增大，而稀相區減小，從而導致了污染物排放濃度的增加。但是從總體上看，這種增加的效果不是很明顯。

合適的床料高度的選取能夠保證爐內燃燒穩定，使燃料燃燒的更加充分，因此，鑒于床料高度對污染物排放影響不大，那么床料高度的選取就應以保證爐內燃燒穩定為主，床料高度太低使得床料不能達到蓄熱的目的也不能和入爐的燃料達到強烈攪混的效果，勢必影響燃料的燃燒效果，降低鍋爐效率。經過分析和結合實際流化床鍋爐的運行經驗，流化床床料高度的選取應以占爐膛高度的5%為宜。

4 結論

在對褐煤能源利用途徑和形式分析基礎上結合試驗研究與理論分析及工程實踐，證明褐煤作為循環流化床鍋爐的燃料是合適的。褐煤循環流化床燃燒方式，可以避免在煤粉爐燃燒過程中所暴露出致命的技術問題和成本太高所帶來的經濟問題，是實現褐煤高效、潔凈、經濟、合理能源利用的有效途徑。

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