高溫下混煤燃燒NO生成特性與單煤線性加權比較

陸愛蘭，劉睿瓊，邵 歡

(1. 國家電網(wǎng)山西省電力公司 運城供電公司，山西運城044000;2. 太原理工大學 電氣與動力工程學院，山西太原030024;3. 華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北保定071003)

高溫下混煤燃燒NO生成特性與單煤線性加權比較

陸愛蘭1，劉睿瓊2，邵 歡3

(1. 國家電網(wǎng)山西省電力公司 運城供電公司，山西運城044000;2. 太原理工大學 電氣與動力工程學院，山西太原030024;3. 華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北保定071003)

利用自制恒溫試驗系統(tǒng)，對幾種典型煤種混煤試樣進行恒定高溫情況下的燃燒失重實驗，研究了摻混比、溫度、煤種等因素對混煤燃燒內(nèi)部交互作用的影響以及同步NO生成特性。結果表明：混煤在高溫下燃燒初期，煤粉失重受到褐煤的抑制作用，但在后期褐煤燃燒產(chǎn)生的熱量對混煤失重有明顯的促進作用，致使燃燼時刻提前；褐煤摻混比的增加，對混煤前期燃燒的抑制作用加強；隨著溫度的升高，混煤前期燃燒的抑制時間逐漸縮短，同時后期的促燃時間縮短；摻混煤種的煤化程度越低，燃燒前期的抑制作用就越強，但有利于后期煤粉的燃燼。此外混煤燃燒時NO生成累積量會隨著褐煤摻混比的增大而減小；所摻混煤種煤質差異越大，NO生成交互作用越強烈。

高溫；混煤；交互作用；加權方法；NO釋放

0 引言

由于火力發(fā)電的快速發(fā)展導致電站用煤與日俱增，煤的運輸能力不足，來煤不穩(wěn)定等因素使得煤粉摻燒成為大多數(shù)電站的選擇，混煤摻燒技術成為提高電站安全性、經(jīng)濟性、用煤靈活性以及低污染排放研究的關鍵課題[1-2]。國內(nèi)外對混煤燃燒及NO生成特性已有諸多研究。Faúndez等[3]通過夾帶流反應器對混煤的著火特性進行了研究，表明低階煤摻混的混煤著火溫度與其單煤具有線性可加性，而其他類型混煤的著火溫度與其著火溫度低的單煤著火溫度相近。王春波等[4]利用自制恒溫試驗臺研究了混煤及其單煤的燃燒失重特性，結果表明，摻燒印尼褐煤能使混煤整體平均失重速率增大，燃燼時刻提前，同時整體平均失重速率、初始反應階段平均失重速率與摻混比具有良好的線性相關性。Xu Yuanguang等[5]通過熱天平對混煤失重特性、燃燼時刻及燃燒指數(shù)進行了研究，結果表明，混煤在燃燒過程中各種化合物相互作用關系非常復雜，與其單煤幾乎不存在線性可加性。Rubiera等[6]利用熱天平及攜帶流反應器研究認為不同煤種混煤的NO排放量由于單煤之間的劇烈制約作用而具有明顯的非線性可加性。王永征等[7]通過一維煤粉燃燒試驗臺研究了混煤燃燒時氮的析出特性，認為NO主要在煤粉的著火過程生成，混煤中各組分煤種氮的析出即相互獨立又相互影響且析出曲線一般具有雙峰結構。

目前混煤燃燒研究多采用實驗結果間比對，但對于混煤內(nèi)部交互作用的研究存在著一定不足。本文利用自制恒溫實驗系統(tǒng)，模擬實際爐內(nèi)的高溫燃燒工況，對混煤燃燒及NO生成特性進行研究，通過實驗結果與各單一煤種的直接加權計算結果的比較，希望能從混煤交互作用方面更加深入地了解其反應機理，對今后深入研究混煤高溫燃燒及污染物排放提供一定的參考，同時為電站實際燃燒提供一定的理論依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 實驗系統(tǒng)與裝置

恒溫煤粉熱重及NO在線測量實驗系統(tǒng)如圖1所示。該智能溫控管式爐能夠提供恒定的高溫環(huán)境，其溫度可調范圍為700～1 700 ℃，控溫精度為±5 ℃，恒溫區(qū)長度為200 mm。通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對煤粉質量實時變化情況進行記錄，記錄頻率為1個/s。稱量精度為±1 mg，相對誤差為±0.5%。采用德國RBR公司生產(chǎn)的ECOM-CN型煙氣分析儀對NO進行監(jiān)測。煙氣分析儀精度為±1 mg/m3。經(jīng)過多次實驗驗證，已證明該系統(tǒng)具有較高的精度和可靠性。

實驗采用各單煤的工業(yè)分析與元素分析如表1所示，將原煤磨制、篩選粒徑范圍為120～180μm，并按照單煤質量比進行摻混制得混煤試樣。實驗時每次稱取80±2 mg試樣，均勻平鋪于長約100 mm，內(nèi)壁寬約9 mm的剛玉舟內(nèi)，類似一層單顆粒薄層。通入的空氣總流量為0.16 m3/h，校正試驗表明，該流量已經(jīng)能有效地消除反應過程中氣體擴散的影響。通過多次重復性實驗表明誤差在2%以內(nèi)。

圖1 試驗裝置系統(tǒng)圖

表1 單煤的工業(yè)分析與元素分析

1.2 實驗分析方法

為了更好地描述混煤試樣的失重特性，引入以下幾個特性參數(shù)。

可失重余額量：試樣除灰分外剩余的質量與可失重部分質量的比值，即

式中：m0為試樣的初始質量；mt為燃燒過程中的瞬時質量；mA為試樣中的灰分質量。

燃燼時刻：試樣可失重余額量達到2%時所對應的反應時刻。

促燃時間：加權失重曲線燃燼時刻與實驗失重曲線燃燼時刻的差值，反映了摻混煤粉對燃燒的促進程度，為正表示促進，為負表示抑制。

采用NO生成累積質量來分析試樣燃燒時NO的生成特性，即

式中：ρ(t)為在t時刻氣流中對應的NO實際濃度，mg/m3；qv(t)為在t時刻煙氣的流量，m3/s。

混煤燃燒動力學的模擬是研究者們極為關注的問題之一，人們希望僅僅依據(jù)單煤的燃燒特性曲線，借助某種模型，得到混煤后樣品的動力學特性。因此，本文采用較為直接的線性加權方法進行對比分析，從中找出相似相異點，為下一步建立更完善的加權模型奠定一定的基礎。加權平均曲線是根據(jù)所摻混的兩單煤的實驗曲線分別乘上各單煤在試樣中所占比重得到的線性加權曲線。即

式中：LC為試樣的線性加權曲線；x為單煤B在試樣中的百分比；LA表示單煤A的實驗曲線；LB表示單煤B的實驗曲線。

2 結果與分析

2.1 摻混比的影響

摻混比是直接影響混煤燃燒特性的重要因素，在1 300 ℃恒溫條件下，對陽泉無煙煤與新疆褐煤摻混比分別為3∶1，1∶1，1∶3這3種試樣進行了空氣下恒溫燃燒實驗，得到可失重余額量隨時間的變化情況及通過對兩單煤失重曲線加權得到的線性加權曲線，如圖2所示。

圖2 陽泉無煙煤與新疆褐煤不同摻混比的燃燒失重曲線

由圖2可知，隨著新疆褐煤摻混比例的增加，試樣的實驗曲線與線性加權曲線均向左移，這是由于褐煤比例的增加，試樣的揮發(fā)分含量增多，析出后煤焦形成了大量的新的微孔，有利于氧化劑和氧化產(chǎn)物在煤粒內(nèi)部孔隙的擴散，從而極大地加快了煤粉燃燒速度[8]。此外，3組不同摻混比的實驗曲線與線性加權曲線均存在一個交點，在交點之前，實驗曲線比線性加權曲線偏右，而交點之后，實驗曲線比線性加權曲線偏左。其原因可能是，相對于低揮發(fā)分的陽泉無煙煤而言，新疆褐煤的揮發(fā)分含量高達45%，且褐煤比無煙煤熱解溫度低[9]，在混煤燃燒前期，溫度較低，大量的新疆褐煤揮發(fā)分析出、燃燒，并消耗掉大量氧氣致使混煤焦炭表面的氧濃度降低，出現(xiàn)搶風現(xiàn)象，因此，新疆褐煤揮發(fā)分的析出與燃燒對混煤焦炭燃燒產(chǎn)生了一定的抑制作用。而在混煤燃燒后期，由于新疆褐煤揮發(fā)分的燃燒產(chǎn)生大量的熱使混煤焦炭表面溫度升高，從而對混煤失重產(chǎn)生了一定的促進作用，最終使燃燼時刻提前。由圖2還可得知陽泉無煙煤隨著新疆褐煤摻混比例的增加，實驗曲線與線性加權曲線的交點不斷后移，其原因很可能是在燃燒前期，由于新疆褐煤的摻混比例增加，大量的揮發(fā)分燃燒增加了對氧氣的競爭，導致混煤焦炭氧氣不足，從而使前期抑制作用加強，因此交點不斷后移。混煤的線性加權曲線是由新疆褐煤和陽泉無煙煤各自的燃燒失重曲線加權計算所得，因此線性加權未能體現(xiàn)出燃燒過程中的抑制與促進作用。

2.2 溫度的影響

為研究溫度對混煤燃燒交互作用的影響，對陽泉無煙煤摻混25%新疆褐煤的試樣分別進行900 ℃,1 100 ℃,1 300 ℃和1 500 ℃空氣下的恒溫燃燒實驗，得到試樣的實驗曲線和線性加權曲線，如圖3所示。

圖3 陽泉3∶1新疆試樣在不同溫度下的燃燒失重曲線

由圖3可知，在900 ℃，1 100 ℃和1 300 ℃恒溫下，試樣的實驗曲線與線性加權曲線的交點隨著溫度的升高不斷前移。推測其原因可能是溫度升高，新疆褐煤揮發(fā)分析出速率加快，同時高溫能使混煤煤焦較早達到著火溫度并燃燒，致使褐煤揮發(fā)分的析出與燃燒對無煙煤煤焦的抑制作用時間縮短，因此會出現(xiàn)交點不斷前移。而在1 500 ℃恒溫下，試樣的實驗曲線與線性加權曲線近乎重合且失重幾乎呈線性變化，可能由于環(huán)境溫度較高，煤焦在較短時間內(nèi)達到著火點且燃燒劇烈，與揮發(fā)分幾乎是同時反應，不存在明顯的分界。在1 500 ℃高溫下，煤焦會發(fā)生內(nèi)部和表面燒結，導致顆粒表面形成致密保護層[10]，同時高溫下灰分熔融，礦物質出現(xiàn)遷移，孔隙被堵塞[11]，最終致使褐煤揮發(fā)分的析出與燃燒對無煙煤煤焦的交互作用極弱，兩曲線近乎重合。此外，由圖3還可看出試樣隨反應溫度的升高，其促燃時間不斷縮短，可能是因為難燃煤的燃燒受溫度影響較大，在高溫下，焦炭燃燒速率已有顯著提高，新疆褐煤揮發(fā)分燃燒產(chǎn)生的熱量對后期焦炭的促進作用逐漸減弱，進而造成促燃時間不斷縮短。這些現(xiàn)象用線性加權曲線均無法體現(xiàn)。

2.3 煤種的影響

由于揮發(fā)分對混煤燃燒的交互作用產(chǎn)生一定的影響，在1 300 ℃恒溫條件下，選用3種揮發(fā)分差別較大的云南褐煤、石景山煙煤和陽泉無煙煤分別摻混25%新疆褐煤進行混燃，得到實驗曲線和線性加權曲線，如圖4所示。

圖4 75%不同煤種摻混25%新疆褐煤的燃燒失重曲線

由圖4可知，不同煤種分別摻混25%新疆褐煤的實驗曲線與線性加權曲線均存在交點，且隨著煤種煤化程度的降低，交點不斷后移。其原因可能是，在高溫下煤熱解的最終失重量隨煤化程度的降低而增加[9]，從而產(chǎn)生的揮發(fā)分大量增加并燃燒致使消耗掉的氧量增加，對混煤焦炭失重的抑制時間增長，然而線性加權未能具體體現(xiàn)燃燒前期的抑制作用而產(chǎn)生交點不斷后移。

由表2可知，隨著煤化程度的降低，實驗曲線與線性加權曲線的燃燼時刻不斷提前，其原因可能是煤化程度降低，結構中的芳環(huán)數(shù)減少，含氧官能團增多且含有較多的氧橋，致使混煤活性增強，提高了熱分解速率[12]，因此減少了燃燼時間。同時可知，煙煤和無煙煤分別摻混新疆褐煤試樣的促燃時間隨著煤化程度的降低而升高，這很可能是由于揮發(fā)分含量高，大量燃燒產(chǎn)生的熱量較多，對混煤焦炭燃燒的促進作用增強，燃燼的提前程度增強。但是表中的云南褐煤摻混新疆褐煤的促燃時間卻比前兩者都低，這可能由以下兩方面原因造成的：一方面，因為云南褐煤揮發(fā)分含量較高，能夠迅速燃燒和燃燼，受到摻混新疆褐煤的促燃作用較弱；另一方面，在燃燒后期焦炭的燃燒是影響燃燼時間的主要因素，由表1的原煤工業(yè)分析可知云南褐煤的固定碳不足10%，因此新疆褐煤對試樣后期的促燃作用沒有較大的體現(xiàn)。

表2 75%不同煤種摻混25%新疆褐煤燃燼參數(shù)

2.4 摻混比對NO生成的影響

在對失重數(shù)據(jù)測量的同時，也對燃燒釋放的NO累積量進行監(jiān)測。在1 300 ℃恒溫條件下，陽泉無煙煤與新疆褐煤在不同摻混比下的NO生成累積量曲線與線性加權曲線如圖5所示。

圖5 陽泉無煙煤與新疆褐煤不同摻混比的NO生成特性

由圖5可知，隨著新疆褐煤摻混比的增加，在燃燒前期NO釋放的實驗曲線與線性加權曲線均不斷左移，且燃燼的拐點同樣左移，同時實驗曲線比加權曲線更靠前。由于褐煤摻混比的增加能夠加快試樣的燃燒，加速NO的釋放，同時加快試樣的燃燼，因此曲線及拐點會不斷左移。圖5中還可看出燃燒進行了193 s之后，隨著摻混比的增加，實驗曲線與加權曲線得到的NO累積量均不斷降低。首先，煤粉在燃燒前先進行熱解，釋放出H2，CO，CH4等還原性氣體[13]，隨著褐煤摻混比的增加，揮發(fā)分含量增多，釋放出的還原氣體增多，促進了NO的均相還原[14]。其次，褐煤大量的揮發(fā)分析出后形成比表面積高的多孔性焦炭，對NO的還原能力增強[15]。除此之外，圖5中還呈現(xiàn)了另一個明顯的特征：隨著褐煤摻混比的增加，實驗曲線與加權曲線的差別增大，進而推測出增加褐煤的摻混比，混煤試樣NO釋放的交互作用更強烈。

2.5 煤種對NO生成的影響

對不同煤種分別摻混25%新疆褐煤的試樣進行NO生成累積量的監(jiān)測，得到實驗曲線與線性加權曲線，如圖6所示。

圖6 75%不同煤種摻混25%新疆褐煤的NO生成特性

由圖6可知，云南褐煤與石景山煙煤分別摻混新疆褐煤的實驗曲線自始至終均落后于各自加權曲線，而無煙煤摻混恰恰相反。由于煤化程度的降低，煤粉揮發(fā)分含量升高，因此當兩褐煤摻混及煙煤與褐煤摻混進入爐膛時，突然置于恒定的高溫，大量揮發(fā)分析出，導致顆粒內(nèi)部集聚的應力迅速增加而破碎，使焦炭對NO的異相還原作用大大增強，從而抑制NO的生成，但是云南褐煤的固定碳不足10%，導致抑制作用不明顯。而無煙煤揮發(fā)分含量極低，在熱解過程中無法使顆粒破碎[16]，導致新疆褐煤對其NO生成產(chǎn)生促進作用。圖6中另一個顯著特征是，隨著煤化程度的升高，實驗曲線與加權曲線的差別越明顯，進而可推測出所摻混煤種差異越大，其內(nèi)部的交互作用越強烈。

3 結論

(1)混煤在高溫下燃燒初期，煤粉失重受到褐煤的抑制作用，但在后期褐煤燃燒產(chǎn)生的熱量對混煤失重有明顯的促進作用，致使燃燼時刻提前。

(2)褐煤摻混比的增加，對混煤前期燃燒的抑制作用加強。摻混煤種的煤化程度越低，燃燒前期的抑制作用就越強，但有利于后期煤粉的燃燼。隨著溫度的升高，混煤前期燃燒的抑制時間逐漸縮短，同時后期的促燃時間縮短，但在1 500 ℃下對前期燃燒影響較小。

(3)混煤燃燒時NO生成累積量會隨著褐煤摻混比的增大而減小；所摻混煤種煤質差異越大，NO生成交互作用越強烈。

(4)由于混煤中各單煤之間強烈的交互作用，采用直接加權方法無法精確地描述高溫下混煤燃燒過程，為下一步建立新模型提供了一定的參考方向。

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Comparison Between NO Emission Characteristics of Coal Blends at High Temperature and Linear Weighted by Single Coals

LU Ailan1，LIU Ruiqiong2，SHAO Huan3

(1. Department of Substation Operation, State Grid Yuncheng Electric Power Company, Yuncheng 044000, China；2. College of Electrical and Power Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China；3. School of Energy and Power Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

The effects of blending ratios, temperature and coal types on the interaction during the combustion and the generation of the simultaneous NO emission of coal blends were investigated using a customized thermogravimetric analysis system which can measure the burning profiles and simultaneous NO emission capacity at a constant high temperature. The results showed that, in the initial stage of combustion, the weight loss of coal blends was inhibited by lignite which played a significant role in promoting in the later period. In addition, the effect of inhibition became stronger in the initial stage of combustion as burnout time decreased with the increase of lignite ratio in the coal blends. And the resultesare there are the same for blending lower quality coals. It was found that with the increase of temperature, the time of inhibition and burnout has been shortened. Besides, the cumulative emissions of NO declines with the increase of blending ratios. The larger the difference of quality between coal blends is, the stronger the interaction of NO emission becomes.

high temperature; coal blends; interaction; weighted method; NO emission

2015-10-07。

陸愛蘭(1968-)，女，助理工程師，研究方向為運行調度與節(jié)能，E-mail：329349302@qq.com。

TK161

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2016.02.010