典型越南無煙煤熱動力學特性研究及NOX排放測試

康 開，項群揚，茅建波，樂亞表，裘立春

（1.浙江浙能電力股份有限公司，杭州 310007；2.浙江浙能技術研究院有限公司，杭州 311121；3.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；4.浙江省電力建設有限公司，浙江 寧波 315012）

0 引言

越南是無煙煤的主要生產國家，無煙煤產量位列世界第三，生產的大量無煙煤用于出口中國、日本和韓國等地區。近年來，隨著國內外煤炭價格的變動，許多沿海發電廠開始燃用進口越南無煙煤。同時，在國內設備制造廠和電力設計院海外市場的開拓過程中，依據當地煤質進行鍋爐的選型和設計也是較為關鍵的研究課題。燃用越南無煙煤對鍋爐的設計和生產仍有不小的挑戰，例如越南某發電廠2臺300 MW亞臨界鍋爐，設計上選用越南北方生產的無煙煤，其干燥無灰基揮發分僅為4.94%，在試運行期間出現了燃燒不穩﹑爐膛負壓波動較大等問題[1]。

因此，越南無煙煤的燃燒特性是鍋爐選型和設計需要考慮的重要問題，以下結合熱重試驗結果對越南無煙煤的燃燒動力學進行分析，并通過越南某600 MW燃用越南無煙煤的“W”型火焰鍋爐的試驗，研究其NOX排放特性。

1 越南無煙煤熱動力學特性研究

1.1 元素分析和工業分析結果

研究所選用的越南無煙煤和其他3種常見對比煤種的工業分析、元素分析及發熱量參數如表1所示。通常認為越南無煙煤的煤質指標中Mad（空氣干燥基水分，以下簡稱空干基水分）一般在2%～3%，Aad（空干基灰分）在 15%～40%；Vadf（干燥無灰基揮發分）在6%～14%[2]。根據表1結果，研究所選用的越南無煙煤具有比較典型的無煙煤特性，主要表現為：

（1）超低的揮發分，折算后的Vdaf小于10%，低于國內常見的陽泉無煙煤，更不容易著火。

（2）Oad（氧含量）遠小于一般的煤種，該氧含量一般在8%左右。

（3）超低的水分，Mad僅在2%～3%的水平，遠小于一般的煙煤含水8%～20%的水平。

（4）越南無煙煤的灰分高， Aad為 31.58%，遠大于陽泉無煙煤的14.16%，更不利于燃盡[3]。

表1 4種煤種的工業分析、元素分析及發熱量

1.2 熱重分析結果

越南無煙煤的TG（熱重分析）曲線見圖1。通過分析該樣品的TG曲線，顯示越南無煙煤在熱失重初期有一個失重階段，這是原煤空干基下的水分蒸發引起的，這個結果與表1中樣品的含水量相吻合，該過程在150℃內完成。失水過程結束后，煤粉的孔隙增大，隨著溫度的提升，燃燒反應加快，煤樣快速吸收氧氣，TG曲線小幅上升。隨著溫度進一步提升，各樣品進入迅速失重階段，煤中的揮發分開始析出燃燒，呈現半焦燃燒，此時TG曲線出現急劇下降，而當煤中的可燃物質燃盡后，TG曲線保持水平狀態。

圖1 越南無煙煤TG曲線

1.3 動力學分析

熱分析動力學是一種研究物質的物理變化和化學反應機理的方法。煤粉的反應活化能E是反映煤粉著火和燃燒性能的重要參數。由于試驗中采用程序升溫法對煤粉燃燒進行不定溫法研究，因此需對TG曲線使用Coats－Redfern積分法進行動力學分析，得到不同煤種的燃燒反應動力學參

數[4－6]。

越南無煙煤與國內常見褐煤、煙煤和無煙煤的燃燒動力學參數對比見表2，Ti表示著火溫度，Th表示燃盡溫度，Tmax表示最大燃燒速率溫度，E表示燃燒反應活化能。越南無煙煤的表觀活化能E 達到 153.3 kJ/mol，比陽泉無煙煤高 10.7 kJ/mol，說明越南無煙煤更難以著火，燃燒反應性能較差，其著火燃燒特性低于陽泉無煙煤[7－13]。

表2 4種煤樣的燃燒特征參數

Ti是研究燃料燃燒的重要指標，比較直觀地反映出樣品的著火特性，一般Ti越低，煤粉越容易著火。由表2可以看出，越南無煙煤的Ti為553.9℃，大于中國陽泉無煙煤，Tmax也符合這個規律。Ti主要受煤中揮發分多少的影響，一般揮發分含量越大，煤中的碳顆粒相對也越容易被點燃[14]。

Th定義為煤中可燃物質燃燒到98%時對應的溫度，可以比較直觀地反映樣品的燃盡性能。樣品的Th也符合“越南無煙煤＞陽泉無煙煤”的規律，揮發分析出燃燒時產生的熱量有助于焦炭的著火，同時，揮發分的析出在一定程度上疏松了煤粉，增加了煤粉的內部孔隙，使O2的滲入和擴散變得容易，加快了化學反應速度，促使燃盡更加容易，因而越南無煙煤的Th更高。

通過以上分析，在基于越南無煙煤的鍋爐，尤其是制粉系統和燃燒系統設計過程中，需要考慮該煤種難著火和難燃盡的特點。

2 越南無煙煤NOX排放試驗

2.1 鍋爐概況

越南某發電廠2臺600 MW鍋爐是引進美國B&W公司技術的產品。鍋爐為單爐膛平衡通風、中間一次再熱、亞臨界參數、自然循環單汽包鍋爐。設計煤種為越南無煙煤。燃燒制粉系統采用雙進雙出直吹式鋼球磨制粉系統，熱風送粉，“W”形火焰燃燒方式，并配置專門用于燃用低揮發分燃料的濃縮型低NOX，HALF－PAX雙調風旋流燃燒器。鍋爐本體采用半露天島式布置，固態排渣，全鋼架結構，在尾部豎井下設置2臺三分倉容克式空氣預熱器。

2.2 試驗煤質

試驗期間的煤質情況如表3所示，其中工況1－3為100%負荷率，工況4－5為75%負荷率。

表3 試驗期間燃用煤種煤質分析

2.3 NOX和CO排放情況

試驗期間對空預器入口的氧量情況和CO排放情況進行實測。結果表明，試驗期間空預器入口氧量基本保持穩定，維持在4.5%～5%；同時煙氣中CO濃度很低，均未超過20 μL/L，此時煙氣未燃可燃物損失已接近零[15]。

試驗測量得到的各工況下爐膛出口NOX濃度如表4所示。在額定負荷工況下，爐膛出口的平均NOX濃度約為1 200 mg/m3（已換算為標準狀況下，以下同），在75%負荷下爐膛出口的平均NOX濃度約為1 000 mg/m3。該結果顯示該鍋爐NOX排放值與其它“W”型火焰鍋爐燃用低揮發分煤種時的 NOX排放值比較接近[16－18]。

表4 爐膛出口NOX濃度

圖2為CO和NOX排放濃度隨負荷的變化關系，當負荷從額定負荷下降時，NOX排放濃度明顯降低，CO排放濃度稍有上升，但仍處于極低的水平。

圖2 CO和NOX排放濃度隨負荷的變化關系

3 結論

（1）通過越南無煙煤的揮發分、含氧量、灰分等參數可知：越南無煙煤具有極難著火和難以燃盡等特點。通過進行熱重試驗得到越南無煙煤的著火溫度 Ti為 553.9℃， 燃盡溫度 Th為 727.4℃，表觀活化能E達到153.3 kJ/mol；與國內常見煤種對比后發現，越南無煙煤比中國陽泉無煙煤還難以著火和燃盡。

（2）對燃用越南無煙煤的越南某600 MW鍋爐進行NOX排放測試，在額定負荷工況下，爐膛出口的平均NOX排放濃度約為1 200 mg/m3，在75%負荷下爐膛出口的平均NOX排放濃度約為1 000 mg/m3。