兩段式滴管內煙煤富氧空氣分級燃燒NOx排放特性研究

楊 石

(1.煤科院節能技術有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013；3.國家能源煤炭高效利用與節能減排技術裝備重點實驗室，北京 100013)

0 引 言

NOx是一種環境危害極大且不易處理的大氣污染物，據統計我國NOx污染物的60%以上來自于煤炭燃燒。近年來，隨著環保形勢的日益嚴峻，我國對燃煤鍋爐NOx的排放標準也愈加嚴格。相應出現了多種鍋爐NOx控制技術。現有的控制NOx排放技術按照機理不同可分為2類：① 低氮燃燒技術，在保證完全燃燒前提下，通過調整燃燒形式和氛圍等使得燃料在燃燒釋放化學能的過程中，盡可能減少污染物排放；② 燃燒后煙氣脫硝技術，針對已經生成的污染物，排放到環境中前，通過物理、化學等方法對其進行捕集、催化處理。燃燒后煙氣脫硝技術的NOx排放降低效果明顯，但會導致鍋爐效率降低、受熱面腐蝕等問題。此外采用煙氣脫硝技術，需要額外配置煙氣脫硝設備并消耗脫硝催化劑或吸附介質，初投資和運行費用較高；低氮燃燒技術則是根據NOx的形成機理而開發，是最直接、最簡便的NOx排放控制技術。傳統的低氮燃燒技術主要包括低氧燃燒法、分級燃燒法、煙氣再循環法、低氮燃燒器等。上述低氮燃燒技術雖然投資和運行費用較低，但在降低NOx排放的同時，還伴隨火焰燃燒不穩定、燃料燃燒不完全等問題，且目前低氮燃燒技術整體脫硝效率不高，單獨使用已經無法滿足日益嚴格的NOx排放標準。

富氧分級燃燒是近年來提出的一種新型低氮燃燒技術，將富氧燃燒和分級配風相結合實現低NOx排放的目的[1-5]。富氧分級燃燒主要包括O2/CO2分級燃燒和O2/空氣(富氧空氣)分級燃燒。O2/CO2分級燃燒具有同時降低NOx排放和便于CO2捕集的技術優勢，也是目前研究的熱點。富氧空氣燃燒在降低NOx排放效果上與O2/CO2富氧燃燒相當，初投資和運行成本較低，更加適合于當前燃煤鍋爐尤其是中小型燃煤鍋爐的NOx控制。但相對于O2/CO2分級燃燒，針對富氧空氣分級燃燒NOx排放特性的研究較少。部分學者利用一維滴管爐和數值模擬手段，研究了煤炭在O2/CO2富氧分級燃燒下NOx排放特性，并考察了反應溫度、配風比、富氧氣體成分等因素對NOx排放的影響規律[6-7]。但其研究條件為O2/CO2富氧分級燃燒，其中CO2對NOx排放的影響機理與空氣、富氧空氣不同，因此上述研究的結論未必適用于富氧空氣分級燃燒。朱書俊[8]在流化床與下行燃燒室聯合系統上，研究了富氧空氣分級燃燒的NOx排放特性。結果表明：富氧空氣燃燒可以在不犧牲燃燒效率的條件下，大幅降低NOx排放。在局部氧濃度由21%升高至28%時，NOx排放明顯降低。但該研究只是針對富氧預熱燃燒工藝，并不是對于煤粉鍋爐富氧空氣分級燃燒NOx排放特性進行研究。在該研究中，下行燃燒室的溫度最高僅為1 250 ℃，且缺乏反應溫度、二次風配比等關鍵因素對NOx排放的研究。而且上述研究的熱態條件均與煤粉鍋爐相差甚遠。

兩段式滴管爐是在傳統滴管爐基礎上開發的改進設備。除了具有傳統滴管爐升溫速率高、排除顆粒間作用、動態性能良好[9]等特點外，還將爐體分為2段，可以分別模擬煤粉在燃燒器和爐膛內的燃燒狀態，更加接近煤粉在鍋爐內燃燒的實際情況。不同研究者利用兩段式滴管研究了煙煤、半焦空氣分級燃燒的NOx和SOx排放特性[10-13]，但未見利用兩段式滴管爐研究富氧空氣分級燃燒NOx排放特性的報道。本文采用兩段式滴管作為熱態試驗設備，更加接近鍋爐中煤粉燃燒的流程與熱態環境。通過比較煤粉在單級空氣、空氣分級和富氧空氣分級3種燃燒方式下的NOx排放特性，驗證富氧空氣分級燃燒的低氮效果。并針對富氧空氣分級燃燒方式，考察主燃區溫度、主燃區過量氧氣系數和二次風氧濃度對NOx排放的影響規律，為富氧空氣分級燃燒技術在煤粉鍋爐的應用提供理論依據。

1 試 驗

1.1 試驗裝置

兩段式滴管爐熱態試驗系統結構如圖1所示。試驗系統由兩段式滴管爐本體、微量輸粉設備、配氣系統、取樣分析設備、控制系統及冷卻系統構成。滴管爐本體上段為主燃區(用于模擬鍋爐燃燒器內的煤粉燃燒情況)，是由φ50 mm×2 200 mm剛玉管、硅碳加熱裝置和熱電偶組成。主燃區溫度可從常溫加熱至1 600 ℃。滴管爐本體下段為燃盡區(用于模擬鍋爐爐膛內的煤粉燃燒情況)，由電阻絲不銹鋼管、電阻絲加熱裝置和熱電偶組成。燃盡區溫度可從常溫加熱至1 000 ℃。微量給料器裝置采用無軸螺旋輸送方式，精度±0.5%。兩段式滴管爐熱態試驗系統設置三級配風，共6條氣路。1、2號氣路為一次風管路，位于微量給粉裝置底部，用于將煤粉輸送至主燃區爐膛;3、4號氣路為二次風管路，位于主燃區爐膛頂部；5、6號氣路為燃盡風管路，位于燃盡區爐膛頂部。各氣路中氣體流量均由獨立的氣體質量流量計控制。通過調節配氣系統中三級配風量和氣體成分，可以實現單級供風(僅有一、二次風，均為空氣)、空氣分級配風(一、二次風與燃盡風均為空氣)與富氧分級配風(一次風、燃盡風為空氣，二次風為富氧氣體)3種燃燒方式。

圖1 兩段式滴管爐實驗系統示意Fig1 Structural diagram of two-stage dropper tube furnace system

氣體采樣分析設備為testo350煙氣分析儀，實時測量煙氣中O2、CO2、CO、NOx、SO2等成分含量。煤灰通過設置在燃盡區下游的旋風分離器進行捕集采樣。

1.2 煤粉特性

試驗用煤為平均粒徑70 μm的神府煙煤煤粉。揮發分31.64%，固定碳55.58%，低位發熱量28.21 MJ/Kg，氮元素含量為0.92%。煤質分析見表1。

表1 煤質分析

1.3 工況設定與NOx排放評價方法

試驗過程中煤粉給粉速率保持在3.5 g/min；一次風為空氣，流量為1 L/min；二次風為空氣或氧氣與空氣的混合氣體。由于二次風并非單純空氣，以過量空氣系數來表征助燃氣體量與燃料量的配比關系不準確。本文采用過量氧氣系數，即實際供給燃料燃燒的氧氣量與燃料完全燃燒所需要的氧氣量之比，來表征氧化氣體量與燃料量的配比關系。試驗過程中，主燃區與燃盡區的總過量氧氣系數保持為1.05；燃盡區溫度保持1 000 ℃不變。為接近鍋爐運行工況，試驗過程中，燃盡區出口煙氣CO濃度(按氧濃度4%折算)保持在200 mg/m3以下。

本文采用煙氣中NOx濃度和計算得到的單位質量煤粉燃燒NOx生成量2個指標表示不同燃燒方式下NOx的排放特性。煙氣中NOx濃度可以直觀反映出NOx排放特性，但由于在相同過量氧氣系數條件下，采用空氣和富氧氣體所需氣體量不同，導致燃燒產生的煙氣量存在差別，采用煙氣NOx濃度并不能準確反映煤炭在不同燃燒方式下的NOx排放效果。因此，采用單位質量煤粉燃燒的NOx生成量來表示不同燃燒方式下NOx的排放特性。單位質量煤粉燃燒的NOx生成量按照式(1)計算。

M=V0C(NOx)

(1)

式中，M為單位質量煤粉燃燒的NOx生成量；V0為單位質量煤粉燃燒理論煙氣量；C(NOx)為煙氣中NOx濃度。

理論煙氣量根據一次風量、二次風量、燃盡風量和二次風氧濃度進行計算[14]。采用單位質量煤粉燃燒的NOx生成量可更準確地比較各燃燒方式下NOx排放情況。

2 結果分析

2.1 燃燒方式及主燃區溫度對NOx排放的影響

單級供風、空氣分級、富氧空氣分級3種燃燒方式下，總過量氧氣系數為1.05，煙氣CO濃度(按氧濃度4%折算)不高于200 mg/m3時，各工況下NOx最低排放如圖2所示，空氣分級燃燒和富氧空氣分級燃燒NOx最低排放通過調節二次風配比實現。

圖2 3種燃燒方式NOx濃度比較Fig2 Comparation of NOx concentration with threedifferent combustion modes

由圖2可知，采用空氣分級配風和富氧空氣分級配風2種燃燒方式NOx排放要遠低于空氣單級供風時的NOx排放。這是由于采用分級配風燃燒后，燃料中N分解成NHi、HCN等大量中間產物，在主燃區形成還原性氣氛，將部分NOx還原。在燃盡區，氧量充足但溫度較低，不利于NOx的二次生成。因此，采用分級配風燃燒后，NOx濃度均低于400 mg/m3，當主燃區溫度升高到1 400 ℃后，NOx濃度均低于200 mg/m3。

采用單級供風燃燒時，隨主燃區溫度的升高，NOx生成量持續增加。而采用空氣分級和富氧空氣分級燃燒，NOx排放隨主燃區溫度的升高整體呈下降趨勢。隨主燃區溫度的升高，煤粉升溫速率增大，揮發分析出量以及揮發分中小分子碳氫化合物增加，揮發分氮析出量持續增長[15]。單級供風時，主燃區始終處于氧化性氣氛中，溫度的升高導致更多的NHi、HCN等中間產物產生，并氧化生成NOx。此外，主燃區溫度升高后，也會生成更多的熱力型NOx；而空氣分級燃燒時，主燃區處于欠氧還原性氣氛下，溫度升高使煤中析出的揮發分增多，更增強了主燃區氣氛的還原性，從而抑制了熱力型NOx和燃料型NOx的生成。根據周志軍等[16]提出的燃燒模式判別方法，本文煤粉富氧空氣分級燃燒屬于均相非均相著火模式，即在煤粉顆粒表面，揮發分與焦炭同時著火，因此揮發分析出量的增加，也增強了揮發分對焦炭的“搶氧”作用，利于焦炭對NOx的還原[12]；錢彬[17]研究表明，反應氣氛氧濃度的升高，可以大幅提高燃料的燃燒速率。因此，在富氧空氣分級燃燒條件下，煤粉在主燃區反應更加充分，NHi、HCN等中間產物生成量高于空氣分級條件下的生成量，從而進一步降低NOx的生成。因此，在合理配風條件下，空氣分級和富氧空氣分級燃燒的NOx排放隨主燃區溫度的升高而下降。

為考察富氧分級配風燃燒方式的低氮效果，以煤粉單級供風燃燒NOx濃度為基準，對比了不同主燃區溫度下，空氣分級配風與富氧空氣分級的NOx降低比例，如圖3所示，其計算公式如下：

(2)

式中，η為NOx降低比例；Ms為單級供風NOx生成量；Ma為實際NOx生成量。

圖3 空氣分級配風及富氧分級配風NOx減少比例Fig.3 NOx removal rate of air-staged and staged oxy-fuel combustion

由圖3可知，試驗條件下，富氧空氣分級的NOx降低比例比空氣分級條件下提高6%～12%。因此富氧空氣分級燃燒方式對控制NOx排放的效果更佳。

2.2 主燃區過量氧氣系數對NOx排放的影響

前人研究發現，二次風配比對于分級配風條件下NOx排放有顯著影響[11-13]。由于本文二次風為不同氧濃度氣體，采用二次風占總風量的比例不能對各工況進行準確比較，因此采用主燃區過量氧氣系數表征二次風配比。主燃區溫度1 300、1 500 ℃下，主燃區過量氧氣系數對NOx濃度的影響如圖4所示。

圖4 主燃區過量氧氣系數對NOx排放的影響Fig.4 Effect of primary combustion zone excess oxygen ratio on NOx emission

由圖4可知，隨主燃區過量氧氣系數的升高，NOx排放均呈現先降低后升高的趨勢。由于主燃區內還原性氣氛有利于降低NOx的排放。當主燃區過量氧氣系數過小時，煤粉燃燒不充分，揮發分析出較少，大量N元素以焦炭氮的形式進入燃盡區，氧化生成NOx；當主燃區過量氧氣系數過大時，主燃區氣氛的還原性不夠強，更多的中間產物被氧化成NOx，而且揮發分對焦炭的“搶氧”作用降低，焦炭對NOx的還原有限。這說明在富氧空氣分級燃燒條件下，主燃區氧氣過量氧數存在一個最佳值使NOx排放最低。主燃區溫度為1 300 ℃時，最佳主燃區過量氧氣系數約為0.58。主燃區溫度為1 500 ℃時，最佳主燃區過量氧氣系數約為0.55。兩者差異是由于主燃區溫度升高促進了揮發分的釋放以及中間產物的反應，因此在主燃區溫度升高時，在較低的過量氧氣系數下，即達到NOx排放的最低值。

王道平等[11]、李慧[12]研究表明，在空氣分級燃燒中同樣存在最佳主燃區過量氧氣系數，在與本研究條件相近情況下，空氣分級燃燒的最佳主燃區過量氧氣系數約為0.6，略高于本研究結果。這說明二次風氧濃度升高對降低煤粉NOx排放具有促進作用。

2.3 二次風氧濃度對NOx排放的影響

不同主燃區溫度下，主燃區過量氧氣系數0.58，富氧空氣分級燃燒方式時，二次風氧濃度對NOx排放的影響如圖5所示。可知單位質量煤粉NOx排放隨二次風氧含量的升高而降低。當富氧氣氛的氧濃度逐漸升高，NOx排放的降低趨勢逐漸放緩。

圖5 二次風氧含量對NOx排放的影響Fig.5 Effect of O2 concentration in secondary air on NOx emission

二次風氧濃度的升高增加了煤粉在主燃區的停留時間。主燃區過量氧氣系數給定，不同二次風氧濃度下，CFD模擬得到的煤粉顆粒在主燃區無量綱停留時間如圖6所示。可知煤粉在主燃區停留時間隨二次風氧含量的升高而增加。在相同過量氧氣系數下，二次風流量隨著氧含量的增加不斷降低。因此，當二次風氧含量由21%升高到31%時，煤粉在主燃區的停留時間增加了46%。停留時間的延長使煤粉在主燃區還原性氣氛下的反應更加充分，從而降低了NOx的排放。

圖6 不同二次風氧含量煤粉在主燃區停留無量綱時間Fig.6 Residence time of pulverized coal with different O2 concentration in secondary air

研究表明即使在過量氧氣系數相同的條件下，二次風的氧濃度升高仍可以在煤粉顆粒表面形成局部的富氧區。富氧區的存在促進了煤粉的均相非均相燃燒，使更多的揮發分析出，降低NOx的排放。而NOx排放的降低趨勢隨氧濃度逐漸升高逐漸放緩，這是由于煤粉顆粒表面富氧區氧含量過高，降低了焦炭對NOx的還原作用。

除以上2個原因外，空氣與氧氣混合還降低了二次風中N2的濃度，有助于降低熱力型NOx和快速型NOx。

2.4 煤灰的孔隙特性

綜上所述，采用空氣分級和富氧空氣分級燃燒方式下，主燃區溫度對NOx的降低率有顯著影響。為深入分析，針對主燃區溫度為1 200和1 500 ℃、過量氧氣系數0.58條件下，采用BET分析空氣分級和富氧空氣分級粉煤灰的孔徑分布，結果見表2。

表2 不同工況下煤灰的孔隙特性

由表2可知，主燃區溫度由1 200 ℃升高到1 500 ℃，二次風氧濃度由21%升高到29%，煤灰顆粒的比表面積和總孔容均增大。這是因為溫度的升高及局部氧含量的增加，揮發分析出越發劇烈，煤粉顆粒內部反應越劇烈導致膨脹越強[18]，更多燃料氮轉化為揮發分氮。在還原性氣氛下，揮發分氮生成N2，即還原性氣氛下的高溫和適當的局部氧化性氣氛含量有利于降低NOx的排放。

3 結 論

1)與傳統分級配風燃燒相比，富氧空氣分級燃燒方式可大幅降低NOx的排放濃度。主燃區溫度為1 300～1 500 ℃時，富氧分級配風燃燒NOx排放減少比例相比分級配風燃燒提高了6%～12%。

2)主燃區溫度在1 200～1 500 ℃時，隨主燃區溫度升高，NOx排放整體呈下降趨勢。

3)二次風的配比對NOx排放具有顯著影響，隨主燃區過量氧氣系數的升高，NOx排放均呈現先降低后升高的趨勢。因此存在最佳二次風配比，使NOx排放濃度最低。主燃區溫度為1 300 ℃時，最佳主燃區過量氧氣系數約為0.58；主燃區溫度為1 500 ℃時，最佳主燃區過量氧氣系數約為0.55。

4)二次風氧濃度為21%～31%時，NOx排放隨二次風氧含量的升高而降低。隨著二次風的氧濃度逐漸升高，NOx排放的降低趨勢放緩。