還原區當量比對煤粉預熱燃燒特性的影響

2022-01-14 11:43:00張嘉航朱建國劉敬樟

潔凈煤技術 2021年6期

張毅，張嘉航，朱建國，劉敬樟

(1.中國科學院工程熱物理研究所，北京 100190;2.中國科學院大學，北京 100049)

0 引言

隨著經濟飛速發展，煤炭在很長一段時間內仍是我國最主要的一次能源[1-3]，其清潔高效利用尤為重要。在不采用任何煙氣脫硝設備的前提下，直接通過燃燒調控降低NOx排放且不犧牲燃燒效率成為潔凈煤技術今后的重要發展方向。目前，國內外針對煤燃燒過程中低NOx排放開展了一些研究，主要有低氮燃燒器、分級燃燒和MILD燃燒等[4]。分級燃燒技術主要分為空氣分級燃燒技術和燃料分級燃燒技術。RIBEIRETE和COSTA[5]主要研究了空氣分級燃燒對煤粉爐燃燒性能的影響，研究表明增加燃料在還原區的停留時間，可促進NOx還原，降低NOx排放。YONMO等[6]研究了采用空氣分級燃燒和不采用空氣分級燃燒情況下，煤粉細度對燃燒特性和排放的影響，結果表明，空氣分級燃燒能降低燃燒溫度和尾部NOx排放，但會導致CO含量增加，燃燒效率降低[7]。燃料分級的概念首先由WENDT等[8]提出，在燃料再燃系統中，分段供給的燃料和空氣將爐膛分為3個不同的燃燒區域：一級再燃區、再燃區和燃盡區。后續研究表明燃料分級燃燒的脫硝率在爐內脫硝技術中最高，能極大降低煤燃燒過程中的NOx排放。呂清剛等[9]通過結合空氣分級、燃料分級等技術，自主研發了預熱燃燒技術；WANG等[10]建造了與該技術相應的預熱燃燒試驗臺，并進行了多煤種的預熱燃燒特性和NOx生成特性研究。ZHU等[11-14]在此基礎上開展了富氧預熱燃燒特性及NOx排放特性試驗研究以及不同參數變化對該過程特性的影響等。但上述預熱燃燒試驗研究的還原區空氣當量比一般低于0.7，而高還原區當量比(高于0.7)下的預熱燃料燃燒特性和NOx排放特性等基本規律尚不明確。

因此，筆者在保持循環流化床運行參數和整體過量空氣系數基本不變的前提下，探索還原區當量比對預熱燃料燃燒性能的影響，包括溫度分布、沿程氣體組分分布和尾部排放特性等，以豐富對煤粉預熱燃燒特性的基本認識，為煤粉預熱燃燒技術發展提供借鑒。

1 試驗

1.1 試驗裝置和原理

試驗在30 kW預熱燃燒試驗裝置上進行，主要由3部分組成：用于燃料改性的循環流化床、燃料發生主要燃燒反應的下行燃燒室以及輔助設備。試驗原理為原煤在循環流化床內與低過量系數的空氣混合，發生部分氣化和部分燃燒反應后轉化成高溫的預熱半焦和預熱煤氣(統稱為高溫預熱燃料)，生成的高溫預熱燃料再進入下行燃燒室與二次風和三次風混合后燃盡。高溫預熱燃料和二次空氣從不同管路分別進入燃燒室后摻混燃燒，三次風從距離燃燒室頂部1 200 mm的位置給入。

試驗臺詳情見文獻[15-16]，試驗流程如圖1所示，二次風和高溫煤基燃料進入燃燒室的位置如圖2所示。下行燃燒室沿程布置5個氣體和固體取樣點，分別位于距離燃燒室頂部100、400、900、1 400和2 400 mm五個截面上，同時，5個截面上還布置有5個熱電偶，主要通過5個截面處的氣體成分和溫度表征燃燒室沿程的煙氣成分和溫度變化。

圖1 試驗裝置流程

圖2 二次風和高溫預熱燃料的給入位置

1.2 燃料特性

試驗所用神木煙煤粒徑為0～0.355 mm，粒徑分布如圖3所示。可知累積體積分數10%、50%和90%所對應的切割粒徑分別為18.54、118.32和301.80 μm。

圖3 原煤的粒徑分布

神木原煤的工業分析和元素分析見表1，其中C/H和C/O比通過原煤的元素分析確定。

表1 原煤的工業分析和元素分析

1.3 試驗參數

預熱燃燒過程中，保持循環流化床各運行參數和過量空氣系數等不變，改變還原區當量比的試驗工況參數見表2，還原區當量比λRe為0.70～0.96。

表2 試驗工況參數

λCFB、λRe、λTe、λ計算公式為

(1)

(2)

(3)

λ=λRe+λTe，

(4)

式中，APr、ASe、ATe分別為一次風、二次風和三次風的體積流率，m3/h；AStoic為燃料完全燃燒所需要的理論空氣流率，m3/h。

2 結果與討論

本文主要分析同一循環流化床運行參數下，生成的高溫預熱煤氣和預熱半焦與不同二次風量、三次風量混合后的燃燒特性。

2.1 預熱特性

循環流化床的運行溫度分布如圖4所示，循環流化床預熱室運行穩定，溫度分布均勻，平均預熱溫度為850 ℃，超過燃料燃點，預熱燃料進入燃燒室與二次風混合后可直接燃燒，不存在著火和穩燃問題。

圖4 循環流化床溫度分布

2.1.1高溫預熱煤氣成分分析

試驗過程中，分別對穩定工況的高溫預熱煤氣成分和預熱半焦進行測量和取樣，煤氣成分見表3。可知預熱條件下，生成的預熱煤氣中含有可燃還原性氣體CO、H2和CH4，煤氣熱值為2.1 MJ/m3。高溫預熱煤氣噴入下行燃燒室與二次風混合后發生均相燃燒反應，提升燃燒室溫度。預熱煤氣的含氮氣體物質中僅檢測到NH3，未發現HCN和NOx。

表3 煤氣成分分布

2.1.2粒徑分布對比

原煤和預熱燃料的粒徑分布對比如圖5所示，煤粉經過循環流化床預熱后，其中位粒徑d50由118.32 μm變為31.70 μm，煤粉粒徑變細，這與原煤預熱過程中因揮發分析出導致的顆粒爆破有關，其試驗結果與之前研究結果[15-16]一致。

圖5 原煤和預熱半焦的粒徑分布

2.1.3預熱半焦和原煤的碳結構有序性分析

為表明預熱過程對原煤樣品的改性作用，利用拉曼光譜分析了原煤和預熱半焦樣品的碳結構有序性，拉曼光譜分峰擬合曲線結果如圖6所示。

圖6 原煤和預熱半焦的拉曼光譜分峰擬合曲線

由圖6可知，2個樣品的拉曼光譜原始曲線都可擬合成5個峰(D1、D2、D3、D4、G)[17-21]。主要采用拉曼光譜擬合成的各峰面積比值(如IG/IAll，ID3+D4/IG，其中I為光譜峰面積)來表征樣品的碳結構有序性。

原煤和預熱半焦的拉曼光譜帶比值如圖7所示。

圖7 原煤和預熱半焦的拉曼光譜帶比值

由圖7可知，相比于原煤，預熱半焦的拉曼光譜帶比值ID3+D4/IG增加，而IG/IAll降低。說明原煤經歷預熱過程后，其碳結構有序性破壞，混亂程度增加，從而導致樣品的反應性增加。

綜上所述，相比于原煤，預熱半焦粒徑減小，預熱燃料的碳結構有序性降低、反應性增加。

2.2 預熱燃料的部分燃燒特性

2.2.1溫度分布

不同還原區當量比下的燃燒室沿程溫度分布如圖8所示。可知還原區當量比增加時，距離燃燒室頂部100和400 mm處的溫度增加，當還原區當量比為0.70和0.79時，燃燒室溫度最高點在距離噴口900 mm附近，當還原區當量比增大到0.96時，燃燒室最高溫度點出現在距離噴口100 mm附近，且整個燃燒室的溫度隨與噴口距離的增加而下降。可見還原區當量比增加，主燃燒區向噴口附近移動。

圖8 不同的還原區當量比下燃燒室沿程的溫度分布

2.2.2沿程氣體分布

試驗對下行燃燒室沿程5個測點進行氣體在線測量。改變還原區當量比后，沿程NOx和CO質量濃度分布如圖9所示。

圖9 燃燒室沿程CO和NOx排放質量濃度對比

由圖9可知，隨著還原區當量比增加，燃燒室沿程的NOx排放質量濃度降低。三次風給入燃燒室前，即燃燒室噴口至三次風區域內為還原性氣氛，三次風噴口至燃燒室出口為氧化性氣氛。在三次風以前，即燃燒室還原性區域內，并未檢測到NOx，但檢測到了較高質量濃度的CO，導致NOx還原。還原區當量比增大后，還原區內CO質量濃度降低，部分CO發生了燃燒反應。三次風后的氧化性氣氛中，CO質量濃度降低，NOx質量濃度上升，結果表明，還原區當量比為0.96時，NOx和CO排放質量濃度均呈最低值。

為進一步闡述還原區當量比改變對燃燒室內含氮氣體釋放的影響，將不同工況下的沿程含氮氣體組分進行對比，具體如圖10所示(6% O2)。

圖10 不同工況下的沿程含氮氣體組分分布對比

由圖10可知，3個還原區當量比的含氮組分隨下行燃燒室的分布規律大體一致，其中整個燃燒室沿程的NH3、HCN、N2O含量極低，總質量濃度均不超過10 mg/m3，可將其忽略。三次風以前，燃燒室內NO質量濃度為0，NO2是主要的含氮組分。三次風從距燃燒室頂部1 200 mm處給入后，NO2質量濃度快速降至0，且保持為0的狀態，同時NO質量濃度快速上升，且沿程NO質量濃度隨著還原區空氣當量比的增加而降低。在強還原性氣氛下，揮發分氮和焦炭氮主要轉換成N2和NO2。WANG等[22]研究結果表明，在高質量濃度CO條件下，NO2的還原反應被削弱，且NO2質量濃度隨著頂部距離的增加而降低。三次風從1 200 mm處給入后，燃燒室由還原性氣氛轉變成氧化性氣氛，CO質量濃度很快降至很低。此時，低質量濃度的還原性物質，如CO和焦炭，對NO2有很強的還原作用，結合NO2的分解反應導致燃燒室1 400和2 400 mm處的NO2迅速降低至0，同時生成的NO質量濃度增加。根據測量結果，可推斷下行燃燒室含氮氣體發生的反應有