O2/CO2气氛下煤粉燃烧NO排放特性实验研究

原 辉， 刘彦丰， 刘雄伟

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003)

O2/CO2气氛下煤粉燃烧NO排放特性实验研究

原 辉， 刘彦丰， 刘雄伟

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003)

利用沉降炉实验台分别在O2/N2气氛和O2/CO2气氛下针对煤粉燃烧过程中NO排放量进行实验，研究了CO2浓度、温度以及过量空气系数分别对单煤与混煤燃烧NO排放特性的影响，结果表明：相比于O2/N2燃烧气氛，煤粉在O2/CO2气氛下燃烧释放的NO含量更低，其降低量约为30%～35%；在CO2浓度由20%变化到50%的过程中，所选煤种NO生成量逐渐下降，其变化幅度不大；随着煤粉燃烧温度的不断升高，所选煤种在2种气氛下燃烧生成的NO含量均有增长且在O2/N2气氛下NO排放浓度增加更为明显，当温度达到1 200 ℃和1 500 ℃这2个温度点时可以发现NO排放浓度曲线斜率变化很大；随着实验过程中过量空气系数α的增加，在这2种气氛下NO的生成量同样呈现出上升的趋势。

O2/CO2气氛； NO生成量； 煤粉燃烧； CO排放浓度

0 引言

煤粉燃烧过程中排放的CO2、NO等污染物对全球范围内的温室效应影响很大，不同程度威胁着地球生态环境。为了有效减少燃煤过程中CO2的排放量。国内外许多研究机构都逐渐将注意力集中在对O2/CO2气氛下煤粉燃烧技术的研究上。该项技术以纯氧代替空气，并与烟气混合，能够有效捕集燃煤过程中产生的CO2，对洁净煤燃烧有着积极的作用[1-3]。但是由于该燃烧技术所采用的气氛不同于常规燃烧，因而在实际煤粉燃烧生成NO以及NO转换过程中存在着显著差异。

文献[4]发现在O2/CO2气氛下煤粉燃烧有助于NO排放量的减少，其降低量同常规气氛煤粉燃烧下降约1/3。文献[5]通过实验的方式分别对无烟煤及烟煤在O2/CO2燃烧气氛和O2/N2燃烧气氛下NO的排放特性进行了对比，研究结果表明，相比于空气燃烧气氛，煤粉在O2/CO2气氛下燃烧生成的NO含量大大减少，CO的还原反应有效减少了NO的生成。文献[6]以徐州烟煤和娄底无烟煤为研究对象，在水平管式炉上对比了O2/N2和O2/CO22种气氛下NO的析出释放规律，实验结果表明，高体积分数CO形成的还原性气氛是造成富氧燃烧条件下NO释放浓度低于空气气氛的主要原因。文献[7]利用Fluent数值模拟软件针对煤粉在O2/CO2气氛条件下燃烧及NO排放浓度特性进行了数值模拟，结果表明，NO排放浓度的多少很大程度取决于峰值温度，且沿轴向分布特性与温度变化趋势相近。文献[8]通过气体携带炉实验对2种燃烧气氛下神华煤和阳泉无烟煤的NO释放特性进行了研究，结果表明，在燃烧温度从1 100 ℃到1 300 ℃的过程中，烟气中的NO生成量呈现出先增大后减少的趋势，并且在 1 200 ℃时NO生成量达到峰值。通过滴管炉对煤粉在O2/N2和O2/CO22种气氛下燃烧生成的NO浓度进行了对比实验，研究结果发现NO增加幅度随O2浓度提高而减少。

目前由于实验设备的限制，国内外对O2/CO2气氛下煤粉燃烧NO排放特性主要集中于1 300 ℃以下[9-11]，对高温1 200 ℃和1 500 ℃下NO的排放规律研究较少，且对混煤在不同比例气氛下燃烧NO排放规律鲜有研究。为了解决上述问题，本文借助沉降炉实验台对煤粉燃烧NO排放特性进行了研究，分析对比了2种燃烧温度下燃烧气氛、CO2浓度和过量空气系数对单煤和混煤煤粉燃烧NO生成量的影响。

1 实验部分

实验系统如图1所示。

1. O2钢瓶; 2. CO2钢瓶; 3. N2钢瓶； 4. He钢瓶； 5. 流量控制器； 6. 微量给粉器； 7. 气粉混合器； 8. 炉体； 9. 温控系统； 10. 过滤器； 11. 抽气泵； 12. 烟气分析仪； 13. 冷却水出口； 14. 冷却水进口； 15. 自动烟气测试仪图1 实验系统简图

实验系统由炉体部分、温控系统、给粉系统、配气系统、水冷系统以及样品收集系统组成，其中温控系统具有较高的精度，误差维持在2 ℃之内，温度可控范围为800～1 800 ℃，燃烧生成的烟气首先经过滤器处理后进入德国MRU的VARIO PLUS型烟气分析仪，对O2、CO和NO进行测试。本实验给粉量为1 g/min，燃烧气氛为O2/N2及O2/CO2混合气体，根据给粉量、理论耗氧量、过量空气系数、CO2比例计算理论进气量，气流总量为10 L/min，当低于10 L时，用He进行补充，这样可以保持炉内良好气流，实验过程中设定自动烟气测试仪的抽气流量为10 L/min，使炉内成微负压。实验时先通气体后启动自动烟气测试仪，最后开启微量给粉器，实验采用大同烟煤和印尼褐煤，煤粉取过100目筛子部分，细度<150 μm，煤质分析结果见表1。

2 实验结果与分析

2.1 CO2浓度对NO生成量的影响

实验过程中选取T=1 200 ℃和T=1 500 ℃、O2/CO2气氛、过量空气系数为1.2的理论氧气量，通过流量控制器对CO2进气量进行调整来研究分析CO2浓度对NO生成量的影响。图2、图3分别表示3种煤粉在O2/CO2气氛、温度为1 200 ℃和1 500 ℃时，4种不同CO2浓度下燃烧烟气中NO和CO的生成浓度结果。

图2 3种煤粉在不同CO2浓度下NO排放浓度

图3 3种煤粉在不同CO2浓度下CO排放浓度

由图2可知，在2种燃烧温度下随着CO2浓度由10%增加到40%，3种煤的NO排放质量浓度均逐渐降低，这主要是因为高浓度的CO2条件下，产生了大量的CO，与NO发生还原反应生成N2。此外，图2中NO排放浓度曲线变化较缓，这是因为随着CO2浓度的增加，CO生成量增加幅度减小，对NO的还原反应减弱，同时在O2/CO2气氛下高浓度的O2与中间产物HCN和NH3发生氧化反应生成NO，且CO2具有高密度、大比热的物理性质，使得煤粉燃烧速率减少、燃烬特性降低，从而促进了燃料中N元素向NO的转化，两方面的综合作用导致NO生成浓度降幅减缓[12]。

由图2可知，CO2浓度由10%升至20%时，NO生成量的变化幅度明显高于CO2浓度由30%升至40%时的NO变化幅度，反映出单纯提高进气中CO2的浓度，NO的减排效果并不是十分理想，在增加CO2浓度的同时，应合理控制进气中O2浓度，这样才能有效减少NO的排放量[13]。对比图2(a)、(b)发现，1 500 ℃下煤粉燃烧NO排放量明显高于1 200 ℃，这说明高温环境能够增加煤粉的燃烬程度，促进燃料中元素N向NO的转化。此外，在CO2浓度不变的情况下，同煤燃烧生成的NO浓度远远大于印尼煤，这主要是由于同煤和印尼煤挥发分、含氮量和含碳量不同造成的。并且从NO生成量的变化速率来看，在2种温度下，印尼煤燃烧产生的NO浓度变化幅度不大，而同煤和混煤则存在极大的差异，具体表现为1 500 ℃下NO的生成量减少速率明显低于1 200 ℃。这主要是因为随着温度的升高，气化反应速率加快，导致CO的生成量增大，对NO的还原增强，从而一定程度抑制了NO的生成。从图中可以看出，在O2/CO2的燃烧气氛、高温高氧的情况下，混煤的NO生成曲线表现出同单煤燃烧时一样的排放规律，基本维持在2种单煤单独燃烧生成NO排放浓度的平均值。

2.2 温度对NO排放的影响

图4、5所示的分别是O2/N2气氛和O2/CO2气氛不同温度下(900 ℃、1 200 ℃、1 500 ℃)3种煤粉NO的析出曲线。实验中采取过量空气系数α=1.2、V(O2)/V(CO2/N2)=2∶8的燃烧条件。结果表明：随着炉内温度的不断升高，2种燃烧气氛下NO排放量也随之增加，所不同的是，O2/N2气氛下NO排放量高于O2/CO2下NO的排放量。这主要是因为O2/CO2气氛中不存在分子氮，所以只能产生燃料型NO，而O2/N2气氛中热力型NO和快速型NO会随温度的升高迅速提高N元素的转化率[14]。同时发现，在T=900 ℃左右时，2种燃烧气氛下煤粉NO排放量从高到低依次是印尼煤、混煤和同煤，这是因为印尼煤NO的挥发量远远大于同煤。随着温度的继续升高，2种气氛下同煤煤粉燃烧生成的NO排放量逐渐超过印尼煤，这主要是由于随着温度升高，促进了煤粉燃烬程度，NO生成量增加。当T=1 200 ℃时，CO2与煤焦开始发生气化反应，促进了CO对NO及中间产物的还原。这是在1 200 ℃以后，O2/CO2气氛下NO排放量曲线斜率降低的原因。

图4 O2/N2气氛下不同温度下NO排放量

图5 O2/CO2气氛下不同温度下NO排放量

图4中，温度由1 200 ℃到1 500 ℃的区间内3种煤粉NO排放量曲线斜率明显增大，这主要是由于高温环境下大量热力型NO生成的缘故[15]。图5中，不难发现在1 200 ℃到1 500 ℃之间，印尼煤NO排放量曲线斜率明显低于混煤和同煤，这是由于印尼煤中含有的氮化物低于同煤，导致在高温环境下抑制了燃料型NO的生成。比较两图，可以看出，随着温度由1 200 ℃增大到1 500 ℃，O2/CO2气氛下NO排放量随温度的变化较相同燃烧条件下O2/N2气氛下的变化要缓慢，这说明温度的提高促进了煤焦热解，生成高浓度的CO在煤焦表面发生还原反应，一定程度上抑制了NO的生成[16-17]。

2.3 过量空气系数对NO排放的影响

决定煤粉燃烧是处于还原性气氛还是氧化性气氛最重要影响因素是过量空气系数。图6、图7、图8所示的分别是大同烟煤、印尼褐煤及其混煤在2种燃烧温度(1 200 ℃、1 500 ℃)、2种气氛(O2/CO2、O2/N2)下NO和CO随过量空气系数α(0.8、1.0、1.2、1.4)变化的析出曲线。实验中采取V(O2)/V(CO2/N2)=2∶8的燃烧条件。结果表明：实验中所取过量空气系数的范围内，O2/N2气氛下CO的排放量总小于O2/CO2气氛，并且在α=0.8时，表现的最为明显。这主要是因为在燃烧初期，高温、高CO2浓度的环境下促进了反应(1)的进行；实验中所取的3种煤粉在O2/N2气氛下NO的排放量均高于O2/CO2气氛，这是由于在高温、O2/N2气氛下生成大量热力型NO的缘故[18]，且分别对比3种煤粉的(a)(b)两图，发现1 500 ℃时O2/N2气氛下NO增加幅度远远大于1 200 ℃，这说明温度升高能够促进热力型NO的生成。比较图6、图7，不难发现，2种煤粉在相同条件燃烧的情况下，同煤NO的排放量远远大于印尼煤，可见同煤中的氮化合物含量远远高于印尼煤，再结合图8，可以发现混煤的NO排放量介于同煤和印尼煤之间，这说明混煤燃烧可以一定程度减少NO的排放量[19]。

图6 大同烟煤在不同气氛下NO、CO排放浓度

图7 印尼煤在不同气氛下NO、CO排放浓度

图8 混煤在不同气氛下NO、CO排放浓度

由图可知，随着过量空气系数α的逐渐增大，O2/N2和O2/CO2气氛下CO浓度均呈现减少趋势，而NO浓度则呈现出上升的趋势。这是由于空气量的增加促进了煤粉的燃烬反应，使得生成的CO在O2浓度不断增大的情况下发生反应(2)生成大量的CO2，而CO的减少抑制了异相反应(3)和均相反应(4)的进行，O2浓度的增大也促进了煤粉燃料型NO的生成，从而使得在燃料型NO不断生成的前提下减少了NO向N2的转化。当过量空气系数α从0.8～1.2 L时，无论是氧化性气氛还是还原性气氛，NO的生成速率和CO的减少速率都较于过量空气系数由1.2～1.4变化更大。这说明空气分级燃烧有助于控制O2浓度，对NO的减排有积极作用[20]。

CO2+C→2CO

(1)

2CO+O2→2CO2

(2)

(3)

(4)

3 结论

(1)在1 200 ℃和1 500 ℃下，随着CO2浓度的增加，实验室所选3种煤粉的NO排放量逐渐降低，CO排放量逐渐升高，且两者波动程度较小。当CO2浓度由10%升至20%时的NO和CO生成量的变化幅度明显高于CO2浓度由30%升至40%时的NO和CO的变化幅度，说明合理控制CO2浓度有助于减少NO的生成量。

(2)在O2/N2和O2/CO2气氛下，实验室所选取的温度范围内，随着温度的提高，煤粉NO的生成量和转化率均增大，同等条件下燃烧，O2/N2气氛下NO的排放量高于O2/CO2气氛，且温度由1 200 ℃增大到1 500 ℃，O2/CO2气氛下NO排放量随温度的变化比O2/N2气氛下小，这说明温度的提高可以促进煤焦热解，生成高浓度的CO可以有效抑制NO的排放量。

(3)在2种气氛下随着过量空气系数的增大，实验室所选煤种的CO排放量呈下降趋势，NO排放量则呈现上升趋势，且过量空气系数由0.8～1.2过程中，NO浓度的生成速率和CO的减少速率较大；在同一温度、同一气氛和同一过量空气系数下比较，O2/N2气氛下NO的排放量总是大于O2/CO2气氛，O2/CO2气氛下CO的排放量总是大于O2/N2气氛。

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Experimental Investigation on NO Emission Characteristic During Pulverized Coal Combustion in O2/CO2Atmosphere

YUAN Hui， LIU Yanfeng， LIU Xiongwei

(School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

The NO emission of pulverized coal during the combustion in the O2/N2atmosphere and O2/CO2atmosphere was studied by using the sedimentation furnace test bed. The effects of the CO2concentration, temperature and excess air concentration on the NO emission characteristics of single coal and mixed coal were discussed. The results show that the NO content of the pulverized coal is lower than that of the O2/N2combustion atmosphere, and the decrement of the NO content in the O2/CO2atmosphere is about 30%～35%. When the CO2concentration changes from 20% to 50%, the amount of NO produced in the selected coal gradually decreased, and the change range is not large; with the rising pulverized coal combustion temperature, the selected coal in the two kinds of atmosphere combustion NO content increased, and the increase of NO emission concentration is more obvious in the O2/N2atmosphere. When the temperature reaches 1 200 ℃ and 1 500 ℃, it can be seen that the slope of the NO emission curve varies tremendously. With the increase of the excess air coefficient α, in these two atmospheres, the NO production also showed a rising trend.

O2/CO2atmosphere; NO emission concentration; pulverized coal combustion; CO emission concentration

2017-06-30。

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.12.007

TK161

A

1672-0792(2017)12-0038-06

原辉(1993-)，男，硕士研究生，研究方向为电站锅炉清洁煤燃烧。