典型越南无烟煤热动力学特性研究及NOX排放测试

康 开，项群扬，茅建波，乐亚表，裘立春

（1.浙江浙能电力股份有限公司，杭州 310007；2.浙江浙能技术研究院有限公司，杭州 311121；3.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014；4.浙江省电力建设有限公司，浙江 宁波 315012）

0 引言

越南是无烟煤的主要生产国家，无烟煤产量位列世界第三，生产的大量无烟煤用于出口中国、日本和韩国等地区。近年来，随着国内外煤炭价格的变动，许多沿海发电厂开始燃用进口越南无烟煤。同时，在国内设备制造厂和电力设计院海外市场的开拓过程中，依据当地煤质进行锅炉的选型和设计也是较为关键的研究课题。燃用越南无烟煤对锅炉的设计和生产仍有不小的挑战，例如越南某发电厂2台300 MW亚临界锅炉，设计上选用越南北方生产的无烟煤，其干燥无灰基挥发分仅为4.94%，在试运行期间出现了燃烧不稳﹑炉膛负压波动较大等问题[1]。

因此，越南无烟煤的燃烧特性是锅炉选型和设计需要考虑的重要问题，以下结合热重试验结果对越南无烟煤的燃烧动力学进行分析，并通过越南某600 MW燃用越南无烟煤的“W”型火焰锅炉的试验，研究其NOX排放特性。

1 越南无烟煤热动力学特性研究

1.1 元素分析和工业分析结果

研究所选用的越南无烟煤和其他3种常见对比煤种的工业分析、元素分析及发热量参数如表1所示。通常认为越南无烟煤的煤质指标中Mad（空气干燥基水分，以下简称空干基水分）一般在2%～3%，Aad（空干基灰分）在 15%～40%；Vadf（干燥无灰基挥发分）在6%～14%[2]。根据表1结果，研究所选用的越南无烟煤具有比较典型的无烟煤特性，主要表现为：

（1）超低的挥发分，折算后的Vdaf小于10%，低于国内常见的阳泉无烟煤，更不容易着火。

（2）Oad（氧含量）远小于一般的煤种，该氧含量一般在8%左右。

（3）超低的水分，Mad仅在2%～3%的水平，远小于一般的烟煤含水8%～20%的水平。

（4）越南无烟煤的灰分高， Aad为 31.58%，远大于阳泉无烟煤的14.16%，更不利于燃尽[3]。

表1 4种煤种的工业分析、元素分析及发热量

1.2 热重分析结果

越南无烟煤的TG（热重分析）曲线见图1。通过分析该样品的TG曲线，显示越南无烟煤在热失重初期有一个失重阶段，这是原煤空干基下的水分蒸发引起的，这个结果与表1中样品的含水量相吻合，该过程在150℃内完成。失水过程结束后，煤粉的孔隙增大，随着温度的提升，燃烧反应加快，煤样快速吸收氧气，TG曲线小幅上升。随着温度进一步提升，各样品进入迅速失重阶段，煤中的挥发分开始析出燃烧，呈现半焦燃烧，此时TG曲线出现急剧下降，而当煤中的可燃物质燃尽后，TG曲线保持水平状态。

图1 越南无烟煤TG曲线

1.3 动力学分析

热分析动力学是一种研究物质的物理变化和化学反应机理的方法。煤粉的反应活化能E是反映煤粉着火和燃烧性能的重要参数。由于试验中采用程序升温法对煤粉燃烧进行不定温法研究，因此需对TG曲线使用Coats－Redfern积分法进行动力学分析，得到不同煤种的燃烧反应动力学参

数[4－6]。

越南无烟煤与国内常见褐煤、烟煤和无烟煤的燃烧动力学参数对比见表2，Ti表示着火温度，Th表示燃尽温度，Tmax表示最大燃烧速率温度，E表示燃烧反应活化能。越南无烟煤的表观活化能E 达到 153.3 kJ/mol，比阳泉无烟煤高 10.7 kJ/mol，说明越南无烟煤更难以着火，燃烧反应性能较差，其着火燃烧特性低于阳泉无烟煤[7－13]。

表2 4种煤样的燃烧特征参数

Ti是研究燃料燃烧的重要指标，比较直观地反映出样品的着火特性，一般Ti越低，煤粉越容易着火。由表2可以看出，越南无烟煤的Ti为553.9℃，大于中国阳泉无烟煤，Tmax也符合这个规律。Ti主要受煤中挥发分多少的影响，一般挥发分含量越大，煤中的碳颗粒相对也越容易被点燃[14]。

Th定义为煤中可燃物质燃烧到98%时对应的温度，可以比较直观地反映样品的燃尽性能。样品的Th也符合“越南无烟煤＞阳泉无烟煤”的规律，挥发分析出燃烧时产生的热量有助于焦炭的着火，同时，挥发分的析出在一定程度上疏松了煤粉，增加了煤粉的内部孔隙，使O2的渗入和扩散变得容易，加快了化学反应速度，促使燃尽更加容易，因而越南无烟煤的Th更高。

通过以上分析，在基于越南无烟煤的锅炉，尤其是制粉系统和燃烧系统设计过程中，需要考虑该煤种难着火和难燃尽的特点。

2 越南无烟煤NOX排放试验

2.1 锅炉概况

越南某发电厂2台600 MW锅炉是引进美国B&W公司技术的产品。锅炉为单炉膛平衡通风、中间一次再热、亚临界参数、自然循环单汽包锅炉。设计煤种为越南无烟煤。燃烧制粉系统采用双进双出直吹式钢球磨制粉系统，热风送粉，“W”形火焰燃烧方式，并配置专门用于燃用低挥发分燃料的浓缩型低NOX，HALF－PAX双调风旋流燃烧器。锅炉本体采用半露天岛式布置，固态排渣，全钢架结构，在尾部竖井下设置2台三分仓容克式空气预热器。

2.2 试验煤质

试验期间的煤质情况如表3所示，其中工况1－3为100%负荷率，工况4－5为75%负荷率。

表3 试验期间燃用煤种煤质分析

2.3 NOX和CO排放情况

试验期间对空预器入口的氧量情况和CO排放情况进行实测。结果表明，试验期间空预器入口氧量基本保持稳定，维持在4.5%～5%；同时烟气中CO浓度很低，均未超过20 μL/L，此时烟气未燃可燃物损失已接近零[15]。

试验测量得到的各工况下炉膛出口NOX浓度如表4所示。在额定负荷工况下，炉膛出口的平均NOX浓度约为1 200 mg/m3（已换算为标准状况下，以下同），在75%负荷下炉膛出口的平均NOX浓度约为1 000 mg/m3。该结果显示该锅炉NOX排放值与其它“W”型火焰锅炉燃用低挥发分煤种时的 NOX排放值比较接近[16－18]。

表4 炉膛出口NOX浓度

图2为CO和NOX排放浓度随负荷的变化关系，当负荷从额定负荷下降时，NOX排放浓度明显降低，CO排放浓度稍有上升，但仍处于极低的水平。

图2 CO和NOX排放浓度随负荷的变化关系

3 结论

（1）通过越南无烟煤的挥发分、含氧量、灰分等参数可知：越南无烟煤具有极难着火和难以燃尽等特点。通过进行热重试验得到越南无烟煤的着火温度 Ti为 553.9℃， 燃尽温度 Th为 727.4℃，表观活化能E达到153.3 kJ/mol；与国内常见煤种对比后发现，越南无烟煤比中国阳泉无烟煤还难以着火和燃尽。

（2）对燃用越南无烟煤的越南某600 MW锅炉进行NOX排放测试，在额定负荷工况下，炉膛出口的平均NOX排放浓度约为1 200 mg/m3，在75%负荷下炉膛出口的平均NOX排放浓度约为1 000 mg/m3。