粒径对贫煤空气分级NOx排放特性影响的试验研究

2021-11-17王勇强周月桂

动力工程学报 2021年11期

王勇强，陆方，周月桂

(上海交通大学机械与动力工程学院，热能工程研究所，上海 200240)

目前，燃煤发电仍是我国电力工业的主要组成部分，锅炉炉内煤粉燃烧过程不仅会影响锅炉效率，也会影响烟气中污染物的排放。除了燃烧方式、燃烧器结构等因素外，煤粉本身的煤质特性和物理结构也会影响其着火、燃烧和燃尽过程。煤粉粒径是煤粉物理结构中一个重要参数，决定着煤粉颗粒的几何形状、比表面积、孔隙结构和成分分布等。因此，研究煤粉粒径对煤粉着火、燃烧及污染物排放特性的影响尤为重要。

许多学者采用实验和模拟方法研究了粒径对煤粉物理化学特性的影响[1-5]。Yu等[4]和Jiang等[5]研究了煤粉细度对煤粉物理结构特性的影响，随着煤粉细度的减小，其比表面积和孔隙率增加，煤粉燃烧过程中细煤粉颗粒受热升温速率更快，更迅速地脱出挥发分并着火。张骁博等[6]对比了4种粒径煤粉的工业分析结果后得出，在研磨过程中随着煤粉细度减小，挥发分含量略有升高，对煤粉的热解、着火和燃烧有积极影响。毛晓飞等[7]采用同步热分析仪研究了不同粒径无烟煤煤粉的着火和燃尽特性，结果表明随着煤粉粒径减小，煤样着火温度和燃尽温度均有下降趋势，煤样的综合燃烧特性指数增加。

Hao等[8]采用一维试验炉研究了煤粉粒径对不同煤种NOx排放的影响，结果表明褐煤、烟煤和贫煤均存在临界粒径，此粒径条件下煤粉燃烧NOx排放最高。空气分级燃烧技术是一种应用最广泛的低NOx燃烧技术[9-11]，煤粉粒径变化势必会影响空气分级燃烧和污染物生成特性。Sung等[12]采用沉降炉进行4种粒径(52～107 μm)下烟煤煤粉空气不分级和分级燃烧试验，结果表明随着粒径减小，不分级燃烧条件下NOx排放逐渐增加，而空气分级燃烧条件下NOx排放基本保持不变。Fan等[13]采用电加热沉降炉研究了煤粉粒径对无烟煤空气分级燃烧条件下NOx排放的影响，在浅度空气分级燃烧条件下煤粉细度越小，NOx排放越低，在深度空气分级燃烧条件下煤粉细度的影响较小。

研究表明，煤粉粒径不仅影响炉内煤粉的着火和燃烧过程，同时影响炉内烟气组分含量和燃料氮的释放与转化过程，是影响炉内煤粉燃烧和NOx排放特性的重要参数。目前，我国煤炭资源分布中低挥发分煤的储量较多，且价格便宜，但在实际燃用贫煤的电站锅炉中存在炉膛NOx排放量超标、飞灰含碳量较高等问题。笔者针对煤粉粒径对贫煤燃烧和NOx排放特性的影响，采用煤粉燃烧自维持一维试验炉进行了单级和多级空气分级燃烧试验，探求适用于低挥发分贫煤高效清洁燃烧的粒径参数和空气分级燃烧级数。

1 试验系统

1.1 煤粉燃烧自维持一维试验炉系统

图1为煤粉燃烧自维持一维试验炉系统示意图。该系统由一维试验炉本体、给粉系统、燃烧器系统、空气供给系统、烟气处理系统、仪表控制和测量系统等组成。一维试验炉内径为0.2 m，本体分为4段，燃烧室总高度为3.6 m。旋流燃烧器布置在一维试验炉顶部，旋流数为1.27，直流一次风携带煤粉进入炉膛，旋流二次风提供煤粉燃尽所需空气，形成的回流区能有效促进煤粉着火和稳定燃烧。采用称重式螺旋给粉机送粉，煤粉在炉内停留时间约为3.5 s，保证煤粉颗粒在炉内充分燃烧。沿炉膛高度方向布置有9个B分度热电偶，用于测量炉内沿程烟气温度。试验在没有外部电加热或天然气伴热的情况下实现煤粉自维持稳定燃烧，详细介绍参见文献[14]。

1.2 试验煤种及工况设计

试验选用河南长平贫煤，其元素分析、工业分析及低位发热量见表1。该煤种的干燥无灰基挥发分质量分数为11.89%，属于典型贫煤。图2为4种不同粒径煤粉的粒径分布曲线。粒径分布曲线符合Rosin-Rammler分布，并用平均粒径Dp来表征各个煤样粒径的大小。4种煤粉平均粒径Dp分别为22.78 μm、29.81 μm、51.98 μm和110.50 μm，对应的均匀性指数分别为1.53、1.00、0.88和0.88，煤粉细度R90分别为0.03%、4.80%、19.80%和43.41%。

长平贫煤的软化温度为1 420 ℃，在试验过程中合理控制炉内截面热负荷和温度水平，燃烧时煤粉燃烧自维持一维试验炉系统的热功率调整为15 kW，此时炉内最高烟气温度低于1 400 ℃，既可以保证煤粉充分着火燃烧，又可避免局部高温结渣。试验给煤量为2.16 kg/h，一次风风率为20%。在炉底位置采用水冷取样枪等速抽取炉内烟气，高温烟气经冷却后进入MRU Vario Plus烟气分析仪，测量烟气中O2、CO2、CO和NOx等组分浓度，烟气分析仪传感器参数如表2所示。试验中总过量空气系数αT=1.2保持不变，改变主燃区过量空气系数αM和燃尽区过量空气系数αB，研究单级空气分级燃烧条件下不同空气分级深度对煤粉燃烧和NOx排放特性的影响。同时，在保持主燃区过量空气系数αM=0.85不变的条件下，选取不同燃尽风喷口位置比Ms和燃尽风风量配比λi，进行单级、两级、三级和四级空气分级燃烧试验，探讨多级空气分级燃烧进一步降低贫煤燃烧NOx排放的可行性。αM、αB、Ms和λi等参数的定义见文献[14]。单级空气分级和多级空气分级燃烧试验工况分别如表3和表4所示。

图1 煤粉燃烧自维持一维试验炉系统示意图

表1 长平贫煤工业分析和元素分析

图2 长平贫煤煤粉粒径分布Fig.2 Particle size distributions of Changping lean coal

表2 烟气分析仪传感器参数

2 结果分析与讨论

2.1 单级空气分级燃烧条件下煤粉粒径的影响

图3为单级空气分级燃烧时，不同αM条件下煤粉粒径对烟气组分的影响。从图3可以看出，在空气不分级(αM=1.20)条件下，煤粉完全燃烧时O2体积分数理论值应为3.5%，而各工况实际测量的O2体积分数要高于该值，表明煤粉在炉内燃烧不完全。随着煤粉粒径的减小，炉膛出口O2体积分数逐渐降低。一方面煤粉粒径减小，煤粉颗粒比表面积增加，焦炭更容易与O2接触，在相同燃烧条件下细煤粉的燃烧速率更快；另一方面，较大粒径的煤粉颗粒在燃烧过程中会在颗粒表面形成灰层，阻碍燃烧后期焦炭与O2的接触，焦炭燃烧速率降低。因此，在相同条件下，煤粉粒径减小后煤粉燃烧速率提高，O2消耗速率增加，炉膛出口O2体积分数更低。图3(c)中，不同煤粉粒径条件下CO2体积分数的变化趋势与O2体积分数变化趋势相反，即随着煤粉粒径的减小，炉膛出口CO2体积分数增加，表明随着煤粉粒径减小，煤粉燃烧更完全，燃尽率更高。该结论也可以从图4中煤粉燃尽率随煤粉粒径的变化规律中得到。同时，具有较快燃烧速率的细煤粉颗粒，其不完全燃烧生成的CO体积分数也较高，炉膛出口CO体积分数增加。在空气不分级条件下，细煤粉颗粒燃烧速率更高，迅速在炉内形成低氧氛围，抑制了炉内NOx生成，并促进了已生成NOx的均相异相还原反应。

表3 不同主燃区过量空气系数下单级空气分级燃烧试验工况

表4 多级空气分级燃烧试验工况

(a) O2体积分数

试验结果表明，随着煤粉粒径减小，空气分级燃烧时炉膛出口O2体积分数、CO体积分数、CO2体积分数和NOx质量浓度的变化趋势与空气不分级燃烧时基本一致。与空气不分级燃烧相比，在空气分级燃烧条件下主燃区过量空气系数较低，O2供给量较少，煤粉燃烧初期消耗O2导致主燃区迅速形成低氧还原性气氛，此时存在较强的焦炭气化反应，同时焦炭颗粒在还原区停留时间增加，生成更多的CO。通入燃尽风后，CO的气相燃烧速率比焦炭高，残余的CO迅速消耗燃尽风中的O2，O2体积分数迅速降低。因此，随着过量空气系数的减小，煤粉燃烧后O2体积分数更低。与此同时，CO2体积分数较高，但CO体积分数变化不大。同时从图3(a)可以看出，在深度空气分级条件下(αM=0.85、0.70)，尽管随着煤粉粒径减小，O2体积分数逐渐降低，但此时O2体积分数的降低幅度有限，表明深度空气分级和煤粉粒径减小都有利于煤粉燃尽，但贫煤灰分含量较高，焦炭活性较差，难以燃尽，最终O2体积分数维持在4.2%左右。

采用空气分级燃烧后，主燃区和还原区由氧化性气氛转变为还原性气氛，抑制了煤粉燃烧初期NOx的生成，炉膛出口NOx质量浓度随着αM的减小而降低。在单级空气分级燃烧条件下，煤粉粒径对NOx质量浓度的影响规律与空气不分级燃烧条件下一致，即随着煤粉粒径的减小，NOx质量浓度逐渐降低。与空气不分级燃烧相比，空气分级燃烧条件下随着煤粉粒径减小，NOx质量浓度的降低速率较快。空气不分级燃烧条件下，尽管细煤粉会迅速消耗O2，降低了主燃区O2体积分数，但由于二次风量供给充足，此时还原区的O2体积分数仍会维持在4%～5%[15]，呈现氧化性气氛，焦炭燃烧过程中焦炭氮释放后迅速生成NO。而在空气分级燃烧条件下，主燃区呈现低氧还原性气氛，细煤粉迅速燃烧更容易形成较高体积分数的CO，有利于抑制焦炭燃烧生成NOx。因此，在细煤粉粒径条件下炉内还原性气氛增强，有利于提高炉内碳氢自由基、含氮中间产物(HCN、NH3)的含量，二者与NOx发生均相还原反应，降低炉内NOx质量浓度。此外，细煤粉的粒径较小，比表面积大，焦炭的活性更强，在低氧还原性气氛下焦炭与NOx的异相还原反应增强，最终NOx质量浓度较低。

上述结果与文献[16]中煤粉粒径对神华烟煤分级燃烧NOx排放的影响有所不同。神华烟煤初期燃烧释放较多的挥发分，在深度空气分级时，还原区内的烟气O2体积分数基本为0，此时进一步减小煤粉粒径，对提升还原区内NOx还原效果有限，因此烟煤在深度空气分级燃烧条件下粒径对NOx排放的影响较小。这表明，对于低挥发分煤，为保持主燃区和还原区内较强的还原性气氛，不仅需要满足深度空气分级，同时需要将煤粉磨制较细。

从图4可以看出，随着煤粉粒径的增大，煤粉燃尽率逐渐降低，到平均粒径Dp=51.98 μm处达到最低，随后开始升高。图5给出了单级空气分级燃烧条件下αM=0.85时烟气温度的沿程分布。从图5可以看出，随着煤粉燃烧过程的进行，烟气温度呈现先上升后下降的趋势。当Dp=110.50 μm时，在主燃区烟气温度上升缓慢，且最高烟气温度位置远离燃烧器喷口，即煤粉着火和燃烧延迟。在该条件下燃尽区的烟气温度高于细煤粉燃烧条件下的烟气温度。这表明随着煤粉颗粒粒径增加，煤粉着火和燃烧延迟，煤粉燃烧最剧烈的位置远离燃烧器喷口，这导致实际燃烧过程中主燃区区域增加，还原区区域减小。当Dp增至110.50 μm时，燃尽风提前与焦炭迅速混合，为残余焦炭供氧，促进了煤粉燃尽。

图4 单级空气分级燃烧条件下不同粒径的煤粉燃尽率Fig.4 Burnout ratios of pulverized coal with different particlesizes under single air-staged combustion

图5 单级空气分级燃烧条件下不同粒径煤粉燃烧的烟气温度

2.2 多级空气分级燃烧条件下煤粉粒径的影响

图6给出了多级空气分级燃烧条件下煤粉粒径对烟气各组分的影响，其中NS为空气不分级燃烧工况。首先，多级空气分级燃烧增加了煤粉颗粒在炉内的停留时间，有利于煤粉燃尽，但此时逐级供氧降低了燃尽区内O2体积分数，并且随着燃尽风喷口位置远离燃烧器，燃尽风喷口区域炉内温度逐渐降低，焦炭燃烧速率降低。因此，在多级空气分级燃烧条件下，随着空气分级级数的增加，炉膛出口O2体积分数的变化幅度在0.5%以内。但与单级空气分级燃烧相比，多级空气分级燃烧条件下炉膛出口O2体积分数略有升高，即煤粉燃尽率降低。其次，多级空气分级燃烧在炉内燃尽区形成了低氧还原性气氛，使得焦炭在燃尽区内气化反应增强，CO生成量增加，炉内还原性气氛增强，炉膛出口CO体积分数较高。研究表明，高体积分数的CO促进了CO与NO的均相还原反应，同时低氧还原性气氛也有利于焦炭与NO之间的异相还原反应。因此，多级空气分级燃烧能够降低NOx质量浓度，随着燃尽风级数增加，NOx质量浓度逐渐降低。多级空气分级燃烧条件下，煤粉粒径对NOx质量浓度的影响规律与单级空气分级燃烧不同，整体趋势表现为随着煤粉粒径减小，NOx质量浓度降低，但平均粒径Dp为29.81 μm时的NOx质量浓度比51.98 μm时略高。这可能是由于采用多级空气分级燃烧后，下游燃尽风位置的温度较低，存在大粒径煤粉颗粒燃烧不完全，焦炭氮释放量较少的可能，使得平均粒径Dp为51.98 μm时的NOx质量浓度略低一些，但整体表现为最小煤粉粒径条件下NOx质量浓度最低。根据上述试验结果，建议在实际燃用贫煤的锅炉中，采用两级空气分级燃烧和平均粒径Dp为22.78 μm的细煤粉相结合的燃烧技术方案，可实现较低的NOx排放量，此时NOx质量浓度为597.6 mg/m3，与空气不分级燃烧时(NOx质量浓度为828.89 mg/m3)相比，NOx质量浓度降低了27.9%。