燃烧组织方式对烟煤-兰炭二元层燃过程中NOx生成特性的影响*

高昕玥 刘成昌 翁君杰 袁世震 赵鹏勃 王超伟 王长安 车得福

(1.西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，710049 西安；2.宁波明州热电有限公司，315000 浙江宁波；3.金华宁能热电有限公司，321081 浙江金华；4.西安西热锅炉环保工程有限公司，710054 西安)

0 引 言

长期以来我国能源结构中煤炭占比极高[1]，虽然随着能源结构调整，我国煤炭消费在整体能源消费结构中占比将逐渐下降，但短期内以煤为主的能源结构不会发生根本改变[2]。因此，需进一步加强煤炭高效清洁利用方面的研究[3-4]。分质梯级利用是煤炭清洁化高效利用方式之一，但若不处理生产中产生的兰炭及气化飞灰等副产品，将会造成严重的浪费和污染[5-7]。工业层燃炉燃烧稳定、分布广泛并可灵活布置，在层燃过程中掺烧兰炭有助于解决上述问题。因此，研究层燃过程中烟煤与兰炭间的高效燃烧组织方式具有重要意义。

国内外许多学者对层燃过程的氮氧化物生成机理[8]与控制技术进行了大量研究。季俊杰等[9]研究认为层燃炉上空气与燃料分级燃烧技术均可降低NOx排放。CAI et al[10-12]通过实验和数值模拟发现解耦燃烧可降低NOx排放。邓睿渠等[13]发现层燃过程中碳层对NOx有着很好的还原效果。GREUL et al[14]研究发现燃料分级或再燃烧可减少NOx排放。HARDING et al[15]研究发现总固定氮的形成与燃料类型和化学计量比密切相关。YANG et al[16]研究认为引入循环烟气可抑制NO的排放。SCHNELLE et al[17]研究发现二次风控制NOx排放效果最好。张敏等[18]发现减少炉内过量空气系数可增强焦炭对NOx的异相还原作用。STARLEY et al[19]的研究表明氮的生成速率与碳的氧化速率接近。GUO et al[20]研究发现稳定燃烧过程中NOx的排放仍有较大波动变化。HABIB et al[21]认为炉内平均温度和NOx浓度随着过量空气系数的增加而降低。JANCAUSKAS et al[22]研究发现增加一次风再循环比也可降低NOx排放。NETZER et al[23]则针对层燃开发了可预测热解及燃烧的计算软件。目前，层燃低氮燃烧技术主要围绕单煤种或生物质进行，关于两种不同特性燃料掺混燃烧和不同燃烧组织方式对NOx生成特性变化规律的研究较少。

本实验通过双床套管式实验系统模拟不同特性燃料掺混层燃过程，研究不同燃烧组织方式不同掺混比例下兰炭与烟煤二元掺烧过程中NOx生成特性和燃烧效果，以期为提高兰炭等副产物的利用效率和降低NOx生成提供参考。

1 实验部分

1.1 实验系统

选取枣泉烟煤(ZQ)和陕化兰炭(LT)作为实验样品，将其破碎后筛分选出粒径小于125 μm的样品颗粒。实验开始前将所需样品平铺并放置于干燥箱中在105 ℃下干燥24 h，样品的工业分析和元素分析如表1所示。燃烧实验在如图1所示的套管式双床燃烧实验系统上进行，该反应器分为内外两层，外管的内径为50 mm，内管的内径为30 mm，管式炉恒温段长度为20 cm。实验时石英孔板上放置石英滤膜，煤样放置于石英滤膜上。通过配气方式提供燃烧与热解反应所需要的气氛，从而模拟不同配风与燃烧组织方式。

图1 双床套管式反应器实验系统

表1 样品的工业分析和元素分析

1.2 实验方法

实验开始前，开启电加热系统直到管式炉温度达到设定值，打开相应阀门，通入实验所需的气体对管路进行吹扫，利用电子天平称取煤样，将煤样均匀地平铺在石英滤膜上，调节好反应器气路后进行实验。图2所示为不同燃烧组织方式气流流向分布。当进行煤样的直接燃烧时，如图2a所示，燃烧所需的气体由(1)进入，燃烧后烟气由(2)排出，进入烟气分析仪检测。当进行空气分级燃烧时，如图2b所示，主燃区燃烧所需的气体由(1)通入，二次燃烧所需要的气体由(2)进入，调节(1)(2)之间的气体流量能够实现主燃区不同一次风当量比的燃烧，燃烧后烟气由(3)排出，进入烟气分析仪检测。当进行热解气还原燃烧实验时，如图2c所示，兰炭置于内管石英隔板上，热解的烟煤置于外管石英隔板上，燃烧兰炭所需气体从(1)进入，热解所需气体从(3)进入，燃烧产生烟气与热解气在两石英隔板之间进行还原反应，燃烧烟气从(2)排出，进入烟气分析仪检测。当进行焦炭还原烟气实验时，如图2d所示，烟煤放置于内管石英隔板上，兰炭放置于外管石英隔板上，燃烧所需气体从(1)进入，烟煤燃烧烟气通过兰炭，燃烧烟气最终经(2)排出，进入烟气分析仪检测。当进行非预混燃料燃烧时，实验所用两种样品都放置于图2中传统燃烧的石英隔板1上，烟煤在上，兰炭在下，样品间用石英滤膜隔开，燃烧所需气体从口(1)进入，燃烧烟气经(2)排出。

图2 不同燃烧组织方式气流流向

为研究掺混方式对混合燃料NOx生成规律的影响，当进行预混燃烧时，将两种燃料放入石英隔板1前充分混合，然后将混合燃料放在石英隔板上；当进行非预混燃烧时，将两种燃料用石棉网隔开放在石英隔板1上。在1 000 ℃下通过预混和非预混两种方式掺混烟煤与兰炭，混合样品总质量为0.4 g，兰炭掺混质量分数分别为0%，25%，50%，75%及100%。

为研究一二次风在空气分级条件下对NOx生成曲线的影响，实验设置一次风当量比分别为0.6，0.7，0.8，0.9和1，燃烧温度为1 000 ℃，兰炭掺混质量分数分别为0%，25%，50%，75%及100%。

在研究气化气再燃条件下NOx生成曲线时，实验设置气化气氛为O2/N2(O2体积分数分别为0%，3%，5%，7%)，0.3 g兰炭与质量分别为0 g，0.1 g，0.15 g，0.2 g，0.3 g的烟煤在1 000 ℃下进行燃烧。

在研究四种燃烧组织方式随温度变化的氮转化率变化规律时，烟煤与兰炭按质量比1∶1掺混，总质量为0.4 g，燃烧温度分别为800 ℃，900 ℃，1 000 ℃，1 100 ℃，1 200 ℃。

为研究不同燃烧组织方式下氮转化率变化规律，实验设置燃烧温度为1 000 ℃，兰炭掺混质量分数分别为0%，25%，50%，75%和100%。

1.3 数据处理方法

层燃炉燃烧温度较低，燃料型NOx的生成占绝对权重，因此本研究重点为燃料型NOx。燃料氮经由挥发分氮或焦炭氮向NOx转化的转化率定义为挥发分或煤焦燃烧产生的NOx所含的氮元素与原煤中氮元素的质量比，可以通过式(1)计算出氮转化率xNO。一般来说，煤燃烧产生的氮氧化物主要包括NO和N2O及NO2，由于在层燃过程中燃烧温度较低，生成的氮氧化物主要为NO，因此在本文中主要讨论NO。氮转化率的计算公式如下：

(1)

式中：F为烟气的体积流量，L/s；t0为开始测量时刻，s；Δt为测量时间，s；cNO为燃烧过程中生成NO的体积浓度，μL/L；m为试样质量，g；w(Nd)为试样干燥基氮元素质量分数，%；xNO为燃料氮向NO转化的转化率。

2 结果与讨论

2.1 掺混方式对氮转化率的影响

通过预混和非预混掺混不同比例的烟煤和兰炭，混合燃料燃烧后NOx的生成曲线如图3所示。由图3可知，在混合燃料中烟煤比例较大时，NOx生成曲线呈现明显的双峰结构，分别代表挥发分燃烧过程和固定碳燃烧过程NOx的生成特性曲线。在煤燃烧初期挥发分快速逸出并迅速燃烧，NOx的排放浓度快速达到峰值，随后热解初期生成的中间产物(如HCN，NHi等)之间发生还原反应，因此，NOx的排放浓度相应减小。随着燃烧的进行，煤焦中的焦炭氮被环境中的氧气氧化，NOx的体积浓度在煤焦燃烧过程中达到最大值。由图3可以看出，兰炭单独燃烧时氮转化率明显高于烟煤单独燃烧时的氮转化率。因此，随着兰炭在混合燃料中的比例增大，NOx的峰面积增大。

图3 燃料在不同掺混方式下燃烧NOx的生成曲线

两种掺混方式下的氮转化率如图4所示，随着混合燃料中兰炭含量增加，燃料燃烧的氮转化率在两种掺混方式下均有所升高。无论是烟煤还是兰炭在单独燃烧时，采用预混方式和非预混方式的氮转化率不相上下。同一掺混比例条件下，采用预混方式的混合燃料的氮转化率较高，非预混条件下的氮转化率较低。这是因为采用预混方式时两种燃料混合较为均匀，在燃烧过程中几乎可以认为混合燃料为一种燃料，采用非预混方式时，两种燃料因为不均匀的混合可能存在一定的分层，燃料的分层导致后燃烧的燃料产生的烟气中的NOx可能会被先燃烧的燃料的烟气还原。因此，预混方式下混合燃料的氮转化率更高。

图4 不同掺混方式燃烧下的氮转化率

2.2 一二次风比例对氮转化率的影响

图5所示为不同一次风当量比下不同掺混比例的混合燃料的NOx生成特性曲线。随着兰炭掺混比例的提高，混合燃料中固定碳含量相应增大，图5中第一个峰的峰面积逐渐减小，燃料燃尽的时间增大。一次风当量比较小会导致层燃燃烧初期主燃区燃料在贫氧条件下发生热解及气化反应，而分级配风可在炉膛内营造还原性氛围，有助于降低燃烧过程中NOx的生成量。不同于过去传统燃烧方式下NOx的生成特性，当烟煤在一次风当量比为0.6时单独燃烧，挥发分的峰值大于焦炭的峰值。原因为除了烟煤挥发分含量较高外，在空气分级燃烧中主燃区一次风当量比低可促进烟煤的热解与气化，从而导致热解产生的挥发分与气化气燃烧过程消耗的燃料占总燃料量的大部分，燃烧主要过程为气体燃烧，故而气相燃烧过程的NOx峰值与峰面积大。当主燃区一次风当量比较小时，在贫氧条件下燃料的热解和气化会反应掉煤焦中的部分固定碳，导致固体焦炭中剩余的碳含量相应下降。因此，焦炭燃烧后期所生成的NOx含量减少。

图5 空气分级条件下NOx生成曲线

同时，根据图5可知，随着主燃区一次风当量比增大，第一个峰的峰值与峰面积逐渐减小。因为在其他条件相同时，主燃区一次风当量比小使燃料燃烧所处环境的贫氧程度更深，热解产生挥发分与热解后产生焦炭的燃烧过程有更明显的区分。主燃区随着一次风当量比的增加而处于氧化性氛围，挥发分峰的峰值与峰面积逐渐减小。当主燃区一次风当量比为1时，挥发分峰的峰值与峰面积达到最低。

空气分级燃烧的氮转化率变化如图6所示。由图6可知，在同一一次风当量比下，氮转化率随着兰炭掺混比例的升高而升高。混合燃料采用掺混方式时，主燃区一次风当量比最小时燃烧的氮转化率最低。因为主燃烧区一次风当量比较小时，燃料产生的烟气处于还原气氛，在挥发分与贫氧热解产生热解气体的还原作用下促进已经生成的NOx的还原。但在相同掺混比例下，主燃区一次风当量比为1时，混合燃料燃烧氮转化率并未达到最高。这是因为在空气分级条件下挥发分和焦炭的燃烧是氮氧化物的主要来源。燃料在高温下贫氧燃烧，当主燃区一次风当量比较小时，已生成的NOx能被产生的大量还原性气体还原，燃料燃烧产生的还原性气体随着主燃区一次风当量比的升高而减少。同时，还原热解气可在遇到二次风后迅速燃烧，从而无法达到还原效果。因此，在主燃区一次风当量比为1时，燃烧初期所产生的还原性气体还原了一部分燃烧生成的NOx，从而氮转化率并未达到峰值。

图6 空气分级燃烧的氮转化率分布

2.3 气化气再燃对氮转化率的影响

为研究热解气化气对燃烧烟气中NOx的还原效果，采用烟煤热解气还原兰炭燃烧所产生烟气中的NOx，对比在不同氧体积分数的微氧化气氛条件下热解气对NOx的还原效果。图7所示为在氧体积分数不同的O2/N2气化气氛下，兰炭与不同质量烟煤燃烧NOx生成特性曲线。由图7可知，在热解气还原条件下NOx排放曲线呈单峰结构。因为兰炭挥发分含量低，其燃烧产生的烟气流出后受到热解产生的还原性气氛热解气的还原，排放曲线仅有一个峰。随着微氧化气氛中O2体积分数的升高，各工况下NOx排放曲线的峰值先降低后升高，峰面积均下降。因为在微氧化环境中的氧气为烟煤的微氧化气化提供了更充分的气氛条件，产生的还原性气体增加，兰炭燃烧烟气中NOx的还原得到加强。当O2体积分数提高到7%时，产生的还原性气体与氧气反应，因此NOx的还原效果变差。气化气再燃的氮转化率分布如图8所示。在热解气还原的不同燃烧工况中，在氧气体积分数低于(包括)5%时，随着气氛中O2体积分数的升高，燃料的氮转化率逐渐降低。当热解气氛中O2体积分数升高至7%时，燃料的氮转化率提高。因为随着微氧化气氛中O2体积分数增加，烟煤的热解逐渐脱离还原性气氛，热解产生的还原性气体被氧气氧化。因此，气化气再燃造成兰炭燃烧生成的NOx还原量降低，同时烟煤热解气燃烧产生的挥发分氮增多，从而氮转化率升高，造成随着O2体积分数升高氮转化率先减小而后增大的现象。O2/N2气氛下各个工况热解气再燃条件下，随着烟煤质量的升高，氮转化率降低，因为提高烟煤质量促进了更多还原性基团的生成，在燃烧过程中还原生成NOx。

图7 气化气再燃条件下的NOx生成曲线

图8 气化气再燃条件下的氮转化率

2.4 燃烧温度对氮转化率的影响

随着温度的变化，四种燃烧组织方式下的氮转化率变化如图9所示。由图9可知，不同的燃烧组织方式下，在800 ℃到1 000 ℃之间氮转化率较高，并且氮转化率随着温度的升高而大大降低。在温度较低时煤焦燃烧速率低，但实验中的氧气供给足够煤焦在温度相对较低时在氧化性气氛下燃烧，因此煤焦中的氮元素被氧化生成NOx。当温度升高后，煤焦在高温下快速燃烧，氧气供给无法满足燃烧的需氧量，燃料在贫氧条件下燃烧，在温度较高时能营造出还原性更强的燃烧气氛，从而促进更多生成的NOx被还原。在不同工况下，900 ℃时氮转化率最高。因为在层燃过程中，900 ℃时燃料燃烧过程中NOx的转化率较高，同时该温度下焦炭与热解产生的还原性挥发分气体对烟气中已经生成的NOx的还原率并不高。而当热解温度继续升高至1 000 ℃，1 100 ℃，1 200 ℃时，各燃烧方式下燃料氮转化率均呈现显著降低的趋势。因此，不同燃烧组织方式下燃料燃烧过程中氮转化率的变化趋势具有一定相似性。随着燃烧温度的升高，氮转化率先升高，然而随着温度持续升高，还原性气氛在炉内形成，氮转化率相应降低，氮转化率出现最大值时所对应燃烧温度为900 ℃。

图9 不同温度条件下的氮转化率

2.5 不同燃烧组织方式下的氮转化率

不同燃烧组织方式下的氮转化率变化如图10所示。由图10可知，在掺混比例相同时，预混燃烧与空气分级燃烧的氮转化率较高，非预混燃烧和热解气再燃的氮转化率较低，其中焦炭再燃方式下的氮转化率最低。烟煤单独燃烧时，空气分级燃烧方式的氮转化率最高，因为烟煤挥发分含量高，该燃烧组织方式促进挥发分燃烧，从而增大挥发分的氮转化率。当混合燃料燃烧时，在焦炭还原燃烧烟气下的氮转化率最低，非预混燃烧与焦炭还原燃烧的还原效果相似。由于非预混燃烧将烟煤与兰炭用石英滤膜隔开置于反应器中，其燃烧过程与焦炭还原烟气的燃烧方式有一定的相似性，层燃燃烧过程的表面燃烧烟气通过燃料层时，烟气中的NOx在高温下被还原。气化气再燃过程中热解气与高温烟气混合，烟气中一部分NOx被还原。焦炭再燃过程中，烟气在高温下穿过焦炭层时，烟气中部分NOx被还原，两种燃烧组织方式由于再燃燃料的还原作用，氮转化率均明显降低。预混燃烧烟气中的氮转化率最高，这是因为两种燃料提前预混，燃烧过程中均匀的燃料燃烧特性导致烟煤的挥发分析出燃烧与兰炭和烟煤热解所余焦炭燃烧过程相互独立，相互之间的还原效果降低，因此该燃烧组织方式下具有较高的氮转化率。

图10 不同燃烧组织方式下的氮转化率

3 结 论

1) 非预混条件下燃料的分层效果会使得烟气中NOx被还原，因此同一掺混比例条件下预混燃烧的氮转化率高，非预混燃烧的氮转化率低。空气分级燃烧时，主燃区一次风当量比较小会使挥发分燃烧与焦炭燃烧两个过程区分度更高，燃料在贫氧条件下发生气化反应生成的气化气会促进还原燃烧生成NOx。

2) 气化气再燃时，O2体积分数由0%升至5%燃烧过程中燃料的氮转化率逐渐下降，而当O2体积分数升高至7%时，氮转化率有所升高。温度对焦炭燃烧过程中NOx排放的影响明显，氮转化率最高时所对应的温度为900 ℃左右。在同一掺混比例下，预混燃烧与空气分级燃烧的氮转化率较高，燃料在焦炭再燃方式下的氮转化率最低。