掺烧煤热解气和生物质气对锅炉NOx排放的影响

曾卓雄, 武瑞兵, 袁 卓

(上海电力大学 能源与机械工程学院,上海 200090)

在我国煤炭资源结构中,褐煤、弱黏煤等低阶煤占比巨大。低阶煤具有煤化程度低、挥发分高、发热量低、水分高等特点,若直接作为燃料,不仅能耗高、而且污染物排放量大。以低阶煤为原料,通过低温热解技术将其分解为气、液、固等三相物质,可实现低阶煤的清洁高效梯级利用,具有十分重要的经济价值。生物质气是由生物质在高温下热解或气化产生,具有燃料来源广、碳排放低等优点,是典型的清洁燃料。刘玉华等人[1]在循环流化床预热燃烧系统中实验研究了煤粉预热气中CO/CO2比例对后续燃烧和排放的影响。朱书骏等人[2]研究了神木煤半焦的预热燃烧特性,结果表明,预热过程中焦炭氮有35%被还原成氮气,是预热燃烧降低NOx排放的主要原因。于旷世等人[3]在循环流化床工业气化炉上进行了神华煤及混煤掺烧运行实验,结果表明,该锅炉运行稳定,未出现结渣流失等现象,同时氮转化率高达85.1%,煤气热值为5.59 MJ/m3。杨章宁等人[4]以生物质气为再燃燃料,在50 kW下行炉上进行了生物质气与贫煤、烟煤掺烧实验,结果表明,生物质气与煤粉耦合掺烧可以降低NOx排放,且其与烟煤掺烧相比与贫煤掺烧的降氮效果要好。张小桃等人[5]通过数值模拟研究了燃煤耦合生物质气燃烧时,生物质气喷口位置对锅炉燃烧和NOx排放的影响。

为了更清楚了解煤热解气和生物质气耦合煤粉在锅炉燃烧中的差异,本文研究掺烧不同组分气体条件下锅炉NOx的排放规律。

1 掺烧方法

(1) 基于能量守恒原则,以锅炉额定工况下的入炉燃煤热值Qboiler为守恒标准,按热值确定掺烧比例ω,用煤热解气或生物质气替代,进行煤-气混合掺烧。计算公式为

Qboiler=Qcoal+Qgas

(1)

(2)

式中:Qcoal——入炉煤的总热值,MJ;

Qgas——入炉气的总热值,MJ;

Qnet,ar-gas——单位体积的入炉气热值,MJ/m3;

Qnet,ar-coal——单位质量的入炉煤热值,MJ/kg;

Vgas——入炉气体积,m3;

Bcoal——入炉燃煤质量,kg/s。

(2) 设锅炉燃气喷口的总面积为S,入炉燃气速度为vgas,则

(3)

采用浓淡分离直流型燃烧器和同心反切燃烧技术组织燃烧的某330 MW亚临界锅炉的结构、计算模型及相关边界条件可参考文献[6]。炉膛的宽度、深度、高度分别为14 022 mm,13 640 mm,54 500 mm,坐标原点在冷灰斗底部截面中心。实际计算过程中,掺烧比例ω=10%,入炉燃煤质量Bcoal=37.74 kg/s,过量空气系数α=1.15。燃烧过程中,取锅炉E层的4个喷口作为掺烧煤热解气或生物质气的入口;入炉燃气体积及燃气喷口速度可根据燃气热值的不同计算所得。煤质分析、煤热解气组分[7]和不同生物质组分[8]分别见表1、表2和表3。计算进行了网格无关性验证,将实验结果和数值结果进行了比较[6],吻合较好。

表1 煤质分析

表2 煤热解气组分

表3 不同生物质组分

2 结果与分析

图1为掺混气体燃烧与原煤燃烧对比,其中图1(a)是原煤燃烧、掺烧煤热解气和生物质气的炉膛温度曲线。

图1 掺混气体燃烧和原煤燃烧对比

由图1(a)可知:在0～12.5 m范围内,温度迅速从950 K升高至1 350 K;之后温度上下波动,在25 m处达到1 425 K左右。在25～40 m范围内,温度值较为稳定且下降速度较为缓慢。在40 m及以上高度,温度值下降较快,从1 275 K降至1 100 K。另外,在10～25 m高度范围内,原煤燃烧工况下的温度值比掺烧工况下的温度值稍微高些,而在25～40 m高度范围内,正好相反。原因是E层的燃气喷口位于炉膛高度Z=20 m。由图1(b)可知,锅炉炉膛内的挥发分主要集中在10～20 m范围内析出,喷入燃气后,使得该喷口之上的高度区域的炉膛温度值高于原煤燃烧工况。挥发分质量分数存在2个峰值,第1个峰值大于第2个峰值,这说明挥发分不是均匀、一次性地析出。由图1(c)可知,在20 m以下范围,原煤燃烧工况下CO质量分数从3.75%降低至1%,掺烧煤热解气的CO质量分数缓慢增至1%左右。在20～30 m范围内,三者的CO质量分数都增加了约0.7%,但原煤燃烧工况的值高于掺烧煤热解气和生物质气的工况值。煤热解气和生物质气本身就含有CO,但相比于原煤燃烧,掺烧煤热解气或生物质气的CO质量分数反而较低,原因是CO本身既可以参与燃烧,又可以促进NOx的还原,都会消耗CO,而在掺烧工况下,CO更多地参与了燃烧过程。

图2为原煤燃烧、掺烧煤热解气和生物质气的NOx浓度变化。

图2 原煤燃烧、掺烧煤热解气和生物质气的NOx浓度变化

由图2(a)可知,在20 m及以下范围内,原煤燃烧工况下的NOx浓度值低于掺烧工况下的NOx浓度值;而在20 m以上高度,NOx浓度值正好相反。这是因为煤热解气和生物质气中含有CO,CHi等还原性的物质,可以促进NOx的还原。在32.5 m以上高度,原煤燃烧工况的NOx值远大于掺烧工况条件下的NOx值,而煤热解气和生物质气掺烧条件下的NOx值相差不大。由图2(b)可知,原煤燃烧工况的烟道出口处NOx浓度值为244.2 mg/m3,比掺烧煤热解气时的NOx浓度值高出44.7 mg/m3,比掺烧生物质气时的NOx浓度值高出28.1 mg/m3。

图3是不同组分的生物质气掺烧对NOx排放的影响。

图3 不同组分的生物质气对NOx排放的影响

生物质气的组分有差异,热值也不同,所以入炉气的流量也不同。由图3可知,生物质气的组分差异对NOx生成及排放有影响。生物质气4的NOx浓度值最高,约为227.5 mg/m3,生物质气1的NOx浓度值最低,约199.4 mg/m3。这是因为生物质气4的组分中CHi含量最低,而生物质气1的组分中CHi最高,CHi是促进NOx还原的主要反应基元之一。与原煤燃烧相比,掺烧生物质气都可降低NOx排放,是因为掺烧生物质气不仅可直接节省锅炉燃煤量,而且可强化对NOx的还原作用。

3 结 语

本文从掺烧煤热解气和生物质气2个方面分析了锅炉燃烧NOx排放规律,发现与原煤燃烧相比,掺烧煤热解气或生物质气均可降低锅炉NOx排放量。烟道出口处,原煤燃烧工况的NOx浓度值为244.2mg/m3,掺烧煤热解气时的NOx浓度值为199.5 mg/m3,掺烧生物质气时的NOx浓度值为216.1 mg/m3。燃气组分中CHi基元成分越高,NOx排放值越低。