李 慧，楊 石，周建明

(1.煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司，北京 100013; 2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；3.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；)

0 引 言

低階煤經(jīng)低溫?zé)峤夂蟮挠蜌猱a(chǎn)品是具有高附加值的化工原料，加工過程產(chǎn)生的大量半焦粉主要作為燃料進(jìn)行利用[1-3]，若作為煤粉工業(yè)鍋爐燃料[4-6]，既可增加鍋爐燃料來源，又有利于促進(jìn)煤炭分質(zhì)利用。由于半焦揮發(fā)分較低，著火和實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒較原煤需要更高的溫度；此外，由于半焦的低揮發(fā)分，初期揮發(fā)分析出困難，且揮發(fā)分中還原性小分子物質(zhì)含量較低，不利于煤粉工業(yè)鍋爐燃用半焦NOx的控制。因此，需要通過多種技術(shù)措施，合理組織燃燒，從而降低NOx的生成?？諝夥旨壢紵夹g(shù)是將半焦粉燃燒空氣分階段送入爐體，一般分為一次風(fēng)、二次風(fēng)及燃盡風(fēng)，形成具有還原性氣氛的主燃區(qū)和氧化性氣氛的燃盡區(qū)，燃燒生成的NOx在主燃區(qū)進(jìn)行還原，半焦顆粒在燃盡區(qū)燃盡[7-9]。對于燃用半焦的NOx控制技術(shù)前人已進(jìn)行了一定的研究，么瑤等[10-12]在循環(huán)流化床鍋爐簡化系統(tǒng)上研究了細(xì)粉半焦預(yù)熱燃燒NOx生成特性，對一次風(fēng)當(dāng)量比、二次風(fēng)量及位置、還原區(qū)長度等因素進(jìn)行了考察，得出適用于循環(huán)流化床的半焦預(yù)熱燃燒NOx排放特性。目前尚未有針對應(yīng)用室燃技術(shù)的煤粉工業(yè)鍋爐的半焦空氣分級燃燒研究，包括結(jié)合應(yīng)用逆噴式燃燒器的煤粉工業(yè)鍋爐燃燒溫度以及系統(tǒng)研究不同配風(fēng)工況對NOx生成的影響，故采用兩段式滴管爐將半焦粉在煤粉工業(yè)鍋爐中的燃燒過程進(jìn)行簡化，以探究主燃區(qū)燃燒溫度的影響以及合理的配風(fēng)比例。研究表明，半焦在較高升溫速率條件下，揮發(fā)分析出速率較快，揮發(fā)分中小分子物質(zhì)較多，有利于快速著火[13-16]。針對煤粉工業(yè)鍋爐燃燒器內(nèi)具有高溫回流區(qū)的特點(diǎn)，通過提高主燃區(qū)溫度，加快半焦粉進(jìn)入爐體后的升溫速率，使其揮發(fā)分快速析出，增加揮發(fā)分中還原性小分子物質(zhì)含量，空氣分級燃燒技術(shù)的應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)半焦穩(wěn)定燃燒同時(shí)控制NOx的生成[17-18]。因此，結(jié)合煤粉工業(yè)鍋爐燃燒特點(diǎn)，探究較高主燃區(qū)溫度下半焦空氣分級燃燒NOx排放規(guī)律，選取合適的燃燒溫度、合理的分級配風(fēng)比例，是實(shí)現(xiàn)半焦在煤粉工業(yè)鍋爐中穩(wěn)定燃燒及降低NOx排放的關(guān)鍵。本文在自主搭建的滴管爐燃燒試驗(yàn)臺架對半焦空氣分級燃燒過程中NOx的排放規(guī)律進(jìn)行研究，并從燃盡率、灰樣微觀結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行分析，為半焦應(yīng)用于煤粉工業(yè)鍋爐提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方法與設(shè)備

半焦的空氣不分級及空氣分級燃燒試驗(yàn)均在自主搭建的兩段式滴管爐實(shí)驗(yàn)臺架上進(jìn)行。滴管爐系統(tǒng)如圖1所示，爐體上段相當(dāng)于煤粉工業(yè)鍋爐的主燃區(qū)，最高溫度1 600 ℃，爐體下段相當(dāng)于煤粉工業(yè)鍋爐的燃盡區(qū)，最高溫度1 000 ℃；試驗(yàn)過程中由微粉給料器給料，給料精度±5%。實(shí)驗(yàn)臺架配有配氣系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)及煙氣測試系統(tǒng)以滿足試驗(yàn)需要。

圖1 滴管爐系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of drop-tube furnace system

試驗(yàn)過程中滴管爐主燃區(qū)溫度設(shè)置在1 000～1 400 ℃，燃盡區(qū)溫度保持1 000 ℃?？諝獠环旨壢紵囼?yàn)過量空氣系數(shù)為1.00～1.30；空氣分級燃燒試驗(yàn)二次風(fēng)比例在0.4～0.8，一次風(fēng)保持5%(煤粉工業(yè)鍋爐一次風(fēng)比例為5%左右)，通過改變二次風(fēng)和燃盡風(fēng)量來調(diào)節(jié)主燃區(qū)過量空氣系數(shù)及配風(fēng)比例，總過量空氣系數(shù)為1.2；試驗(yàn)前對微粉給料器進(jìn)行標(biāo)定，結(jié)果如圖2所示，給料速率為3.5 g/min。煙氣數(shù)據(jù)在爐膛出口處測得，并按照O2含量6%標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行折算。燃盡率采用耐馳STA449F3型熱重分析儀測定，其計(jì)算方法為灰樣中殘留的可燃質(zhì)含量占半焦總可燃質(zhì)含量的百分?jǐn)?shù)。

試驗(yàn)用半焦均制成200目(0.074 mm)的半焦粉。微量給料器要求物料為干燥粉末狀，為了保證半焦粉給料連續(xù)均勻，將半焦粉于烘箱中烘干5 h。試驗(yàn)用半焦粉的工業(yè)分析和元素分析見表1。可以看出，半焦固定碳為78.18%，揮發(fā)分為12.19%，灰分為10.96%，揮發(fā)分較低，固定碳含量較高。

圖2 微量給料器標(biāo)定曲線Fig.2 Curve of rating test of the micro feeder

表1 半焦樣品的工業(yè)分析及元素分析

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 空氣不分級燃燒NOx生成規(guī)律

半焦的燃燒反應(yīng)和燃燒過程中的NOx生成與還原反應(yīng)均受化學(xué)反應(yīng)速率及擴(kuò)散速率控制，即受反應(yīng)溫度和過量空氣系數(shù)控制。圖3為半焦空氣不分級燃燒爐膛出口處NOx濃度隨溫度和過量空氣系數(shù)的變化?？梢钥闯?，在相同過量空氣系數(shù)時(shí)，NOx濃度隨主燃區(qū)溫度的升高而增加。相同溫度下，過量空氣系數(shù)由1.0增到1.3時(shí)，NOx生成量逐漸增大。其中，過量空氣系數(shù)由1.0增到1.15時(shí)，在主燃區(qū)溫度1 000～1 400 ℃的5個(gè)試驗(yàn)溫度下，出口NOx濃度分別增加了1 100%、673%、395%、256%、235%，說明在此過量空氣系數(shù)范圍內(nèi)NOx生成量增加明顯；空氣過剩系數(shù)由1.15增加到1.30時(shí)，5個(gè)試驗(yàn)溫度下出口NOx濃度分別增加了23.71%、25.60%、22.58%、25.75%、17.16%，可見在此過量空氣系數(shù)范圍內(nèi)，NOx生成量增加較慢。其主要原因是由于空氣一次性送入燃燒系統(tǒng)，在試驗(yàn)溫度下，生成的NOx基本為燃料型NOx，主要由揮發(fā)分和焦炭N氧化而來[19-20]。隨著溫度升高，半焦升溫速率加快，揮發(fā)分析出加快，燃燒過程加劇，揮發(fā)分中原子N和焦炭中N原子氧化生成NOx速率加快[9,13,19]，但當(dāng)過量空氣系增加到一定值后，半焦的燃燒速度以及燃料N與O2的反應(yīng)達(dá)到限度，因而，繼續(xù)增大空氣過剩系數(shù)，NOx生成速率未明顯增加。

圖3 空氣不分級燃燒NOx生成規(guī)律Fig.3 NOx generation law in non-staged condition

圖4 空氣不分級燃燒燃燒CO生成規(guī)律Fig.4 CO generation law in non-staged condition

空氣不分級燃燒條件下CO生成規(guī)律如圖4所示?？梢?，隨著主燃區(qū)溫度升高和過量空氣系數(shù)增加，出口煙氣中CO濃度下降，說明燃燒速率加快，燃燒更充分?？諝膺^剩系數(shù)在1.00～1.15時(shí)，CO濃度升高明顯；空氣過剩系數(shù)在1.15～1.30時(shí)，CO濃度變化不明顯，說明燃燒過程已達(dá)一定限度。該規(guī)律與NOx生成規(guī)律基本相同。由此可見，過量空氣系數(shù)的增加不會使半焦的燃燒速率持續(xù)增加，在實(shí)際工業(yè)鍋爐運(yùn)行中，過大的過量空氣系數(shù)會增加煙氣帶走的熱量，降低鍋爐熱效率，在本文試驗(yàn)條件下，過量空氣系數(shù)在1.2內(nèi)為宜。

2.2 空氣分級燃燒NOx生成規(guī)律

半焦空氣分級燃燒過程中NOx生成規(guī)律如圖5所示，可見，隨主燃區(qū)溫度升高，不同二次風(fēng)比例范圍內(nèi)NOx生成量變化趨勢不同，當(dāng)二次風(fēng)比例大于0.56時(shí)，NOx生成量隨溫度升高而增加；當(dāng)二次風(fēng)比例小于0.56時(shí)，NOx生成量隨溫度的升高而降低。主要原因?yàn)椋孩?隨著主燃區(qū)溫度升高，燃料N氧化生成NOx速率，以及已生成的NOx被還原的速率均增大，此時(shí)燃料N的轉(zhuǎn)化途徑取決于反應(yīng)氣氛；② 二次風(fēng)比例大于0.56時(shí)，由于主燃區(qū)內(nèi)氧含量較高，隨溫度升高燃料N氧化生成NOx的速率比NOx還原反應(yīng)速率增加的幅度大，故此時(shí)隨著主燃區(qū)溫度升高，NOx排放濃度升高；③ 二次風(fēng)比例小于0.56時(shí)，主燃區(qū)內(nèi)還原性氣氛較強(qiáng)，隨主燃區(qū)溫度升高，NOx還原反應(yīng)速率增幅較大，大于因溫度升高增加的量，故生成的NOx總量降低。

圖5 半焦空氣分級燃燒NOx生成規(guī)律Fig.5 NOx generation law in semi-coke air-staged combustion

圖6 半焦空氣分級燃燒燃盡率變化規(guī)律Fig.6 Burn-out rate in semi-coke air-staged combustion

圖7 二次風(fēng)比例對NOx的影響Fig.7 Influence of secondary air ratio on NOx

半焦空氣分級燃燒燃盡率變化如圖6所示。隨主燃區(qū)溫度升高，燃盡率整體上呈增加趨勢。圖7為二次風(fēng)比例對NOx的影響，與NOx生成的變化規(guī)律相似，隨著主燃區(qū)溫度升高，二次風(fēng)比例大于0.56時(shí)，NOx濃度減少比例降低；二次風(fēng)比例小于0.56時(shí)，NOx濃度降低幅度增大。結(jié)合NOx濃度、燃盡率及NOx生產(chǎn)量降低可以看出，提高主燃區(qū)溫度可在保證燃盡率的前提下降低的NOx生成量。在各主燃區(qū)溫度下，NOx濃度隨二次風(fēng)比例的減小，先減后增或后趨于平穩(wěn)。主燃區(qū)溫度為1 000～1 200 ℃時(shí)，NOx排放濃度的二次風(fēng)比例轉(zhuǎn)折點(diǎn)為0.64。二次風(fēng)比例大于0.64時(shí)，隨二次風(fēng)比例減小，NOx排放濃度降低；二次風(fēng)比例小于0.64時(shí)，隨二次風(fēng)比例降低，NOx濃度稍有回升。主燃區(qū)溫度為1 300～1 400 ℃時(shí)，二次風(fēng)比例轉(zhuǎn)折點(diǎn)為0.56。二次風(fēng)比例大于0.56時(shí)，隨二次風(fēng)比例的降低，NOx濃度降低；二次風(fēng)比例小于0.56時(shí)，NOx濃度趨于平穩(wěn)。二次風(fēng)比例較大時(shí)，半焦顆粒附近的氧含量較高，CO等還原性氣體濃度較低，NOx生成量比還原量大，NOx排放濃度較高；二次風(fēng)比例過低時(shí)，由于燃燒進(jìn)程的推遲，燃料N的釋放被推遲到燃盡區(qū)，NOx排放濃度增大。由圖6可知，隨二次風(fēng)比例減小，半焦燃盡率呈先增后減或后趨于平穩(wěn)，說明合理的配風(fēng)有利于提高半焦的燃燒效率；圖7中二次風(fēng)比例對NOx的影響與NOx排放規(guī)律一致，說明對于空氣分級燃燒，合理的二次風(fēng)配比對其低氮燃燒效果的影響巨大，選擇合理的二次風(fēng)配比會帶來良好的低氮效果。

主燃區(qū)溫度為1 000～1 200 ℃時(shí)，二次風(fēng)比例0.64時(shí)的NOx排放濃度比0.56時(shí)稍低，但后者燃盡率較高，結(jié)合圖8的CO排放濃度，二次風(fēng)比例為0.56時(shí)的CO排放濃度均較低，因此選取0.56為本文試驗(yàn)條件下的最佳二次風(fēng)比例，且在各主燃區(qū)溫度的最佳二次風(fēng)比例下，NOx排放濃度均在120 mg/m3以下，燃盡率和NOx減少比例均較高。

圖8 二次風(fēng)比例為0.56時(shí)CO濃度隨主燃區(qū)溫度變化規(guī)律Fig.8 CO emission in different fuel-rich zone temperaturewhen the ratio of secondary air is 0.56

2.3 空氣分級燃燒灰樣微觀孔隙結(jié)構(gòu)及形貌

選取主燃區(qū)溫度為1 300 ℃時(shí)，3個(gè)二次風(fēng)比例(0.4、0.56、0.8)燃燒所得灰樣進(jìn)行孔徑分布及比表面積測定。圖9為半焦粉空氣分級燃燒所得灰樣的孔徑分布，可以看出，二次風(fēng)比例為0.56時(shí)，其孔隙在較小孔徑處出現(xiàn)的幾率遠(yuǎn)大于二次風(fēng)比例為0.4和0.8時(shí)，二次風(fēng)比例為0.4和0.8時(shí)的孔徑分布差別不大。表2為1 300 ℃時(shí)，不同二次風(fēng)比例下半焦燃燒灰樣孔隙特征參數(shù)，二次風(fēng)比例為0.56時(shí)，燃燒所得灰樣的比表面積最大，有利于揮發(fā)分析出和孔隙的形成，有利于半焦燃燒和NOx的還原反應(yīng)[21-22]；二次風(fēng)比例為0.8時(shí)，其總孔容最小，為0.005 914 cm3/g，灰樣比表面積也最??；二次風(fēng)比例為0.4時(shí)，其總孔容最大，為0.012 816 cm3/g，比表面積較小，為2.28 m2/g，說明在這2個(gè)二次風(fēng)比例下的揮發(fā)分析出比0.56時(shí)少，不利于孔隙的形成和發(fā)展，燃燒反應(yīng)不及0.56時(shí)充分。綜上，3個(gè)二次風(fēng)比例中，0.56為最佳二次風(fēng)比例，既可保證半焦充分燃燒，也可保證低NOx排放。

圖9 不同二次風(fēng)比例下半焦灰樣孔徑分布Fig.9 Pore distribution of semi-coke ash atdifferent ratio of secondary air

表2 不同二次風(fēng)比例下半焦燃燒灰樣孔隙特征參數(shù)

圖10為主燃區(qū)溫度為1 300 ℃，二次風(fēng)比例分別為0.4、0.56和0.8時(shí)的半焦空氣分級燃燒所得灰樣的微觀形貌。由圖10可以看出，二次風(fēng)比例為0.56時(shí)，灰樣顆粒較小，顆粒間黏連較多，說明該二次風(fēng)比例下的燃燒反應(yīng)進(jìn)行較充分；此時(shí)，灰樣表面孔隙最豐富，說明在試驗(yàn)條件下，二次風(fēng)比例為0.56時(shí)有利于半焦燃燒和揮發(fā)分析出及孔隙的形成與發(fā)展。

圖10 1 300 ℃時(shí)不同二次風(fēng)比例半焦燃燒灰樣微觀形貌Fig.10 Microstructure of semi-coke ash at different secondary air at 1 300 ℃

3 結(jié) 論

1)半焦空氣不分級燃燒時(shí)，隨主燃區(qū)溫度升高，NOx排放濃度增大；隨過量空氣系數(shù)增加，NOx排放濃度增大；當(dāng)過量空氣系數(shù)大于1.15時(shí)，NOx排放濃度增幅變小，燃燒反應(yīng)和NOx生成反應(yīng)達(dá)一定極限；本文試驗(yàn)條件下，過量空氣系數(shù)在1.2以內(nèi)為宜。

2)半焦空氣分級燃燒時(shí)，綜合NOx排放濃度、燃盡率及NOx減排效率的變化規(guī)律，在合理配風(fēng)條件下，提高主燃區(qū)溫度有利于半焦燃燒及NOx減排。

3)在本文試驗(yàn)條件下，最佳二次風(fēng)比例為0.56，此時(shí)NOx排放濃度均在120 mg/m3以下，且燃盡率和NOx降低比例均較高，從微觀孔隙結(jié)構(gòu)及形貌也得到證明，說明該二次風(fēng)比例下，有利于燃燒和揮發(fā)分析出、孔隙的形成和發(fā)展，有利于NOx減排。