鄒琳江 李毛毛 顧明言 嚴(yán)大煒

(安徽工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院)

以煤炭為主的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及燃煤產(chǎn)生的大量氣態(tài)污染物，使得我國(guó)面臨著節(jié)約能源與保護(hù)環(huán)境的雙重壓力。如何提高煤炭的利用率，降低燃煤過程中污染物的生成與排放是目前急需解決的問題。當(dāng)前O2/CO2燃燒作為一種新型的清潔煤炭燃燒技術(shù)引起高度關(guān)注[1-5]，該技術(shù)可同時(shí)減排CO2、NOx和SOx等多種污染物。與在空氣氣氛下相比，煤粉O2/CO2氣氛下燃燒產(chǎn)生的CO2和水蒸氣的濃度都相對(duì)較高，且氣體的各種熱物性參數(shù)、化學(xué)反應(yīng)以及燃燒機(jī)理等都有較大的變化。目前關(guān)于O2/CO2氣氛下煤粉燃燒時(shí)釋放NO特性的研究仍處于探索階段[6-9]。

研究表明煤粉粒徑的大小與煤粉燃燒NO的排放特性有關(guān)，在O2/CO2氣氛下常規(guī)粒徑煤粉燃燒產(chǎn)生NO的研究已有報(bào)道[10-11]。但對(duì)于超細(xì)粒徑煤粉(≤20 μm)，尤其是超細(xì)粒徑與常規(guī)粒徑混合煤粉在O2/CO2氣氛下反應(yīng)時(shí)NO釋放性質(zhì)的研究較少。由于超細(xì)煤粉中的揮發(fā)分的快速燃燒釋放降低O2濃度，從而降低NO生成量。實(shí)驗(yàn)在水平管式爐上研究不同氣氛和不同粒徑組合的煤粉燃燒NO的排放特性，研究燃燒氣氛、煤粉粒徑、反應(yīng)溫度對(duì)NO生成的影響。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及工況

實(shí)驗(yàn)在自行設(shè)計(jì)的水平管式加熱爐系統(tǒng)上進(jìn)行，如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)由可控溫管式爐加熱系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)和煙氣取樣分析系統(tǒng)組成。管式爐采用碳化硅管加熱，PID智能溫控柜控制爐溫，最高溫度可達(dá)1 300 ℃，精度為0.1 ℃。反應(yīng)器采用一段長(zhǎng)800 mm、內(nèi)徑40 mm、壁厚2.2 mm的高溫石英玻璃管，恒溫段全長(zhǎng)600 mm，出入口段長(zhǎng)度100 mm，端頭部分進(jìn)行磨砂處理以保證管內(nèi)密封。

圖1 管式爐實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)的配氣系統(tǒng)由工業(yè)用高純度氣瓶、七星華創(chuàng)牌質(zhì)量流量計(jì)及自制混氣箱組成。實(shí)驗(yàn)所需氣體純度為99.9%、質(zhì)量流量計(jì)精度為±1%FS。取樣和氣體分析系統(tǒng)由尾氣過濾器和德國(guó)進(jìn)口煙氣分析儀(testo 350型)組成。

實(shí)驗(yàn)選用神華煤作為研究樣品，煤樣的工業(yè)、元素分析數(shù)據(jù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)樣品先進(jìn)行研磨，之后對(duì)樣品進(jìn)行篩分，采用LS-C(2A)型激光粒度分析儀分析粒度并選出平均粒徑為16 μm(超細(xì)煤粉)和82 μm(常規(guī)煤粉)的煤粉進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)開始前，打開氣瓶，調(diào)節(jié)質(zhì)量流量計(jì)使氣氛配比達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求，待反應(yīng)管內(nèi)充滿實(shí)驗(yàn)工況所需氣體后開始升溫，同時(shí)在瓷舟內(nèi)鋪上一薄層的煤粉。瓷舟的規(guī)格為長(zhǎng)45 mm、寬22 mm、高14 mm。待爐溫達(dá)到要求并穩(wěn)定后，用推桿將鋪好煤粉的瓷舟推入管式爐石英玻璃管的中心位置并迅速密封反應(yīng)管出口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)見表 2。

表1 煤樣的成分?jǐn)?shù)據(jù) %

表2 實(shí)驗(yàn)工況

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 O2/CO2氣氛與空氣氣氛的比較

圖2為反應(yīng)溫度為950 ℃和1 050℃時(shí)，超細(xì)煤粉在不同的燃燒氣氛下NO的排放特性。由圖可知，當(dāng)爐溫為950 ℃時(shí)，在空氣氣氛下NO峰值為165×10-6，對(duì)應(yīng)時(shí)間為36 s，在O2/CO2氣氛下NO峰值為83×10-6，對(duì)應(yīng)時(shí)間為40 s；當(dāng)爐溫為1 050 ℃時(shí)，在空氣氣氛下NO峰值為202×10-6，對(duì)應(yīng)時(shí)間為12 s，在O2/CO2氣氛下NO峰值為109×10-6，對(duì)應(yīng)時(shí)間為36 s。可見無論是高溫還是低溫，煤粉在空氣氣氛下燃燒排放NO濃度都要高于其在O2/CO2氣氛下燃燒排放NO濃度，燃燒NO到達(dá)峰值時(shí)間明顯提前于其在O2/CO2氛圍下燃燒。比較圖(a)和圖(b)可得，隨著溫度的升高，NO在空氣氣氛下峰值析出的時(shí)間提前66.7%、峰值增加22.4%；而NO在O2/CO2氣氛下峰值析出的時(shí)間提前10%、峰值增加31.3%。隨著溫度的增加，煤粉在空氣氣氛下燃燒NO到達(dá)峰值時(shí)間明顯提前于其在O2/CO2氣氛下燃燒。

圖2 氣氛對(duì)超細(xì)煤粉燃燒NO排放濃度的影響

圖3 超細(xì)煤粉在空氣與O2/CO2氣氛下燃燒的氮轉(zhuǎn)化率

圖3為反應(yīng)溫度為950 ℃和1 050 ℃時(shí)，超細(xì)煤粉在空氣與O2/CO2氣氛下燃燒時(shí)氮的轉(zhuǎn)化率。氮轉(zhuǎn)化率公式計(jì)算如下：

氮轉(zhuǎn)化率=生成NO的含氮量/煤粉總含氮量×100%

其中生成NO的量

式中：c(t)為t時(shí)刻煙氣流量；v(t)為t時(shí)刻煙氣中NO濃度。

由圖3可知，與在空氣氣氛下相比，煤粉在O2/CO2氣氛下反應(yīng)時(shí)氮轉(zhuǎn)化率明顯降低。主要原因?yàn)椋?1)CO2的比熱容(8.87 J/(mol·K)-1) 大于N2的比熱容(6.96 J/(mol·K)-1)，且O2在O2/CO2氣氛擴(kuò)散速率較低，降低了煤粉在O2/CO2氣氛下反應(yīng)速率，從而導(dǎo)致煤粉在O2/CO2氣氛下反應(yīng)溫度較低；(2)煤粉在O2/CO2氣氛下燃燒產(chǎn)生CO等還原性氣體包圍碳顆粒，阻礙了碳顆粒與O2反應(yīng)。

圖4 溫度對(duì)不同粒徑煤粉燃燒中NO釋放濃度影響

2.2 反應(yīng)溫度對(duì)NO生成的影響

圖4為在反應(yīng)溫度為950 ℃和1 050 ℃時(shí)，不同粒徑的煤粉在O2/CO2氛圍下燃燒生成NO的濃度變化曲線。隨著反應(yīng)溫度增加，煤粉中揮發(fā)分氮的析出速率加快，有利于促進(jìn)煤粉燃燒時(shí)釋放的NH3、HCN等更多的轉(zhuǎn)化為NO，煤粉燃燒也更加完全，增加了燃燒型NO的產(chǎn)生；另一方面，高溫下煤粉劇烈燃燒加快了熱力型NO釋放，且峰值較高。

當(dāng)溫度從950 ℃升高到1 050 ℃時(shí)，D16 μm的超細(xì)煤粉燃燒NO濃度到達(dá)峰值的時(shí)間提前了8 s、峰值提高了26×10-6；D82 μm的普通煤粉燃燒NO濃度到達(dá)峰時(shí)間提前了10 s，峰值提高了27×10-6；D16 μm和D82 μm等比例混合煤粉燃燒NO濃度達(dá)峰時(shí)間提前了22 s、峰值提高了23×10-6。隨著溫度升高，各種粒徑的煤粉燃燒NO濃度到達(dá)峰值的時(shí)間均縮短、且峰值均增大。當(dāng)反應(yīng)溫度較高時(shí)，煤粉析出揮發(fā)分中的N元素會(huì)被迅速氧化為NO(熱力型NOx)；而焦炭的燃燒同樣會(huì)促進(jìn)N轉(zhuǎn)變?yōu)镹O(燃料型NOx)。當(dāng)達(dá)到一定時(shí)間，兩種不同類型的NO疊加，達(dá)到NO濃度峰值。隨著燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，部分NO將被生成的還原性物質(zhì)所還原，而煤粉的消耗會(huì)使燃料型NO排放減少，因此NO的濃度呈現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì)。

2.3 O2/CO2氣氛下煤粉粒徑對(duì)NO生成的影響

圖5為不同粒徑煤粉在O2/CO2氣氛下燃燒釋放NO濃度變化曲線。由于超細(xì)煤粉比表面積大于常規(guī)煤粉，一方面有利于氧氣擴(kuò)散至碳顆粒表面，另一方面提高了氧的擴(kuò)散速率，這使得超細(xì)煤粉前期反應(yīng)較普通煤粉劇烈，生成NO的時(shí)間比普通煤粉提前。由于超細(xì)煤粉燃燒時(shí)揮發(fā)分的析出速度較快，煤粉中的碳顆粒與氧氣接觸不充分，這將降低NO的釋放量。從圖5也可以看出，與普通煤粉相比，超細(xì)煤粉在O2/CO2氣氛下燃燒生成NO峰值最低，到達(dá)峰值得時(shí)間最快，從峰值到谷值時(shí)間最少。而對(duì)于普通煤粉與超細(xì)煤粉混合之后的煤粉，其在O2/CO2氣氛下燃燒時(shí)NO的峰值較低，到達(dá)峰值的時(shí)間變短，從峰值到谷值時(shí)間較少。對(duì)比圖5(a)和(b)可知，超細(xì)煤粉對(duì)NO釋放的抑制作用能改善普通煤粉NO的釋放特性，且在反應(yīng)溫度為1 050 ℃時(shí)比950 ℃時(shí)改善效果好。

圖5 不同粒徑煤粉在O2/CO2氣氛下燃燒對(duì)NO釋放濃度的影響

圖6 不同粒徑煤粉在O2/CO2氣氛下燃燒的氮轉(zhuǎn)化率

由圖6可以看出，在相同的O2/CO2燃燒氣氛下，無論在高溫或低溫條件下，煤粉燃燒時(shí)氮轉(zhuǎn)化率大小順序?yàn)椋撼Ｒ?guī)煤粉>混合煤粉>超細(xì)煤粉?？梢娫诔Ｒ?guī)煤粉中加入超細(xì)煤粉能改善燃燒性質(zhì)，降低NO排放量，且NO降低效果在溫度為950 ℃時(shí)比1 050 ℃時(shí)更明顯。

3 結(jié)論

(1)與煤粉在空氣氣氛下燃燒相比，煤粉在O2/CO2氣氛下燃燒產(chǎn)生NO的濃度峰值和總量都明顯降低。

(2)溫度升高，煤粉在O2/CO2氣氛下燃燒生成NO濃度峰值和總量增加，開始產(chǎn)生NO以及到達(dá)NO峰值的時(shí)間提前，并且NO從產(chǎn)生到平衡的時(shí)間變短。

(3)與常規(guī)粒徑煤粉相比，超細(xì)煤粉在O2/CO2氣氛下燃燒產(chǎn)生NO的濃度峰值和總量均要低、且NO釋放量到達(dá)峰值的時(shí)間和從峰值降到谷值的時(shí)間均要減少。超細(xì)煤粉的加入對(duì)普通煤粉燃燒時(shí)NO的釋放特性有改善作用。