魏 琰 榮

(1.北京天地融創(chuàng)科技股份有限公司，北京 100013；2.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

煤粉燃燒排放的燃料型NOx占氮氧化物排放總量的80%以上，根據(jù)燃料型NOx中N元素來源的差異將其分為揮發(fā)分NOx和焦炭NOx[1]。

在高溫燃燒條件下，煤粉首先熱解析出大量揮發(fā)分，揮發(fā)分N在熱解過程中基本完全析出。揮發(fā)分N的含量和組分與煤階密切相關(guān)，通常揮發(fā)分含量越高，揮發(fā)分N的釋放量越大[2]。揮發(fā)分N主要以HCN和NH3的形式存在，HCN主要來源于焦油和半焦中熱不穩(wěn)定含氮官能N-5和N-6受熱分解，NH3主要來源于N-Q加氫反應(yīng)和HCN的二次反應(yīng)。NH3形成需要大量的含氫基團(tuán)且反應(yīng)活化能較高，使NH3的析出要滯后于HCN[4-5]。無煙煤揮發(fā)分含量較低導(dǎo)致NH3和HCN都相對(duì)較少，煙煤揮發(fā)分N中HCN的比例較高，隨著煤階的降低，揮發(fā)分N中NH3/HCN不斷上升[6-7]。HCN和NH3能在火焰峰面處被氧化生成NOx，也能將火焰峰面擴(kuò)散進(jìn)來的NO還原成N2。揮發(fā)分N的氧化-還原過程主要涉及均相N化學(xué)反應(yīng)，可以采用PG2018均相氮化學(xué)反應(yīng)模型對(duì)揮發(fā)分NO的生成進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)[8]。 胡帆等[9]對(duì)完整PG2018模型通過簡化處理后得到只含35種物質(zhì)和259種基元反應(yīng)的簡化模型，簡化模型加快了計(jì)算速度，且不顯著降低計(jì)算精度。

焦炭中N主要以N-5和N-6的形式存在于碳的大分子結(jié)構(gòu)中，焦炭N的氧化涉及均相反應(yīng)和多相反應(yīng)：一是焦炭燃燒先釋放出NH3和HCN，再氧化生成NOx；二是焦炭N異相氧化直接生成NOx。焦炭燃燒過程中氧氣對(duì)焦炭表面的氮和碳的選擇性與煤階有關(guān)，高階煤焦燃燒時(shí)O2更容易與C結(jié)合釋放CO，而中、低階煤焦燃燒時(shí)O2更容易與N結(jié)合釋放NO，但在焦炭燃燒過程中N和C的釋放依舊有很強(qiáng)的正相關(guān)性[5，10]。實(shí)際燃燒過程中焦炭不僅可以通過自身的還原性直接還原揮發(fā)分NOx，還能為NH3、CO等還原NOx提供反應(yīng)表面，揮發(fā)分NOx的形成也涉及多相反應(yīng)[11-12]。在高溫條件下NO為主要的一次產(chǎn)物，N2、N2O和NO2主要通過二次反應(yīng)生成[1，13]。焦炭的生成NOx是“氧化-還原”的綜合結(jié)果，煤質(zhì)和燃燒條件均會(huì)影響煤中氮的遷移轉(zhuǎn)化，高溫弱氧化性條件能促進(jìn)焦炭-NO反應(yīng)，從而抑制焦炭NOx的生成[14]。

富氧分級(jí)燃燒能擴(kuò)大煤粉燃燒初期還原性區(qū)域，延長煤粉在還原性氣氛中的停留時(shí)間，從而降低NOx的初始排放濃度，同時(shí)還不影響煤粉燃燒效率[15]。Fan Weidong等[16]研究表明煤粉富氧分級(jí)燃燒過程中主燃區(qū)NOx濃度先升高后降低，燃盡風(fēng)通入也會(huì)使燃盡區(qū)濃度先升高后降低，當(dāng)主燃區(qū)二次風(fēng)量足夠低時(shí)，主燃區(qū)NOx濃度會(huì)降到零。筆者采用高溫滴管爐，研究了O2/N2和O2/CO22種富氧氣氛下，氧氣體積分?jǐn)?shù)和過量氧氣系數(shù)對(duì)煤粉燃燒過程中固定碳、揮發(fā)分、C、H、O、N、S的釋放規(guī)律及煤中氮的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)物料

實(shí)驗(yàn)采用的燃料為神府煙煤，為保證微量給粉器供料誤差在±0.5%以內(nèi)，實(shí)驗(yàn)前將其置于50 ℃的干燥箱中干燥6 h。

干燥后煤粉的元素分析和工業(yè)分析干燥后煤粉的元素分析和工業(yè)分析結(jié)果見表1，粒徑分布曲線如圖1所示。

圖1 煤粉粒徑分布曲線Fig.1 Particle size distribution curve of coal

表1 煤粉的元素分析和工業(yè)分析Table 1 Proximate and ultimate analyses of the pulverized coal

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

滴管爐實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由滴管爐主體、溫控系統(tǒng)、給氣系統(tǒng)、給料系統(tǒng)、取樣分析系統(tǒng)和水循環(huán)系統(tǒng)六部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 高溫滴管爐Fig.2 High-temperature dropper furnace

滴管爐主體是內(nèi)徑為50 mm、長度為2 200 mm的剛玉管，采用碳硅棒元件進(jìn)行加熱，最高可加熱至1 600 ℃，并有不低于1 200 mm的恒溫區(qū)，實(shí)驗(yàn)設(shè)置的滴管爐溫度為1 400 ℃。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所用的給料系統(tǒng)是由供料器和一次風(fēng)組成，供料器采用日本Sankyo制造的微量給粉器；一次風(fēng)采用空氣，流量為1 L/min，用于攜帶煤粉進(jìn)入滴管爐。二次風(fēng)在上段剛玉管的頂端徑向給入，采用O2/N2或O2/CO2的混合氣，用于滴管爐內(nèi)煤粉的燃燒。取樣分析系統(tǒng)由旋風(fēng)分離器和煙氣分析儀組成，采用旋風(fēng)分離器對(duì)焦炭進(jìn)行收集，采用Gasmet FTIR DX4000煙氣分析儀對(duì)煙氣中的NH3、HCN、NO、NO2、N2O、SO2、CO、CO2等組分濃度進(jìn)行在線測(cè)量。從采樣氣路到分析氣室，整個(gè)氣路都被加熱并保持恒溫180 ℃，有效防止了煙氣在系統(tǒng)中產(chǎn)生冷凝水，消除了SO2、NOx、NH3、HCN等易溶于水的氣體在測(cè)量中的損失，NO、NO2和N2O的測(cè)量誤差均為 2×10-9。煙氣中的氧氣含量采用氧化鋯氧氣分析儀進(jìn)行測(cè)量。

1.3 實(shí)驗(yàn)工況

二次風(fēng)采用O2/N2或O2/CO2的混合氣，使用實(shí)際氧氣流量和理論完全燃燒所需要的氧氣流量的比值表征助燃?xì)怏w量與燃料量的配比關(guān)系，即過量氧氣系數(shù)。實(shí)驗(yàn)中煤粉供料速度為3.1 g/min，供料誤差在±0.004 g；理論氧氣流量為4.69 L/min。筆者設(shè)置多組實(shí)驗(yàn)工況以深入研究二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)(α2)和二次風(fēng)氧氣體積分?jǐn)?shù)(c2)對(duì)煤粉富氧燃燒過程中各組分的釋放規(guī)律及氮元素的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，具體實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)見表2。其中，實(shí)驗(yàn)工況1～9為二次風(fēng)采用O2/N2混合氣時(shí)的工況，實(shí)驗(yàn)工況10～18則為二次風(fēng)采用O2/CO2混合氣時(shí)的工況。

表2 O2/N2與O2/CO2實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)Table 2 The parameter of experimental conditions under O2/N2 or O2/CO2

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

根據(jù)灰平衡假設(shè)，得到煤粉在滴管爐中揮發(fā)分、固定碳、C、H、O、N、S等組分的釋放率，釋放率按照式(1)進(jìn)行計(jì)算。

(1)

式中，φx為組分x的釋放率；x1、x2分別為煤粉和滴管爐出口焦炭中組分x的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；A1、A2分別為煤粉和焦炭中的灰分。

由于煙氣中CH4的含量可忽略不計(jì)，可假設(shè)滴管爐燃燒過程中煤中釋放的碳完全轉(zhuǎn)化為CO和CO2，根據(jù)高溫燃?xì)庵蠧O和CO2的體積分?jǐn)?shù)可以用式(2)計(jì)算高溫?zé)煔饬髁?。再根?jù)氮平衡假設(shè)，通過煙氣中NH3、HCN和NOx的排放濃度，根據(jù)式(3)～(7)進(jìn)一步計(jì)算出煤中氮向NO、NH3、HCN、N2和焦炭N的轉(zhuǎn)化率。

(2)

(3)

(4)

(5)

ηN2=φN-ηNO-ηNH3-ηHCN

(6)

ηchar-N=1-φN

(7)

式中，V為滴管爐出口煙氣流量，L/min；VCO2為滴管爐入口CO2流量，L/min；m為供料量，g/min，T0為標(biāo)準(zhǔn)狀況溫度，T0=273 K；T1為進(jìn)氣溫度，T1=300 K；T2為煙氣溫度，T2=450 K；CCO、CCO2分別為燃?xì)庵蠧O、CO2的體積分?jǐn)?shù)，%；ηNO、ηNH3、ηHCN、ηN2和ηchar-N分別為煤中N向NO、NH3、HCN、N2和焦炭N的轉(zhuǎn)化率，%。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

2.1 二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)對(duì)煤中氮的遷移規(guī)律影響

(1)O2/N2富氧氣氛下，二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)對(duì)煤中氮的遷移轉(zhuǎn)化的影響規(guī)律。O2/N2氣氛中氧氣體積分?jǐn)?shù)為40%時(shí)與不同二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)條件下滴管爐出口處焦炭的工業(yè)分析和元素分析見表3。由于焦炭收集過程中煙氣中的水蒸氣冷凝吸附在焦炭表面，收到基水分測(cè)量并不能表征實(shí)際焦灰中的水分含量，故用空氣干燥基作為分析的基準(zhǔn)。焦炭的主要成分為固定碳，揮發(fā)分均低于5.56%。隨著二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)的增大，煤灰中各可燃組分都呈下降趨勢(shì)，灰分呈逐漸升高趨勢(shì)，二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)從0.3增至1時(shí)，固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)從83.48%降至48.03%，灰分含量從9.75%增至50.54%。

表3 O2/N2氣氛中不同二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)下焦炭的工業(yè)分析和元素分析Table 3 Proximate and ultimate analysis of coke in O2/N2 atmosphere with different secondary air excess oxygen coefficients

由表3中焦炭的工業(yè)分析和元素分析，通過式(1)計(jì)算得到滴管爐中各組分的釋放率如圖3所示。揮發(fā)分、固定碳、C、H、O、N、S的釋放率均隨二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)的增加而不斷增大，其中揮發(fā)分和H元素在二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)較低時(shí)，釋放率就已經(jīng)超過90%，表明煤中大量的揮發(fā)分和H元素在煤粉燃燒初期就參與燃燒。C、O、N、S的釋放率受二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)的影響較大，各元素的釋放有很強(qiáng)的正相關(guān)性，也表明除了氫元素外，其他元素均勻分布在C骨架上，而氫元素主要分布在C骨架邊緣。

圖3 O2/N2氣氛中二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)對(duì)煤中各組分釋放率的影響Fig.3 Effect of secondary air excess oxygen factor in O2/N2 atmosphere on the release rate of various components from coal

煙氣中組分及濃度見表4，主要成分有N2、H2O、CO2、CO和H2。在高溫條件下，焦炭表面的含氧官能團(tuán)直接脫附形成CO、CO2和NO，CO為主要的一次產(chǎn)物，煙氣中的CO2主要由CO進(jìn)一步氧化生成。在還原性氣氛中提高二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)，不僅可促進(jìn)CO的脫附，還能促進(jìn)CO進(jìn)一步氧化，導(dǎo)致CO2的體積分?jǐn)?shù)不斷升高，CO的體積分?jǐn)?shù)不斷下降，CO/CO2的比值不斷下降。煙氣中HCN和NH3的濃度均隨二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)的升高不斷降低，并且煤氣中NH3的濃度始終高于HCN。

表4 O2/N2氣氛中不同二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)下煙氣成分Table 4 Gas composition in O2/N2 atmosphere with different secondary air excess oxygen coefficients

O2/N2氣氛中氧氣體積分?jǐn)?shù)為40%時(shí)，二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)對(duì)N平衡的影響規(guī)律如圖4所示。二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)為從0.3增大到1.0時(shí)，煤中N的釋放率從46.5%增至91.5%，釋放的氮主要向N2轉(zhuǎn)化，少量向NH3、HCN和NOx轉(zhuǎn)化。N2轉(zhuǎn)化率隨二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)的升高呈先升高后降低的趨勢(shì)，當(dāng)二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)為0.7時(shí)，N2轉(zhuǎn)化率高達(dá)75.4%。二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)為從0.3增大到0.7時(shí)，NH3的轉(zhuǎn)化率從2.6%降至0.5%，HCN的轉(zhuǎn)化率從0.5%降至0，當(dāng)二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)為1.0時(shí)，煙氣中未檢測(cè)到NH3和HCN。NH3的轉(zhuǎn)化率高于HCN，主要是由于NH3的析出要滯后于HCN，在煤粉燃燒初期先析出的HCN被氧化形成NOx，導(dǎo)致煙氣中NH3?HCN。NO和NO2的轉(zhuǎn)化率隨二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)的增大呈上升趨勢(shì)，當(dāng)二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)為0.3、0.4、0.5時(shí)，煙氣的都沒有檢測(cè)到NO，二次風(fēng)過量過量氧氣系數(shù)從0.1增大到1時(shí)，NO轉(zhuǎn)化率從1.3%增至29.9%，NO2轉(zhuǎn)化率從0增至0.7%。煙氣中N2O的轉(zhuǎn)化率始終為0，主要是由于在高溫條件下N2O容易被分解形成N2。

圖4 O2/N2氣氛中二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)對(duì)N平衡的影響Fig.4 Effect of secondary air excess oxygen coefficient on N equilibrium in O2/N2 atmosphere

(2)O2/CO2富氧氣氛下二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)對(duì)煤中氮的遷移轉(zhuǎn)化的影響規(guī)律。O2/CO2氣氛中氧氣體積分?jǐn)?shù)為40%時(shí)，不同二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)條件下，滴管爐出口焦炭的工業(yè)分析和元素分析見表5，煤中各組分的釋放規(guī)律如圖5所示。

圖5 O2/CO2氣氛中二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)對(duì)煤中各組分釋放率的影響Fig.5 Effect of secondary air excess oxygen factor in O2/CO2 atmosphere on the release rate of various components from coal

表5 O2/CO2氣氛中不同二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)下焦炭的工業(yè)分析和元素分析Table 5 Proximate and ultimate analysis of coke in O2/CO2 atmosphere with different secondary air excess oxygen coefficients

由圖5可以看出，揮發(fā)分、固定碳、C、H、O、N、S的釋放率均隨二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)的增加而不斷增大，此現(xiàn)象與O2/N2氣氛的規(guī)律一致。在相同二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)條件下，O2/CO2氣氛中煤中各組分的釋放率相對(duì)更高，二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)從0.3增至1.0時(shí)，C的釋放率從64.5%升至80.6%，N的釋放率從67.9%升至80.3%，主要是由于高濃度的CO2能促進(jìn)焦炭的氣化反應(yīng)，促進(jìn)煤中各組分的釋放。

O2/N2氣氛中不同二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)下煙氣的主要成分見表6。隨著二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)增加，煙氣中各組分的變化規(guī)律與O2/N2基本一致，當(dāng)熱解溫度高于1 000 ℃時(shí)，高濃度CO2反而會(huì)抑制HCN的生成[7]。二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)為0.3、0.4、0.5時(shí)，煤中釋放的N主要轉(zhuǎn)化為N2、NH3和HCN，沒有檢測(cè)到NOx的生成。當(dāng)二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)增大到0.7時(shí)，煙氣中出現(xiàn)少量NO，且HCN和NH3含量可忽略不計(jì)。當(dāng)二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)增大到1時(shí)，煙氣中出現(xiàn)大量NO。在相同二次風(fēng)過量氧氣條件下，O2/CO2氣氛下煙氣中CO的排放濃度相對(duì)更高，主要是由于高濃度的CO2在高溫條件下能有效促進(jìn)焦炭氣化。

表6 O2/CO2氣氛中不同二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)下煙氣成分Table 6 Gas composition in O2/CO2 atmosphere with different secondary air excess oxygen coefficients

O2/CO2氣氛中氧氣體積分?jǐn)?shù)為40%時(shí)，二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)對(duì)N平衡的影響規(guī)律如圖6所示。二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)為從0.3增大到1時(shí)，煤中N的釋放率從55.0%增至91.9%，相同二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)條件下，O2/CO2氣氛中N的釋放率較O2/N2氣氛更高。O2/CO2氣氛中，N2、NH3、HCN和NOx的轉(zhuǎn)化率受二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)的影響與O2/N2氣氛基本一致，二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)為0.7時(shí)，N2轉(zhuǎn)化率高達(dá)81.7%。在O2/CO2氣氛中N的釋放率及N2轉(zhuǎn)化率相對(duì)更高，而NH3、HCN和NOx的轉(zhuǎn)化率均相對(duì)較低，表明高濃度的CO2能促進(jìn)煤中釋放的氮向N2轉(zhuǎn)化。

圖6 O2/CO2氣氛中不同二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)下的N平衡Fig.6 Effect of secondary air excess oxygen coefficient on N equilibrium in O2/CO2 atmosphere

2.2 二次風(fēng)氧氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)各組分釋放規(guī)律影響

(1)O2/N2富氧氣氛下二次風(fēng)氧氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)煤中N的遷移規(guī)律的影響。O2/N2氣氛中二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)為0.5時(shí)，不同二次風(fēng)氧氣體積分?jǐn)?shù)條件下，滴管爐出口焦炭的工業(yè)分析和元素分析見表7。焦炭的成分以固定碳和灰分為主，揮發(fā)分極低，二次風(fēng)氧氣體積分?jǐn)?shù)從21%升高到80%，焦炭中的固定碳含量從78.01%升高至81.82%，揮發(fā)分從6.85%降至0.83%。滴管爐實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明焦炭中各種元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)受二次風(fēng)氧氣體積分?jǐn)?shù)變化的影響較小。

表7 O2/N2氣氛中不同二次風(fēng)氧氣體積分?jǐn)?shù)下焦炭的工業(yè)分析和元素分析Table 7 Proximate and ultimate analysis of coke at different secondary air oxygen concentrations in O2/N2 atmosphere

O2/N2富氧氣氛下過量氧氣系數(shù)為0.5時(shí)，不同二次風(fēng)氧氣體積分?jǐn)?shù)條件下，煤粉在滴管爐燃燒過程中各組分的釋放規(guī)律如圖7所示。煤中各組分的釋放率均隨二次風(fēng)氧氣體積分?jǐn)?shù)的升高呈緩慢上升的趨勢(shì)，并且隨著二次風(fēng)氧氣體積分?jǐn)?shù)逐漸增大，二次風(fēng)氧氣體積分?jǐn)?shù)變化對(duì)煤中各組分釋放的影響減小。二次風(fēng)氧氣體積分?jǐn)?shù)從21%增加到80%時(shí)，C的釋放率從57.4%升至65.3%，N的釋放率從61.6%升至71.2%。提高二次風(fēng)氧氣體積分?jǐn)?shù)可以延長煤粉在高溫滴管爐中的停留時(shí)間，并且可以加劇煤粉燃燒，當(dāng)?shù)喂軤t中氧氣耗盡后，煤中各組分的釋放主要取決于焦炭的氣化反應(yīng)。煤粉在滴管爐燃燒過程中中各組分的釋放率主要取決于總氧量，焦炭氣化反應(yīng)速率較低，提高二次風(fēng)氧氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)煤中各組分釋放的影響較小。

圖7 O2/N2氣氛中不同二次風(fēng)氧氣體積分?jǐn)?shù)下各組分的釋放率Fig.7 Release rate of various components in O2/N2 atmosphere with different secondary air oxygen concentrations

O2/N2氣氛中，煙氣中各組分濃度隨二次風(fēng)氧氣體積分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律見表8。隨著二次風(fēng)氧氣體積分?jǐn)?shù)的增加，CO2和CO的體積分?jǐn)?shù)均不斷升高，CO/CO2的比值不斷下降，此現(xiàn)象也表明提高二次風(fēng)氧氣體積分?jǐn)?shù)可以促進(jìn)煤在C的釋放，并且也能促進(jìn)煤在釋放的C元素向CO2轉(zhuǎn)化。在高溫還原性氣氛中，在不同二次風(fēng)氧氣體積分?jǐn)?shù)下，煙氣中均沒有檢測(cè)到NOx生成。NH3和HCN的濃度均隨二次風(fēng)氧氣體積分?jǐn)?shù)的升高而不斷下降，二次風(fēng)氧氣體積分?jǐn)?shù)從21%升高至80%，NH3的排放濃度從8.24×10-5減至1.23×10-6，HCN的排放濃度從5.32×10-6減至0，可以忽略不計(jì)。

表8 O2/N2氣氛中不同二次風(fēng)氧氣體積分?jǐn)?shù)下煙氣成分Table 8 Gas composition at different secondary air oxygen concentrations in O2/N2 atmosphere

O2/N2氣氛中二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)為0.5時(shí)，二次風(fēng)氧氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)N平衡的影響規(guī)律如圖8所示。隨著二次風(fēng)氧氣體積分?jǐn)?shù)升高，煤中N的釋放率呈遞增趨勢(shì)，煤中釋放的氮主要向N2轉(zhuǎn)化，此外，還要大量氮以焦炭N的形式存在于焦炭中。當(dāng)二次風(fēng)氧氣體積分?jǐn)?shù)為21%時(shí)，焦炭N和N2的轉(zhuǎn)化率分別高達(dá)38.5%和58.8%。當(dāng)二次風(fēng)氧氣體積分?jǐn)?shù)為80%時(shí)，焦炭N和N2的轉(zhuǎn)化率分別為28.8%和71.2%。煙氣中的NH3和HCN的轉(zhuǎn)化率隨二次風(fēng)氧氣體積分?jǐn)?shù)的升高而不斷降低，二次風(fēng)氧氣體積分?jǐn)?shù)從21%升高至80%，NH3的轉(zhuǎn)化率從2.6%減至0%，HCN的轉(zhuǎn)化率從0.2%減至0%。提高二次風(fēng)氧氣體積分?jǐn)?shù)會(huì)加劇煤粉燃燒初期的燃燒，從而促進(jìn)煤粉燃燒初期NH3和HCN的釋放，并將其氧化，導(dǎo)致煙氣中NH3和HCN的轉(zhuǎn)化率降低。

圖8 O2/N2氣氛中不同二次風(fēng)氧氣體積分?jǐn)?shù)下的N平衡Fig.8 N equilibrium at different secondary air oxygen concentrations in O2/N2 atmosphere

(2)O2/CO2富氧氣氛下，二次風(fēng)氧氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)煤中N的遷移規(guī)律的影響。O2/CO2氣氛中過量氧氣系數(shù)為0.5時(shí)，不同二次風(fēng)氧氣體積分?jǐn)?shù)條件下，滴管爐出口焦炭的工業(yè)分析和元素分析見表9。二次風(fēng)氧氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)焦炭成分的影響規(guī)律與O2/N2氣氛基本一致，二次風(fēng)氧氣體積分?jǐn)?shù)從21%升高到80%，焦炭中的固定碳含量從76.31%降至79.1%，揮發(fā)分的含量從6.25%降至1.32%。

表9 O2/CO2氣氛中不同二次風(fēng)氧氣體積分?jǐn)?shù)下焦炭的工業(yè)分析和元素分析Table 9 Proximate and ultimate analysis of coke at different secondary air oxygen concentrations in O2/CO2 atmosphere

O2/CO2氣氛中過量氧氣系數(shù)為0.5時(shí)，二次風(fēng)氧氣體積分?jǐn)?shù)條件對(duì)煤中各組分釋放的影響規(guī)律如圖9所示。煤中各組分的釋放率隨二次風(fēng)氧氣體積分?jǐn)?shù)的升高呈遞增趨勢(shì)，此現(xiàn)象與O2/N2氣氛一致，二次風(fēng)氧氣體積分?jǐn)?shù)從21%增加到80%時(shí)，C的釋放率從64.6%升至80.6%，N的釋放率從67.9%升至80.3%。在O2/CO2氣氛中煤中各組分的釋放率均遠(yuǎn)高于O2/N2氣氛，并且氧氣體積分?jǐn)?shù)變化對(duì)煤中各組分的影響更加明顯，主要是由于高濃度的CO2能促進(jìn)焦炭氣化，并且在強(qiáng)還原性氣氛中提高氧氣體積分?jǐn)?shù)能進(jìn)一步促進(jìn)焦炭的氣化反應(yīng)。

圖9 O2/CO2氣氛中不同二次風(fēng)氧氣體積分?jǐn)?shù)下煤中各組分的釋放率Fig.9 Release rate of various components in O2/CO2 atmosphere with different secondary air oxygen concentrations

O2/CO2氣氛中，煙氣中各組分濃度隨二次風(fēng)氧氣體積分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律見表10。

表10 O2/CO2氣氛中不同二次風(fēng)氧氣體積分?jǐn)?shù)下煙氣成分Table 10 Gas composition at different secondary air oxygen concentrations in O2/CO2 atmosphere

二次風(fēng)氧氣體積分?jǐn)?shù)從21%升至80%時(shí)，煙氣中CO的濃度從6.25%增至30.73%，遠(yuǎn)高于O2/N2氣氛。NH3和HCN的濃度均隨二次風(fēng)氧氣體積分?jǐn)?shù)的升高而不斷下降，此現(xiàn)象與O2/N2氣氛基本一致。O2/CO2氣氛中二次風(fēng)氧氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)N平衡的影響規(guī)律如圖10所示。二次風(fēng)氧氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)N2、NH3和HCN轉(zhuǎn)化率的影響規(guī)律與O2/N2氣氛基本一致。在O2/CO2氣氛中，N2的轉(zhuǎn)化率相對(duì)更高，高濃度CO2能促進(jìn)煤中氮的釋放，另煙氣中高濃度的CO也能促進(jìn)釋放的氮向N2氣轉(zhuǎn)化。二次風(fēng)氧氣體積分?jǐn)?shù)從21%升至80%時(shí)，N2轉(zhuǎn)化率從64.0%增至80.1%。

圖10 O2/CO2氣氛中不同二次風(fēng)氧氣體積分?jǐn)?shù)下的N平衡Fig.10 N equilibrium at different secondary air oxygen concentrations in O2/CO2 atmosphere

3 結(jié) 論

滴管爐為1 400 ℃及2種富氧氣氛條件下，煤粉燃燒過程中各組分釋放及氮的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律如下：

(1)當(dāng)c2=40%時(shí)，O2/N2和O2/CO2氣氛下，煤中揮發(fā)分、固定碳、N、H、O、S的釋放率均隨二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)的增加而增加，O2/CO2氣氛中各組分的釋放率較高。煤中釋放的N主要向N2轉(zhuǎn)化，少量向NH3、HCN和NOx轉(zhuǎn)化，N2轉(zhuǎn)化率隨二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)的升高先升高后降低。NH3和HCN的轉(zhuǎn)化率均隨二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)的增加而降低。當(dāng)α2=0.3、0.4、0.5時(shí)，沒有NOx排放；當(dāng)α2=0.7時(shí)，O2/N2和O2/CO22種氣氛中均檢測(cè)到少量NOx排放；當(dāng)α2=1時(shí)，O2/N2和O2/CO22種氣氛中NO轉(zhuǎn)化率高達(dá)29.9%和28.1%。

(2)當(dāng)α2=0.5時(shí)，O2/N2和O2/CO2氣氛下，煤中各組分釋放率均隨二次風(fēng)氧氣體積分?jǐn)?shù)的增加而增加。由于高濃度CO2能促進(jìn)焦炭氣化反應(yīng)，O2/CO2氣氛中各組分的釋放率較高。煤中釋放的氮主要向N2轉(zhuǎn)化，N2的轉(zhuǎn)化率隨二次風(fēng)氧氣體積分?jǐn)?shù)的升高而增大，NH3和HCN的轉(zhuǎn)化率均隨二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)的增加而減小。O2/CO2氣氛中煤中各組分的釋放率及N2的轉(zhuǎn)化率均相對(duì)較高，且N2轉(zhuǎn)化率受二次風(fēng)氧氣體積分?jǐn)?shù)變化的影響更加明顯。