煤粉富氧分级燃烧NOx排放特性研究.pdf
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1、开发高效清洁的煤粉燃烧技术是实现“双碳”目标的有效途径之一,空气分级燃烧技术在煤粉燃烧初期形成还原性气氛且能有效抑制 的生产但不利于煤粉燃烬,而采用富氧分级燃烧可延长煤粉在还原性气氛中的停留时间并抑制 的生成及促进煤粉燃烬,因而很有必要研究二次风过量氧气系数、二次风氧气体积分数、空气分级系数等因素对煤粉富氧分级燃烧 排放的影响规律。利用两段式滴管炉,研究滴管炉上段处于 时富氧分级燃烧条件下 的排放规律。实验结果表明:不同分级系数条件下,排放浓度最低对应的最佳二次风氧气体积分数()随二次风过量氧气系数()的减小而增大。当 时,排放浓度随二次风氧气体积分数的增加而增大;当 时,排放浓度随二次风氧气
2、体积分数的增加呈先减小后增加的趋势;当 时,排放浓度随二次风氧气体积分数的增加而减小。富氧分级燃烧能显著降低 的排放,时,减排比例均高于,当 且 时,减排比例均高于,且飞灰含碳量均低于。烟气中 和 的排放浓度均相对较低,在富氧分级条件下 的排放可忽略不计,排放浓度随二次风过量氧气系数的增加而降低,且增大氧气体积分数也能进一步抑制 排放。关键词:煤粉;排放特性;富氧分级燃烧;低氮燃烧;燃烧效率;空气分级系数;含碳量中图分类号:文献标志码:文章编号:()收稿日期:责任编辑:傅 丛 :基金项目:北京天地融创科技股份有限公司科技发展基金重点资助项目()作者简介:龚艳艳(),女,江苏南通人,助理研究员、
3、硕士,主要研究方向为煤炭高效洁净利用。:,(,;,;,):,第 期龚艳艳:煤粉富氧分级燃烧 排放特性研究 ,()(),:;引 言氮氧化物()是煤炭燃烧产生的主要污染物之一,其会导致光化学烟雾、温室效应、雾霾和臭氧层空洞。年我国煤炭消费 亿 标煤,主要用于燃煤发电,而燃煤电站锅炉通过低氮燃烧技术烟气脱销技术已基本实现 超低排放。常见的低氮燃烧技术主要涵括空气分级燃烧技术、燃料分级燃烧技术、低氮 燃 烧器、烟气再循环技术等,低氮燃烧技术抑制生成的同时会降低煤粉的燃烧效率。常见的烟气脱销技术主要包括 和,是实现超低排放的关键所在,但烟气脱销技术存在催化剂生产成本高、氨逃逸、催化剂中毒、空预器堵塞、能
4、量损失大等问题。空气分级燃烧技术与烟气脱硝技术相比,前者的投资和运行成本较低、操作简单,大型的锅炉基本均采用空气分级燃烧技术。空气分级燃烧在煤粉燃烧过程中形成还原性气氛,还原性气氛下煤粉热解气中的烃根()、等与发生同相还原作用;焦炭也直接异相还原,且还能催化 同相还原过程。褐煤和高挥发分烟煤燃烧中 的均相还原是 还原的主要途径,而对于无烟煤则更多的 是通过非均相反应被还原为,此与挥发分氮和焦炭氮的含量及种类密切相关。等在多级配风的一维炉上研究 褐煤及其干煤分级燃烧的 排放特征,排放随着分级空气的增加以及燃烧器与燃尽空气位置之间距离的增加而减少。等在 的燃烧实验台架上进行深度空气分级燃烧实验,在
5、燃烧还原区存在还原饱和的现象,燃尽风加入后 浓度会再次升高。等的研究同样表明延迟一次风与二次风的混合则扩大还原性区间,可进一步降低 的排放。煤粉预热燃烧技术、燃烧技术、富氧燃烧技术等新型低氮燃烧技术的原理基本一致,核心思想在于使煤粉燃烧初期处于贫氧状态并延长煤粉在还原性气氛中的停留时间。欧阳子区等研究表明煤粉流化床低温预热耦合无焰燃烧能有效抑制 的形成,燃用无烟煤时 始排放浓度低至 (),燃用气化细灰时初始排放浓度低至 ()。张海等通过 燃烧器实现煤粉 燃烧工业应用,燃用无烟煤时 排放减少。富氧燃烧提高能源效率的同时还能进一步减少污染物的排放,主要包括 和 共 种富氧气氛。局部富氧燃烧技术介于
6、常规空气燃烧和 富氧燃烧之间,富氧燃烧投资和运行成本较低,更加适合于中小型燃煤锅炉的 控制,广泛应用于冶金、玻璃等工业生产。等,研究表明,在 富氧分级燃烧条件下 排放量低于常规空气分级燃烧,且煤粉的燃尽率也更高。节能和提高能效是实现我国“双碳”目标的主要途径之一,开发高效清洁的煤粉燃烧技术就显得尤为重要。空气分级燃烧技术在煤粉燃烧初期形成还原性气氛,能有效抑制 的生产但不利于煤煤 质 技 术 年第 卷粉燃烬。采用富氧分级燃烧可延长煤粉在还原性气氛中的停留时间,抑制 的生成的同时促进煤粉燃烬。笔者研究主燃区温度为 工况下二次风过量氧气系数和二次风氧气体积分数对 排放的影响规律,此外还考察主燃区氧
7、气体积分数和空气分级系数对煤粉燃烧效率的影响规律。实验部分 实验物料采用神府烟煤为实验物料,为保证微量给粉器供料误差在 以内,实验前将其置于 的干燥箱中干燥 。干燥后煤粉的元素分析和工业分析结果见表,其中煤粉挥发分()为 ,氮元素的质量分数为 ,平均粒径为 。实验设备两段式滴管炉实验平台由滴管炉主体、温控系统、给气系统、给料系统、取样分析系统和水循环系统 个部分组成,如图 所示。其中,滴管炉主体由上段炉体和下段炉体两部分组成,两段炉体用密封法兰和金属波纹管进行连接。表 煤粉的元素分析和工业分析 工业分析 元素分析,()图 两段式高温滴管炉 滴管炉上段炉体为内径 且长 的刚玉管,采用碳硅棒元件进
8、行加热,最高可加热至 ,并有大于 的恒温区。滴管炉下段炉体为内径 且长 的不锈钢管,采用电阻丝加热,最高可加热至 ,并且有大于 的恒温区。实验平台所用的给料系统是由供料器和一次风组成,其中供料器采用日本 制造的微量给粉器,实验中煤粉供料速度为 ,供料误差在 ;一次风携带 煤 粉 进 入 滴 管 炉,实 验 中 一 次 风 总 量 为 。实验平台给气系统由二次风和三次风组成,二次风在上段刚玉管的顶端径向给入,用于主燃区煤粉的助燃;三次风在滴管炉下段顶端径向给入,为滴管炉下段的燃尽风。取样分析系统由旋风分离器和烟气分析仪组成,采用 便携式红外烟气分析仪,对烟气中的、等组分体积分数进行在线测量,、和
9、 的测量误差均为 ,测量误差为。实验工况由于二次风采用不同氧气体积分数 的混合气,笔者用实际氧气流量和理论完全燃烧所需氧气流量的比值表征氧气量与燃料量的配比关系,实验所有工况条件下的总过量氧气系数()均为。一次风和三次风采用标准空气,氧气体积分数为,一次风量均定为 (一次风过量氧气系数 )。设置多组工况以研究二次风氧气体积分数和过量氧气系数对 生成规律的影响,所有工况中主燃区温度为 ,燃尽区温度为,工况变量为二次风过量氧气系数()和二次风氧气体积分数(),实验工况参数见表。数据处理方法实验主燃区温度为 ,煤粉燃烧过程中产生 的 热 力 型 和 快 速 型 均 可 忽 略 不计,。烟气中的 主要
10、以 的形式存在,通过烟气中 排放量计算煤中氮向燃料型 的转化率,通过 排放浓度()表征不同富氧工况下 排放的绝对量。当烟气中 排放浓度达到超低排放 ()时,取 且 取,按式()()计算而得 转化率为 、排放浓度为 。富氧条件下 排放浓度与该值进行对比,判断 排放量是否满足超低排放要求。第 期龚艳艳:煤粉富氧分级燃烧 排放特性研究 ()()()()()()()()(),()式中,为整体折算氧气体积分数,;为烟气中氧气体积分数,;为供料量,;为 实 际 进 气 量,;为 实 际 烟 气 量,;为煤中 氧化生成 的比例即 转化率,。实验结果与分析 未分级条件下 排放规律煤粉燃烧过程中、和 等挥发分
11、被氧化形成挥发分,焦炭 被氧化形成焦炭,同时、煤焦等均将烟气中的 还原成,燃料型 是煤中 氧化和 还原 个反应竞争的结果,即使在未分级条件下也有大量燃料 通过“氧化还原”最终转化为,。表 二次风氧气体积分数和过量氧气系数对 生成规律的实验工况 供料速率()理论氧气流量()总过量氧气系数()主燃区温度 燃尽区温度 实验变量二次风过量氧气系数()二次风氧气体积分数()、未分级条件下二次风氧气体积分数对 的排放规律的影响如图 所示。二次风氧气体积分数从升高至,烟气中 的排放浓度呈线性递增,从 升至 ,排放浓度升高 ;转化率随着二次风氧气体积分数升高而增大,转化率从 升至,转化率增加了 。在氧化性气氛
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