不同粒径煤粉在空气和O2/CO2下燃烧NO生成特性

邹琳江 李毛毛 顾明言 严大炜

(安徽工业大学能源与环境学院)

以煤炭为主的能源消费结构特点以及燃煤产生的大量气态污染物，使得我国面临着节约能源与保护环境的双重压力。如何提高煤炭的利用率，降低燃煤过程中污染物的生成与排放是目前急需解决的问题。当前O2/CO2燃烧作为一种新型的清洁煤炭燃烧技术引起高度关注[1-5]，该技术可同时减排CO2、NOx和SOx等多种污染物。与在空气气氛下相比，煤粉O2/CO2气氛下燃烧产生的CO2和水蒸气的浓度都相对较高，且气体的各种热物性参数、化学反应以及燃烧机理等都有较大的变化。目前关于O2/CO2气氛下煤粉燃烧时释放NO特性的研究仍处于探索阶段[6-9]。

研究表明煤粉粒径的大小与煤粉燃烧NO的排放特性有关，在O2/CO2气氛下常规粒径煤粉燃烧产生NO的研究已有报道[10-11]。但对于超细粒径煤粉(≤20 μm)，尤其是超细粒径与常规粒径混合煤粉在O2/CO2气氛下反应时NO释放性质的研究较少。由于超细煤粉中的挥发分的快速燃烧释放降低O2浓度，从而降低NO生成量。实验在水平管式炉上研究不同气氛和不同粒径组合的煤粉燃烧NO的排放特性，研究燃烧气氛、煤粉粒径、反应温度对NO生成的影响。

1 实验设备及工况

实验在自行设计的水平管式加热炉系统上进行，如图1所示。整个系统由可控温管式炉加热系统、配气系统和烟气取样分析系统组成。管式炉采用碳化硅管加热，PID智能温控柜控制炉温，最高温度可达1 300 ℃，精度为0.1 ℃。反应器采用一段长800 mm、内径40 mm、壁厚2.2 mm的高温石英玻璃管，恒温段全长600 mm，出入口段长度100 mm，端头部分进行磨砂处理以保证管内密封。

图1 管式炉实验系统

实验的配气系统由工业用高纯度气瓶、七星华创牌质量流量计及自制混气箱组成。实验所需气体纯度为99.9%、质量流量计精度为±1%FS。取样和气体分析系统由尾气过滤器和德国进口烟气分析仪(testo 350型)组成。

实验选用神华煤作为研究样品，煤样的工业、元素分析数据如表1所示。实验样品先进行研磨，之后对样品进行筛分，采用LS-C(2A)型激光粒度分析仪分析粒度并选出平均粒径为16 μm(超细煤粉)和82 μm(常规煤粉)的煤粉进行实验。实验开始前，打开气瓶，调节质量流量计使气氛配比达到实验要求，待反应管内充满实验工况所需气体后开始升温，同时在瓷舟内铺上一薄层的煤粉。瓷舟的规格为长45 mm、宽22 mm、高14 mm。待炉温达到要求并稳定后，用推杆将铺好煤粉的瓷舟推入管式炉石英玻璃管的中心位置并迅速密封反应管出口进行数据采集。实验工况参数见表 2。

表1 煤样的成分数据 %

表2 实验工况

2 实验结果及分析

2.1 O2/CO2气氛与空气气氛的比较

图2为反应温度为950 ℃和1 050℃时，超细煤粉在不同的燃烧气氛下NO的排放特性。由图可知，当炉温为950 ℃时，在空气气氛下NO峰值为165×10-6，对应时间为36 s，在O2/CO2气氛下NO峰值为83×10-6，对应时间为40 s；当炉温为1 050 ℃时，在空气气氛下NO峰值为202×10-6，对应时间为12 s，在O2/CO2气氛下NO峰值为109×10-6，对应时间为36 s。可见无论是高温还是低温，煤粉在空气气氛下燃烧排放NO浓度都要高于其在O2/CO2气氛下燃烧排放NO浓度，燃烧NO到达峰值时间明显提前于其在O2/CO2氛围下燃烧。比较图(a)和图(b)可得，随着温度的升高，NO在空气气氛下峰值析出的时间提前66.7%、峰值增加22.4%；而NO在O2/CO2气氛下峰值析出的时间提前10%、峰值增加31.3%。随着温度的增加，煤粉在空气气氛下燃烧NO到达峰值时间明显提前于其在O2/CO2气氛下燃烧。

图2 气氛对超细煤粉燃烧NO排放浓度的影响

图3 超细煤粉在空气与O2/CO2气氛下燃烧的氮转化率

图3为反应温度为950 ℃和1 050 ℃时，超细煤粉在空气与O2/CO2气氛下燃烧时氮的转化率。氮转化率公式计算如下：

氮转化率=生成NO的含氮量/煤粉总含氮量×100%

其中生成NO的量

式中：c(t)为t时刻烟气流量；v(t)为t时刻烟气中NO浓度。

由图3可知，与在空气气氛下相比，煤粉在O2/CO2气氛下反应时氮转化率明显降低。主要原因为：(1)CO2的比热容(8.87 J/(mol·K)-1) 大于N2的比热容(6.96 J/(mol·K)-1)，且O2在O2/CO2气氛扩散速率较低，降低了煤粉在O2/CO2气氛下反应速率，从而导致煤粉在O2/CO2气氛下反应温度较低；(2)煤粉在O2/CO2气氛下燃烧产生CO等还原性气体包围碳颗粒，阻碍了碳颗粒与O2反应。

图4 温度对不同粒径煤粉燃烧中NO释放浓度影响

2.2 反应温度对NO生成的影响

图4为在反应温度为950 ℃和1 050 ℃时，不同粒径的煤粉在O2/CO2氛围下燃烧生成NO的浓度变化曲线。随着反应温度增加，煤粉中挥发分氮的析出速率加快，有利于促进煤粉燃烧时释放的NH3、HCN等更多的转化为NO，煤粉燃烧也更加完全，增加了燃烧型NO的产生；另一方面，高温下煤粉剧烈燃烧加快了热力型NO释放，且峰值较高。

当温度从950 ℃升高到1 050 ℃时，D16 μm的超细煤粉燃烧NO浓度到达峰值的时间提前了8 s、峰值提高了26×10-6；D82 μm的普通煤粉燃烧NO浓度到达峰时间提前了10 s，峰值提高了27×10-6；D16 μm和D82 μm等比例混合煤粉燃烧NO浓度达峰时间提前了22 s、峰值提高了23×10-6。随着温度升高，各种粒径的煤粉燃烧NO浓度到达峰值的时间均缩短、且峰值均增大。当反应温度较高时，煤粉析出挥发分中的N元素会被迅速氧化为NO(热力型NOx)；而焦炭的燃烧同样会促进N转变为NO(燃料型NOx)。当达到一定时间，两种不同类型的NO叠加，达到NO浓度峰值。随着燃烧反应的进行，部分NO将被生成的还原性物质所还原，而煤粉的消耗会使燃料型NO排放减少，因此NO的浓度呈现逐渐下降趋势。

2.3 O2/CO2气氛下煤粉粒径对NO生成的影响

图5为不同粒径煤粉在O2/CO2气氛下燃烧释放NO浓度变化曲线。由于超细煤粉比表面积大于常规煤粉，一方面有利于氧气扩散至碳颗粒表面，另一方面提高了氧的扩散速率，这使得超细煤粉前期反应较普通煤粉剧烈，生成NO的时间比普通煤粉提前。由于超细煤粉燃烧时挥发分的析出速度较快，煤粉中的碳颗粒与氧气接触不充分，这将降低NO的释放量。从图5也可以看出，与普通煤粉相比，超细煤粉在O2/CO2气氛下燃烧生成NO峰值最低，到达峰值得时间最快，从峰值到谷值时间最少。而对于普通煤粉与超细煤粉混合之后的煤粉，其在O2/CO2气氛下燃烧时NO的峰值较低，到达峰值的时间变短，从峰值到谷值时间较少。对比图5(a)和(b)可知，超细煤粉对NO释放的抑制作用能改善普通煤粉NO的释放特性，且在反应温度为1 050 ℃时比950 ℃时改善效果好。

图5 不同粒径煤粉在O2/CO2气氛下燃烧对NO释放浓度的影响

图6 不同粒径煤粉在O2/CO2气氛下燃烧的氮转化率

由图6可以看出，在相同的O2/CO2燃烧气氛下，无论在高温或低温条件下，煤粉燃烧时氮转化率大小顺序为：常规煤粉>混合煤粉>超细煤粉。可见在常规煤粉中加入超细煤粉能改善燃烧性质，降低NO排放量，且NO降低效果在温度为950 ℃时比1 050 ℃时更明显。

3 结论

(1)与煤粉在空气气氛下燃烧相比，煤粉在O2/CO2气氛下燃烧产生NO的浓度峰值和总量都明显降低。

(2)温度升高，煤粉在O2/CO2气氛下燃烧生成NO浓度峰值和总量增加，开始产生NO以及到达NO峰值的时间提前，并且NO从产生到平衡的时间变短。

(3)与常规粒径煤粉相比，超细煤粉在O2/CO2气氛下燃烧产生NO的浓度峰值和总量均要低、且NO释放量到达峰值的时间和从峰值降到谷值的时间均要减少。超细煤粉的加入对普通煤粉燃烧时NO的释放特性有改善作用。