两段式滴管内烟煤富氧空气分级燃烧NOx排放特性研究

杨 石

(1.煤科院节能技术有限公司，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013；3.国家能源煤炭高效利用与节能减排技术装备重点实验室，北京 100013)

0 引 言

NOx是一种环境危害极大且不易处理的大气污染物，据统计我国NOx污染物的60%以上来自于煤炭燃烧。近年来，随着环保形势的日益严峻，我国对燃煤锅炉NOx的排放标准也愈加严格。相应出现了多种锅炉NOx控制技术。现有的控制NOx排放技术按照机理不同可分为2类：① 低氮燃烧技术，在保证完全燃烧前提下，通过调整燃烧形式和氛围等使得燃料在燃烧释放化学能的过程中，尽可能减少污染物排放；② 燃烧后烟气脱硝技术，针对已经生成的污染物，排放到环境中前，通过物理、化学等方法对其进行捕集、催化处理。燃烧后烟气脱硝技术的NOx排放降低效果明显，但会导致锅炉效率降低、受热面腐蚀等问题。此外采用烟气脱硝技术，需要额外配置烟气脱硝设备并消耗脱硝催化剂或吸附介质，初投资和运行费用较高；低氮燃烧技术则是根据NOx的形成机理而开发，是最直接、最简便的NOx排放控制技术。传统的低氮燃烧技术主要包括低氧燃烧法、分级燃烧法、烟气再循环法、低氮燃烧器等。上述低氮燃烧技术虽然投资和运行费用较低，但在降低NOx排放的同时，还伴随火焰燃烧不稳定、燃料燃烧不完全等问题，且目前低氮燃烧技术整体脱硝效率不高，单独使用已经无法满足日益严格的NOx排放标准。

富氧分级燃烧是近年来提出的一种新型低氮燃烧技术，将富氧燃烧和分级配风相结合实现低NOx排放的目的[1-5]。富氧分级燃烧主要包括O2/CO2分级燃烧和O2/空气(富氧空气)分级燃烧。O2/CO2分级燃烧具有同时降低NOx排放和便于CO2捕集的技术优势，也是目前研究的热点。富氧空气燃烧在降低NOx排放效果上与O2/CO2富氧燃烧相当，初投资和运行成本较低，更加适合于当前燃煤锅炉尤其是中小型燃煤锅炉的NOx控制。但相对于O2/CO2分级燃烧，针对富氧空气分级燃烧NOx排放特性的研究较少。部分学者利用一维滴管炉和数值模拟手段，研究了煤炭在O2/CO2富氧分级燃烧下NOx排放特性，并考察了反应温度、配风比、富氧气体成分等因素对NOx排放的影响规律[6-7]。但其研究条件为O2/CO2富氧分级燃烧，其中CO2对NOx排放的影响机理与空气、富氧空气不同，因此上述研究的结论未必适用于富氧空气分级燃烧。朱书俊[8]在流化床与下行燃烧室联合系统上，研究了富氧空气分级燃烧的NOx排放特性。结果表明：富氧空气燃烧可以在不牺牲燃烧效率的条件下，大幅降低NOx排放。在局部氧浓度由21%升高至28%时，NOx排放明显降低。但该研究只是针对富氧预热燃烧工艺，并不是对于煤粉锅炉富氧空气分级燃烧NOx排放特性进行研究。在该研究中，下行燃烧室的温度最高仅为1 250 ℃，且缺乏反应温度、二次风配比等关键因素对NOx排放的研究。而且上述研究的热态条件均与煤粉锅炉相差甚远。

两段式滴管炉是在传统滴管炉基础上开发的改进设备。除了具有传统滴管炉升温速率高、排除颗粒间作用、动态性能良好[9]等特点外，还将炉体分为2段，可以分别模拟煤粉在燃烧器和炉膛内的燃烧状态，更加接近煤粉在锅炉内燃烧的实际情况。不同研究者利用两段式滴管研究了烟煤、半焦空气分级燃烧的NOx和SOx排放特性[10-13]，但未见利用两段式滴管炉研究富氧空气分级燃烧NOx排放特性的报道。本文采用两段式滴管作为热态试验设备，更加接近锅炉中煤粉燃烧的流程与热态环境。通过比较煤粉在单级空气、空气分级和富氧空气分级3种燃烧方式下的NOx排放特性，验证富氧空气分级燃烧的低氮效果。并针对富氧空气分级燃烧方式，考察主燃区温度、主燃区过量氧气系数和二次风氧浓度对NOx排放的影响规律，为富氧空气分级燃烧技术在煤粉锅炉的应用提供理论依据。

1 试 验

1.1 试验装置

两段式滴管炉热态试验系统结构如图1所示。试验系统由两段式滴管炉本体、微量输粉设备、配气系统、取样分析设备、控制系统及冷却系统构成。滴管炉本体上段为主燃区(用于模拟锅炉燃烧器内的煤粉燃烧情况)，是由φ50 mm×2 200 mm刚玉管、硅碳加热装置和热电偶组成。主燃区温度可从常温加热至1 600 ℃。滴管炉本体下段为燃尽区(用于模拟锅炉炉膛内的煤粉燃烧情况)，由电阻丝不锈钢管、电阻丝加热装置和热电偶组成。燃尽区温度可从常温加热至1 000 ℃。微量给料器装置采用无轴螺旋输送方式，精度±0.5%。两段式滴管炉热态试验系统设置三级配风，共6条气路。1、2号气路为一次风管路，位于微量给粉装置底部，用于将煤粉输送至主燃区炉膛;3、4号气路为二次风管路，位于主燃区炉膛顶部；5、6号气路为燃尽风管路，位于燃尽区炉膛顶部。各气路中气体流量均由独立的气体质量流量计控制。通过调节配气系统中三级配风量和气体成分，可以实现单级供风(仅有一、二次风，均为空气)、空气分级配风(一、二次风与燃尽风均为空气)与富氧分级配风(一次风、燃尽风为空气，二次风为富氧气体)3种燃烧方式。

图1 两段式滴管炉实验系统示意Fig1 Structural diagram of two-stage dropper tube furnace system

气体采样分析设备为testo350烟气分析仪，实时测量烟气中O2、CO2、CO、NOx、SO2等成分含量。煤灰通过设置在燃尽区下游的旋风分离器进行捕集采样。

1.2 煤粉特性

试验用煤为平均粒径70 μm的神府烟煤煤粉。挥发分31.64%，固定碳55.58%，低位发热量28.21 MJ/Kg，氮元素含量为0.92%。煤质分析见表1。

表1 煤质分析

1.3 工况设定与NOx排放评价方法

试验过程中煤粉给粉速率保持在3.5 g/min；一次风为空气，流量为1 L/min；二次风为空气或氧气与空气的混合气体。由于二次风并非单纯空气，以过量空气系数来表征助燃气体量与燃料量的配比关系不准确。本文采用过量氧气系数，即实际供给燃料燃烧的氧气量与燃料完全燃烧所需要的氧气量之比，来表征氧化气体量与燃料量的配比关系。试验过程中，主燃区与燃尽区的总过量氧气系数保持为1.05；燃尽区温度保持1 000 ℃不变。为接近锅炉运行工况，试验过程中，燃尽区出口烟气CO浓度(按氧浓度4%折算)保持在200 mg/m3以下。

本文采用烟气中NOx浓度和计算得到的单位质量煤粉燃烧NOx生成量2个指标表示不同燃烧方式下NOx的排放特性。烟气中NOx浓度可以直观反映出NOx排放特性，但由于在相同过量氧气系数条件下，采用空气和富氧气体所需气体量不同，导致燃烧产生的烟气量存在差别，采用烟气NOx浓度并不能准确反映煤炭在不同燃烧方式下的NOx排放效果。因此，采用单位质量煤粉燃烧的NOx生成量来表示不同燃烧方式下NOx的排放特性。单位质量煤粉燃烧的NOx生成量按照式(1)计算。

M=V0C(NOx)

(1)

式中，M为单位质量煤粉燃烧的NOx生成量；V0为单位质量煤粉燃烧理论烟气量；C(NOx)为烟气中NOx浓度。

理论烟气量根据一次风量、二次风量、燃尽风量和二次风氧浓度进行计算[14]。采用单位质量煤粉燃烧的NOx生成量可更准确地比较各燃烧方式下NOx排放情况。

2 结果分析

2.1 燃烧方式及主燃区温度对NOx排放的影响

单级供风、空气分级、富氧空气分级3种燃烧方式下，总过量氧气系数为1.05，烟气CO浓度(按氧浓度4%折算)不高于200 mg/m3时，各工况下NOx最低排放如图2所示，空气分级燃烧和富氧空气分级燃烧NOx最低排放通过调节二次风配比实现。

图2 3种燃烧方式NOx浓度比较Fig2 Comparation of NOx concentration with threedifferent combustion modes

由图2可知，采用空气分级配风和富氧空气分级配风2种燃烧方式NOx排放要远低于空气单级供风时的NOx排放。这是由于采用分级配风燃烧后，燃料中N分解成NHi、HCN等大量中间产物，在主燃区形成还原性气氛，将部分NOx还原。在燃尽区，氧量充足但温度较低，不利于NOx的二次生成。因此，采用分级配风燃烧后，NOx浓度均低于400 mg/m3，当主燃区温度升高到1 400 ℃后，NOx浓度均低于200 mg/m3。

采用单级供风燃烧时，随主燃区温度的升高，NOx生成量持续增加。而采用空气分级和富氧空气分级燃烧，NOx排放随主燃区温度的升高整体呈下降趋势。随主燃区温度的升高，煤粉升温速率增大，挥发分析出量以及挥发分中小分子碳氢化合物增加，挥发分氮析出量持续增长[15]。单级供风时，主燃区始终处于氧化性气氛中，温度的升高导致更多的NHi、HCN等中间产物产生，并氧化生成NOx。此外，主燃区温度升高后，也会生成更多的热力型NOx；而空气分级燃烧时，主燃区处于欠氧还原性气氛下，温度升高使煤中析出的挥发分增多，更增强了主燃区气氛的还原性，从而抑制了热力型NOx和燃料型NOx的生成。根据周志军等[16]提出的燃烧模式判别方法，本文煤粉富氧空气分级燃烧属于均相非均相着火模式，即在煤粉颗粒表面，挥发分与焦炭同时着火，因此挥发分析出量的增加，也增强了挥发分对焦炭的“抢氧”作用，利于焦炭对NOx的还原[12]；钱彬[17]研究表明，反应气氛氧浓度的升高，可以大幅提高燃料的燃烧速率。因此，在富氧空气分级燃烧条件下，煤粉在主燃区反应更加充分，NHi、HCN等中间产物生成量高于空气分级条件下的生成量，从而进一步降低NOx的生成。因此，在合理配风条件下，空气分级和富氧空气分级燃烧的NOx排放随主燃区温度的升高而下降。

为考察富氧分级配风燃烧方式的低氮效果，以煤粉单级供风燃烧NOx浓度为基准，对比了不同主燃区温度下，空气分级配风与富氧空气分级的NOx降低比例，如图3所示，其计算公式如下：

(2)

式中，η为NOx降低比例；Ms为单级供风NOx生成量；Ma为实际NOx生成量。

图3 空气分级配风及富氧分级配风NOx减少比例Fig.3 NOx removal rate of air-staged and staged oxy-fuel combustion

由图3可知，试验条件下，富氧空气分级的NOx降低比例比空气分级条件下提高6%～12%。因此富氧空气分级燃烧方式对控制NOx排放的效果更佳。

2.2 主燃区过量氧气系数对NOx排放的影响

前人研究发现，二次风配比对于分级配风条件下NOx排放有显著影响[11-13]。由于本文二次风为不同氧浓度气体，采用二次风占总风量的比例不能对各工况进行准确比较，因此采用主燃区过量氧气系数表征二次风配比。主燃区温度1 300、1 500 ℃下，主燃区过量氧气系数对NOx浓度的影响如图4所示。

图4 主燃区过量氧气系数对NOx排放的影响Fig.4 Effect of primary combustion zone excess oxygen ratio on NOx emission

由图4可知，随主燃区过量氧气系数的升高，NOx排放均呈现先降低后升高的趋势。由于主燃区内还原性气氛有利于降低NOx的排放。当主燃区过量氧气系数过小时，煤粉燃烧不充分，挥发分析出较少，大量N元素以焦炭氮的形式进入燃尽区，氧化生成NOx；当主燃区过量氧气系数过大时，主燃区气氛的还原性不够强，更多的中间产物被氧化成NOx，而且挥发分对焦炭的“抢氧”作用降低，焦炭对NOx的还原有限。这说明在富氧空气分级燃烧条件下，主燃区氧气过量氧数存在一个最佳值使NOx排放最低。主燃区温度为1 300 ℃时，最佳主燃区过量氧气系数约为0.58。主燃区温度为1 500 ℃时，最佳主燃区过量氧气系数约为0.55。两者差异是由于主燃区温度升高促进了挥发分的释放以及中间产物的反应，因此在主燃区温度升高时，在较低的过量氧气系数下，即达到NOx排放的最低值。

王道平等[11]、李慧[12]研究表明，在空气分级燃烧中同样存在最佳主燃区过量氧气系数，在与本研究条件相近情况下，空气分级燃烧的最佳主燃区过量氧气系数约为0.6，略高于本研究结果。这说明二次风氧浓度升高对降低煤粉NOx排放具有促进作用。

2.3 二次风氧浓度对NOx排放的影响

不同主燃区温度下，主燃区过量氧气系数0.58，富氧空气分级燃烧方式时，二次风氧浓度对NOx排放的影响如图5所示。可知单位质量煤粉NOx排放随二次风氧含量的升高而降低。当富氧气氛的氧浓度逐渐升高，NOx排放的降低趋势逐渐放缓。

图5 二次风氧含量对NOx排放的影响Fig.5 Effect of O2 concentration in secondary air on NOx emission

二次风氧浓度的升高增加了煤粉在主燃区的停留时间。主燃区过量氧气系数给定，不同二次风氧浓度下，CFD模拟得到的煤粉颗粒在主燃区无量纲停留时间如图6所示。可知煤粉在主燃区停留时间随二次风氧含量的升高而增加。在相同过量氧气系数下，二次风流量随着氧含量的增加不断降低。因此，当二次风氧含量由21%升高到31%时，煤粉在主燃区的停留时间增加了46%。停留时间的延长使煤粉在主燃区还原性气氛下的反应更加充分，从而降低了NOx的排放。

图6 不同二次风氧含量煤粉在主燃区停留无量纲时间Fig.6 Residence time of pulverized coal with different O2 concentration in secondary air

研究表明即使在过量氧气系数相同的条件下，二次风的氧浓度升高仍可以在煤粉颗粒表面形成局部的富氧区。富氧区的存在促进了煤粉的均相非均相燃烧，使更多的挥发分析出，降低NOx的排放。而NOx排放的降低趋势随氧浓度逐渐升高逐渐放缓，这是由于煤粉颗粒表面富氧区氧含量过高，降低了焦炭对NOx的还原作用。

除以上2个原因外，空气与氧气混合还降低了二次风中N2的浓度，有助于降低热力型NOx和快速型NOx。

2.4 煤灰的孔隙特性

综上所述，采用空气分级和富氧空气分级燃烧方式下，主燃区温度对NOx的降低率有显著影响。为深入分析，针对主燃区温度为1 200和1 500 ℃、过量氧气系数0.58条件下，采用BET分析空气分级和富氧空气分级粉煤灰的孔径分布，结果见表2。

表2 不同工况下煤灰的孔隙特性

由表2可知，主燃区温度由1 200 ℃升高到1 500 ℃，二次风氧浓度由21%升高到29%，煤灰颗粒的比表面积和总孔容均增大。这是因为温度的升高及局部氧含量的增加，挥发分析出越发剧烈，煤粉颗粒内部反应越剧烈导致膨胀越强[18]，更多燃料氮转化为挥发分氮。在还原性气氛下，挥发分氮生成N2，即还原性气氛下的高温和适当的局部氧化性气氛含量有利于降低NOx的排放。

3 结 论

1)与传统分级配风燃烧相比，富氧空气分级燃烧方式可大幅降低NOx的排放浓度。主燃区温度为1 300～1 500 ℃时，富氧分级配风燃烧NOx排放减少比例相比分级配风燃烧提高了6%～12%。

2)主燃区温度在1 200～1 500 ℃时，随主燃区温度升高，NOx排放整体呈下降趋势。

3)二次风的配比对NOx排放具有显著影响，随主燃区过量氧气系数的升高，NOx排放均呈现先降低后升高的趋势。因此存在最佳二次风配比，使NOx排放浓度最低。主燃区温度为1 300 ℃时，最佳主燃区过量氧气系数约为0.58；主燃区温度为1 500 ℃时，最佳主燃区过量氧气系数约为0.55。

4)二次风氧浓度为21%～31%时，NOx排放随二次风氧含量的升高而降低。随着二次风的氧浓度逐渐升高，NOx排放的降低趋势放缓。