程偉良,楊經(jīng)緯

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，北京 100026)

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，用于電力、熱力供應(yīng)方面的煤炭消費需求很大。煤炭在燃燒過程中產(chǎn)生NOx，對生態(tài)環(huán)境帶來嚴重的累積性破壞[1]。我國各地方也已相繼出臺了煙氣污染物排放控制相關(guān)政策，發(fā)布燃煤電廠大氣污染物強制性標準，將超低排放要求標準常態(tài)化。目前我國絕大部分火電廠達到了超低排放要求。同時為提高燃煤電廠經(jīng)濟性，降低生產(chǎn)成本，一般盡量采用混煤摻燒方式，這時摻混煤種與設(shè)計值偏離較大而且煤質(zhì)通常較差，致使NOx等污染物的排放發(fā)生顯著變化。因此，對于如何控制燃煤摻混時電站鍋爐煤粉燃燒的污染物排放也是十分重要的。

通過采集大量不同入爐混煤的工業(yè)數(shù)據(jù)分析，建立幾種特定工況的工業(yè)分析參數(shù)，分析煤質(zhì)變化對NOx排放影響，并結(jié)合實際鍋爐燃燒情況，對試驗結(jié)果進行了分析[3]。

1 試驗方法

1.1 試驗機組

以300 MW燃煤機組為試驗對象。其鍋爐形式為單爐膛、倒U型布置、四角切圓燃燒方式、平衡通風、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)、固態(tài)排渣、正壓直吹式制粉系統(tǒng)，配置有五臺型號為MPS-190的中速磨煤機。燃燒器布置在爐膛四角上，由主燃燒器和SOFA燃燒器組成，主燃燒器一次風五層噴口，二次風六層噴口，SOFA風布置在主燃燒器上部，包括4層可分離燃盡風噴嘴[4]。送風機和引風機均為動葉可調(diào)軸流風機。

1.2 試驗數(shù)據(jù)采集處理

在實際燃煤電廠中，為便于經(jīng)濟運行，進行不同煤種摻混燃燒。本試驗中的不同煤種摻配比例為神華蒙煤：昌豐蒙煤：大友同煤的比例為1∶3∶1。鍋爐燃燒煙氣NOx排放受運行工況及煤質(zhì)等多重因素影響，本試驗期間煤種的工業(yè)及元素分析見表1[5]。試驗時，利用不同混煤入爐煤質(zhì)數(shù)據(jù)，并結(jié)合相關(guān)監(jiān)控系統(tǒng)DCS顯示數(shù)據(jù)，在多種工況條件下，分別對水分、灰分以及揮發(fā)分的NOx排放影響進行研究[6]。

表1 試驗煤種工業(yè)及元素分析

鍋爐出口的NOx排放數(shù)值取自SCR反應(yīng)器入口監(jiān)測點，煙氣中含氧量數(shù)值取自SCR反應(yīng)器入口測點，爐膛出口煙溫取自墻式再熱器入口測點，瞬時值均于DCS上采集[7]。

根據(jù)《火電廠大氣污染排放標準》GB13233-2011的標準[8]，將NOx排放數(shù)值換算為6%氧氣濃度下的NOx排放數(shù)值

(1)

式中ρNOx——基準氧氣濃度下的NOx排放數(shù)值/mg·m-3；

φ(O2)——基準氧濃度/%(該試驗中燃煤鍋爐為6%)；

φ′(O2)——實測氧濃度/%。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 水分影響

試驗分析了混煤水分與發(fā)熱量之間的關(guān)系。隨試驗進行，可知隨著混煤中的水分變化，其發(fā)熱量在18 855 kJ/kg附近上下波動，波動幅度較小，整體趨于穩(wěn)定，因此可以忽略水分對發(fā)熱量改變的影響，保證總煤耗量穩(wěn)定，從而可確保在取樣時負荷穩(wěn)定。

試驗在300 MW負荷下，在氧量范圍為2.3%～2.4%，爐膛出口煙溫800～810℃時進行取樣，混煤樣品灰分范圍在26%～30%之間。采集入爐煤煤質(zhì)中不同水分對應(yīng)NOx排放數(shù)值，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，在給定試驗煤中含水分區(qū)間內(nèi)，當水分含量為8%左右時，氮氧化物排放量減小至最小值235 mg/m3，隨后隨著混煤燃燒煤粉中水分含量增大，NOx排放量不再減少，而趨于穩(wěn)定。

圖1 混煤燃燒NOx排放數(shù)值隨水分變化趨勢

隨混煤的收到基水分增加，煤粉燃燒需要更多的熱量，且水分蒸發(fā)率越大[9]，則磨煤機蒸發(fā)水分消耗的熱能越多；當配風方式不發(fā)生改變時，則磨煤機出口風粉混合物獲得的熱能減少，勢必會使煤粉在制粉系統(tǒng)中的干燥程度下降，進入爐膛的煤粉氣流溫度降低，造成著火推遲，使著火前期主燃燒區(qū)處于富氧狀態(tài)，促進燃料中的氮向NOx轉(zhuǎn)化[10]。而如果混煤中水分含量增大，煤粉在爐膛中吸收輻射熱量增加，會促進煤粉加熱速度加快，縮短反應(yīng)區(qū)停留時間，水分相變以及過熱所需熱量增加，降低爐膛燃燒溫度[11]，會抑制NOx產(chǎn)生，所以必須綜合正反兩個方面考慮水分對NOx析出的影響。

從試驗數(shù)據(jù)變化結(jié)果可看出，煤中水分含量小于8%時，NOx排放量隨水分增大而減少，試驗受溫度影響較大，隨后NOx排放趨于穩(wěn)定，溫度影響作用不再凸顯。從燃燒動力學角度出發(fā)，當煤種為外在水含量小于8%狀態(tài)時，燃煤的堆積比重達到最小，此時煤層疏松，比表面積接觸大，通風均勻，可以強化燃燒，并且從煤粉中逸出的水蒸氣，會增加輻射強度，提高火焰溫度，不利于NOx控制[12]。試驗煤樣數(shù)據(jù)中揮發(fā)分含量變化范圍為20%～32%，根據(jù)揮發(fā)分含量將試驗數(shù)據(jù)分為兩組，即中低揮發(fā)分組揮發(fā)分為20%～26%，中高揮發(fā)分組揮發(fā)分為26%～32%。不同揮發(fā)分范圍內(nèi)混煤燃燒時的NOx隨水分變化的分布見圖2。

圖2 不同揮發(fā)分范圍內(nèi)混煤燃燒時的NOx隨水分變化

由圖中可知，隨水分變化時，中低揮發(fā)分組NOx排放量大于中高揮發(fā)分組NOx排放數(shù)值。這表明對于中高揮發(fā)分，水分對于抑制NOx產(chǎn)生影響更大。由于揮發(fā)分相對低的煤粉著火性能差，水分含量加大使煤粉著火性能更差，爐膛燃燒環(huán)境變差，不利于NOx的控制。

2.2 灰分影響

大多數(shù)情況下，F(xiàn)e、Al、Ca、Mg、K、Na元素是煤中礦物質(zhì)的主要成分。煤中礦物質(zhì)越多，煤中灰分越多。它與煤的其他特性如成分、發(fā)熱量、結(jié)渣性、活性及可磨性等有不同程度的依賴關(guān)系[13]。

試驗在300 MW負荷下，爐膛出口煙溫800～810℃。試驗中設(shè)定了爐膛出口氧量高低兩種工況，分別為1.7%～1.9%(工況一)和2.3%～2.5%(工況二)，水分在5%～8%之間, 揮發(fā)分在25%～28%之間。選定采集入爐煤煤質(zhì)中不同灰分對應(yīng)NOx排放數(shù)值，整理結(jié)果如圖3所示。

圖3 兩種工況下NOx排放數(shù)值隨灰分變化趨勢

根據(jù)圖3可知，在兩種高低氧量工況下，灰分與NOx排放數(shù)值均呈現(xiàn)一定的正相關(guān)。即隨著混煤中灰分含量的增加，促進煤粉燃燒中NOx的產(chǎn)生。

混煤煤樣中的灰分含量直接影響發(fā)熱量以及總煤耗量，進而影響NOx的生成狀況。如圖4可知，混煤煤樣中灰分越高，混煤的低位發(fā)熱量越低，燃燒所需的總煤耗量越高。隨混煤中灰分含量增加，使混煤粉燃燒需要更多的熱量，引起煤量的增加，使得煤中更多的氮元素向NOx轉(zhuǎn)化[14]。對比工況一和工況二(圖3)，NOx排放數(shù)值隨灰分變化趨勢有明顯差異。在灰分為20%～25%時，低氧量對應(yīng)NOx排放增長率較高，可認為在灰分較低時，燃燒對氧量需求較大，容易形成匱氧氛圍，極大的抑制了NOx的產(chǎn)生，隨著灰分增大，燃燒對氧氣的需求減少，富余的氧氣促使NOx排放出現(xiàn)突增的現(xiàn)象。當灰分大于25%時，高氧量工況下的總體增長率高于低氧量工況下增長率，表明灰分含量的高低對NOx排放數(shù)值產(chǎn)生的影響，在相對氧量高的情況下更加劇烈[15]?？烧J為灰分對煤粉可燃物質(zhì)與氧氣的接觸面積有一定的影響，混煤煤粉中灰分含量增加，則可燃物質(zhì)與氧氣接觸面積減少，使得著火推遲[16]，煤粉初始燃燒需要更多的時間，容易在燃燒初期形成一個富氧的氛圍，促進NOx的產(chǎn)生[17]。

圖4 試驗混煤燃燒時灰分與發(fā)熱量及總煤耗量關(guān)系

2.3 揮發(fā)分影響

煤在空氣加熱條件下，煤中有機物與無機物受熱分解出來的懸浮小液態(tài)和氣體混合物即為揮發(fā)分，在滿足著火溫度后即開始燃燒。煤的揮發(fā)分主要成分是結(jié)晶水、礦物質(zhì)分解的二氧化碳、碳氫氧化物和碳氫化合物(甲烷為主)[18]。揮發(fā)分析出的數(shù)量和質(zhì)量對燃燒過程的發(fā)生與發(fā)展以及碳化程度有很大影響。揮發(fā)分的析出數(shù)量越多，則可燃氣體含量越高，燃料易著火且燃燒良好。碳化程度越深，即地質(zhì)年代長的高階煤，析出的揮發(fā)分越少[19]。

試驗在300 MW負荷運行工況穩(wěn)定的條件下，爐膛出口煙溫800～810℃，設(shè)定為高低氧量兩種工況分別為1.7%～1.9%(工況一)和2.3%～2.5%(工況二)，由圖5可看出，揮發(fā)分與NOx排放數(shù)值均呈現(xiàn)一定的負相關(guān)，即隨著混煤中揮發(fā)分含量的增加，將抑制混煤煤粉燃燒產(chǎn)生NOx。

圖5 兩種工況下NOx排放數(shù)值隨揮發(fā)分變化趨勢

混煤煤樣的揮發(fā)分與發(fā)熱量以及和總煤耗量有關(guān)，其變化關(guān)系如圖6所示，可知混煤煤樣中揮發(fā)分越高，混煤的熱值越高，燃燒所需總煤耗量越低?；烀好悍圻M入爐膛中，爐中火焰及高溫輻射使揮發(fā)分快速逸出燃燒，著火溫度低[20]。

圖6 試驗混煤燃燒揮發(fā)分與發(fā)熱量及總煤耗量關(guān)系

隨著煤中揮發(fā)分含量的增大，進入鍋爐的煤粉氣流的著火溫度越低，煤粉氣流的著火熱也較小，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?，爐膛保持較高的溫度水平[21]；使殘留的焦炭具有更高的孔隙率，會與氧氣有更大的接觸表面積，在氧氣充足的情況下，有利于加快焦炭反應(yīng)，促進煤粉完全燃燒。燃燒前期析出的可燃物越多，則需要更多的氧量，而在一次風質(zhì)量流率不變的情況下，相當于在燃燒初期形成一個匱氧氛圍，可以抑制燃料型NOx的產(chǎn)生[22]。對比兩種工況一和工況二不同氧量圖分布趨勢線，高氧量的趨勢線變化率高于低氧量趨勢線變化率，表明增加氧量，會增加NOx的排放。故揮發(fā)分含量越高，對氧量越敏感易形成缺氧的環(huán)境[23]，析出的NOx更多。

3 結(jié)論

在混煤進行燃燒產(chǎn)生NOx情況時，煤質(zhì)成分中的水分、灰分及揮發(fā)分對NOx產(chǎn)生影響較大，其中影響最敏感的是揮發(fā)分。在燃燒煙氣中，NOx的析出與燃燒期間所處的氧氣氛圍有關(guān)，而煤質(zhì)變化是影響混煤燃燒的關(guān)鍵因素，氧量在一定程度上會增加其影響程度。具體結(jié)論如下：

(1)混煤燃燒煤粉中水分與NOx排放量呈負相關(guān)，在中低揮發(fā)分含量時，水分對于抑制NOx產(chǎn)生影響更大；

(2)爐膛出口煙氣中NOx排放數(shù)值隨灰分增加而增加，呈現(xiàn)正相關(guān)規(guī)律，在相對氧量高的情況下影響更加劇烈；

(3)揮發(fā)分與NOx排放量呈負相關(guān)，混煤中揮發(fā)分的含量會影響爐膛溫度，在氧量大時，會加劇這種負相關(guān)情況；

(4)混煤煤質(zhì)中灰分及揮發(fā)分改變對混煤發(fā)熱量影響較大，從而影響總給煤量中氮含量，對NOx產(chǎn)生有一定影響。