丁鴻亮,歐陽(yáng)子區(qū)
(1.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 工程科學(xué)學(xué)院,北京 100049;2.中國(guó)科學(xué)院 工程熱物理研究所,北京 100190)
我國(guó)豐富的煤炭探明儲(chǔ)量中,低階煤占比大[1-3]。氣化殘?zhí)渴堑碗A煤分級(jí)分質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品[4],通過(guò)對(duì)其進(jìn)一步的燃燒利用可避免直接廢棄造成的能源浪費(fèi)與環(huán)境污染等問(wèn)題,提高煤炭資源的整體利用效率。但由于氣化殘?zhí)烤哂袚]發(fā)分極低、著火和穩(wěn)定燃燒較難等特點(diǎn),現(xiàn)有的常規(guī)煤粉鍋爐通常難以實(shí)現(xiàn)深度處理。探索氣化殘?zhí)康姆€(wěn)定、高效、潔凈燃燒技術(shù),為其廣泛應(yīng)用提供新的技術(shù)方案和理論支撐,已成為當(dāng)前亟待解決的難題。
燃煤利用過(guò)程中產(chǎn)生的氮氧化物(NOx)會(huì)對(duì)大氣環(huán)境造成嚴(yán)重污染[5-6]。由于煤粉在實(shí)際燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的NOx化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定,且相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)較復(fù)雜,因此對(duì)其控制效果不理想[5]。研究發(fā)現(xiàn),高濃度的氮氧化物易引發(fā)多種大氣污染,如光化學(xué)煙霧、酸雨等,同時(shí)也會(huì)對(duì)臭氧層造成破壞,加劇溫室效應(yīng)[6]。NOx也會(huì)危害人類健康,易引發(fā)肺部疾病。我國(guó)環(huán)保部門針對(duì)燃煤污染物已陸續(xù)出臺(tái)了多項(xiàng)政策,并發(fā)布了相關(guān)規(guī)范文件,NOx減排任務(wù)勢(shì)在必行[5]。目前除成熟度較高的脫氮技術(shù)[7-9]外,無(wú)焰燃燒(MILD)作為新型燃燒技術(shù)在NOx排放控制上顯現(xiàn)巨大潛力[10-11],近30年發(fā)展迅速。研究結(jié)果表明[12-19],在無(wú)焰燃燒區(qū)域內(nèi),燃燒穩(wěn)定性高,燃燒溫度分布均勻且峰值較低,無(wú)肉眼可見(jiàn)的火焰鋒面,NOx排放水平較低。對(duì)于固體燃料,其實(shí)現(xiàn)無(wú)焰燃燒的主要方式是以燃?xì)饣蛐顭狍w中的高溫低氧空氣作助燃?xì)怏w[17-18],也可利用常溫空氣高速射流卷吸煙氣方式來(lái)滿足無(wú)焰燃燒條件[19-21]。Weidmann等[22]在中試試驗(yàn)平臺(tái)(230 kWth)上研究了煤粉的無(wú)焰氧化過(guò)程,證實(shí)了無(wú)焰燃燒技術(shù)能提高燃料燃燒的均勻性,通過(guò)OH化學(xué)成像和LDV表征手段描述了煤粉無(wú)焰氧化過(guò)程中反應(yīng)區(qū)域拓?fù)浜土鲌?chǎng)模型,發(fā)現(xiàn)富氧工況下較低溫度可降低HCN的釋放和NOx形成。Stadler等[15]研究表明,與火焰燃燒相比,褐煤與煙煤無(wú)焰燃燒狀態(tài)下產(chǎn)生的熱力型NOx含量降低約50%。Saha等[23]在立式爐上研究了無(wú)焰燃燒模式下CO2射流速度對(duì)維多利亞褐煤燃燒特性的影響,結(jié)果表明,射流雷諾數(shù)與煤揮發(fā)分釋放速率呈正相關(guān),二者增加會(huì)造成褐煤總碳消耗速率明顯下降。但有關(guān)氣化細(xì)粉灰無(wú)焰燃燒模式下的燃料特性、煤氮轉(zhuǎn)化及NOx排放卻鮮有報(bào)道。
中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所于2007年提出適用于固體燃料高效低氮燃燒的煤粉高溫燃燒方法[23],并據(jù)此研發(fā)出煤粉自預(yù)熱燃燒工藝[24],打破了傳統(tǒng)燃燒模式下燃料高效燃燒與低NOx排放的相互制約。燃料首先在預(yù)熱燃燒器中進(jìn)行部分燃燒與部分氣化反應(yīng)釋放熱量,實(shí)現(xiàn)自身預(yù)熱,無(wú)需外部熱源,隨后在燃燒過(guò)程中結(jié)合分級(jí)燃燒技術(shù)進(jìn)一步降氮。在30 kW煤粉自預(yù)熱燃燒小試[25-27]、MW級(jí)煤粉自預(yù)熱燃燒中試[28-29]等試驗(yàn)裝置上實(shí)現(xiàn)了多種燃料穩(wěn)定的預(yù)熱燃燒,研究結(jié)果均證明煤粉自預(yù)熱燃燒技術(shù)具有實(shí)現(xiàn)燃料清潔高效燃燒的潛力,揭示了預(yù)熱促進(jìn)燃料改性和活化的內(nèi)在機(jī)制。在煤粉自預(yù)熱燃燒技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用方面,中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所開(kāi)發(fā)了20~60 t/h的煤粉預(yù)熱燃燒鍋爐,展現(xiàn)出煤種適應(yīng)性廣、負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大和NOx排放低等技術(shù)優(yōu)勢(shì)[30]。煤氣化的副產(chǎn)物——?dú)饣?xì)粉灰,具有揮發(fā)分極低、熱值小、可燃性差和反應(yīng)特性差等特點(diǎn),常規(guī)燃燒技術(shù)難以利用,且經(jīng)煤氣化處理后,其物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)特性較原燃料發(fā)生很大變化。目前采用煤粉自預(yù)熱燃燒技術(shù)實(shí)現(xiàn)氣化細(xì)粉灰的穩(wěn)定、高效和清潔燃燒以及預(yù)熱過(guò)程中的煤氮轉(zhuǎn)化和NOx生成特性研究的相關(guān)文獻(xiàn)較少。
本文在前期研究基礎(chǔ)上采用煤粉自預(yù)熱燃燒技術(shù),在燃燒室內(nèi)實(shí)現(xiàn)了氣化細(xì)粉灰的無(wú)焰燃燒,旨在探索實(shí)現(xiàn)氣化細(xì)粉灰燃燒中低NOx排放的新途徑,并對(duì)其煤氮轉(zhuǎn)化特性及NOx排放進(jìn)行深入研究。
試驗(yàn)裝置為30 kW固體碳基燃料預(yù)熱無(wú)焰燃燒試驗(yàn)臺(tái),其原理如圖1所示,主要由預(yù)熱燃燒器、下行燃燒室及其他輔助系統(tǒng)組成。
圖1 試驗(yàn)工藝流程Fig.1 Processing flow chart of experimental system
預(yù)熱燃燒器本體采用Cr25Ni20不銹鋼材料制成,以循環(huán)流化床為設(shè)計(jì)原型。一部分助燃風(fēng)(一次風(fēng),風(fēng)量為理論風(fēng)量的20%~40%)從提升管底部供入,另一部分燃燒所需空氣(二次風(fēng)和三次風(fēng))分別從下行燃燒室頂部噴嘴和側(cè)壁噴嘴引入。試驗(yàn)開(kāi)始前,向預(yù)熱燃燒器內(nèi)加入4 kg石英砂作為蓄熱床料。燃料進(jìn)入預(yù)熱燃燒器后在高溫床料作用下發(fā)生部分燃燒與部分反應(yīng),實(shí)現(xiàn)自身預(yù)熱,產(chǎn)生的高溫煤氣和高溫煤焦(統(tǒng)稱為預(yù)熱燃料)從旋風(fēng)分離器出口離開(kāi),進(jìn)入下行燃燒室繼續(xù)燃燒。
下行燃燒室頂部噴口采用高溫預(yù)熱燃料與二次風(fēng)同軸射流噴口,結(jié)構(gòu)如圖2所示。高溫預(yù)熱燃料從中心筒噴入,中間一層為內(nèi)二次風(fēng)通道,最外側(cè)為外二次風(fēng)通道。三次風(fēng)噴口布置在距下行燃燒室頂部1 000 mm處。在側(cè)墻上布置6層觀火窗,其中最上2層為15 mm×150 mm的方形,位于燃料噴口以下80 mm及250 mm處,下面4層為內(nèi)徑63 mm的圓形,分別位于600、900、1 200及1 600 mm處。引入少量壓縮空氣對(duì)內(nèi)側(cè)觀火窗進(jìn)行吹掃,以清除燃燒過(guò)程中沉積的飛灰,其對(duì)燃燒的影響可忽略。
圖2 高溫預(yù)熱燃料與二次風(fēng)同軸射流噴口Fig.2 High temperature preheated fuel and secondary air coaxial jet nozzle
表1為熱電偶(不確定度 < 0.5%)的安裝位置。在預(yù)熱燃燒器內(nèi)布置5支K型熱電偶,在下行燃燒室沿軸線方向布置10支S型熱電偶。本試驗(yàn)測(cè)得的溫度均已根據(jù)輻射量進(jìn)行校正。取樣口分別設(shè)置在旋風(fēng)分離器出口處,以及距下行燃燒室頂部150、400、900、1 400、2 400和3 400 mm處,可在線分析下行燃燒室不同位置處的高溫?zé)煔狻?duì)于預(yù)熱燃燒器出口氣體:① 高溫煤氣利用氟膜集氣袋收集,并連接至GC7800氣相色譜儀(安捷倫科技有限公司)分析成分組成;② 利用電化學(xué)KM9106便攜式煙氣分析儀對(duì)高溫煤氣中O2、NO和NO2進(jìn)行在線分析;③ 利用稀硫酸溶液與氫氧化鈉溶液吸收高溫煤氣中的NH3和HCN,分別采用納氏試劑分光光度法和硫氰酸汞分光光度法分析,其詳細(xì)測(cè)量精度見(jiàn)文獻(xiàn)[31]。利用Gasmet FTIR DX4000煙氣分析儀(芬蘭GASMET公司)對(duì)下行燃燒室沿程各處煙氣組分進(jìn)行在線分析。利用氧化鋯對(duì)煙氣冷卻器出口煙氣氧含量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)過(guò)程中利用Ganon G7XII相機(jī)(光圈F4,快門速度1/1 000 s,感光ISO 1000,色溫6 000 K)拍攝燃燒室內(nèi)的火焰燃燒狀況。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與取樣工作均在系統(tǒng)已進(jìn)入工況并穩(wěn)定運(yùn)行2 h 后進(jìn)行,取樣過(guò)程各測(cè)點(diǎn)溫度波動(dòng)控制在±4 ℃以內(nèi)。
表1 試驗(yàn)系統(tǒng)熱電偶布置
試驗(yàn)原料為產(chǎn)自山東茌平的氣化細(xì)粉灰,揮發(fā)分低,穩(wěn)定燃燒較難,其工業(yè)分析及元素分析見(jiàn)表2,灰成分分析和灰熔融性分析見(jiàn)表3。氣化細(xì)粉灰粒徑分布范圍為0~100 μm,其中50%切割粒徑d50=13.2 μm,90%切割粒徑d90=40.93 μm,具體粒徑分布如圖3所示。預(yù)熱燃燒器床料粒徑范圍為0.1~0.5 mm。
表2 茌平氣化細(xì)粉灰工業(yè)分析和元素分析
表3 茌平氣化細(xì)粉灰灰成分分析和灰熔融性分析
圖3 氣化細(xì)粉灰粒徑分布曲線Fig.3 Particle size distribution curve of gasification fine powder ash
預(yù)熱溫度和預(yù)熱燃燒器空氣當(dāng)量比是影響氣化細(xì)粉灰中煤氮析出和轉(zhuǎn)化的重要因素。由于2個(gè)變量之間存在相關(guān)關(guān)系,因此本文在進(jìn)行單一變量試驗(yàn)時(shí),通過(guò)給煤量和配風(fēng)量之間的協(xié)同控制,實(shí)現(xiàn)對(duì)另一變量的約束,研究不同預(yù)熱條件下氣化細(xì)粉灰中氮元素的轉(zhuǎn)化特性,并在下行燃燒室內(nèi)實(shí)現(xiàn)氣化細(xì)粉灰無(wú)焰燃燒模式下的低NOx排放。試驗(yàn)具體運(yùn)行工況參數(shù)見(jiàn)表4。其中,預(yù)熱燃燒器當(dāng)量比、二次風(fēng)當(dāng)量比(內(nèi)外二次風(fēng)比為1∶1)、三次風(fēng)當(dāng)量比分別為通入預(yù)熱燃燒器的風(fēng)量、二次風(fēng)量以及三次風(fēng)量與煤粉完全燃燒所需理論空氣量的比值,預(yù)熱溫度指預(yù)熱燃燒器內(nèi)的最高溫度,輸入熱功率與給煤量呈正相關(guān)。
表4 試驗(yàn)工況參數(shù)
以工況2為例對(duì)預(yù)熱燃燒器運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行研究。圖4為預(yù)熱燃燒器內(nèi)溫度隨時(shí)間變化曲線。試驗(yàn)工況穩(wěn)定時(shí),提升管內(nèi)溫度分布均勻,最高溫度為902 ℃,位于提升管中部;最低溫度為865 ℃,位于提升管底部,最高溫差為37 ℃,體現(xiàn)了循環(huán)流化床溫度均勻化的特點(diǎn)。預(yù)熱燃燒器內(nèi)溫度平穩(wěn),基本不隨時(shí)間推移發(fā)生明顯變化,說(shuō)明氣化細(xì)粉灰在過(guò)量空氣系數(shù)為0.25的工況下,可在循環(huán)流化床中穩(wěn)定地進(jìn)行部分氣化和部分燃燒反應(yīng),釋放熱量,將溫度維持在900 ℃。下行燃燒室入口溫度為725 ℃,這是因?yàn)楣艿垒^長(zhǎng),保溫較差導(dǎo)致熱量散失。同時(shí)說(shuō)明預(yù)熱燃燒器能夠連續(xù)、穩(wěn)定地產(chǎn)生溫度725 ℃的高溫預(yù)熱燃料。對(duì)于其他工況,預(yù)熱燃燒器床內(nèi)的溫度分布也能保持較高的穩(wěn)定性和均勻性。
圖4 工況2預(yù)熱燃燒器內(nèi)溫度隨時(shí)間變化曲線Fig.4 Temperature variations over timein preheating burner in case 2
圖5為預(yù)熱燃燒器內(nèi)壓力差隨時(shí)間變化曲線。從濾波后的曲線可以看出,當(dāng)預(yù)熱燃燒系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),物料濃度分布基本均勻,各部分壓差波動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),再次說(shuō)明高溫預(yù)熱燃料可穩(wěn)定、連續(xù)地進(jìn)入下行燃燒室進(jìn)一步燃燒。因此,利用預(yù)熱燃燒器對(duì)氣化細(xì)粉灰進(jìn)行預(yù)熱的方法可行。
圖5 工況2預(yù)熱燃燒器內(nèi)壓力差隨時(shí)間變化曲線Fig.5 Pressure differences variations over timein preheating burner in case 2
研究不同預(yù)熱溫度下的燃料氮轉(zhuǎn)化與NOx排放特性的工況為工況1、2、3。在調(diào)整試驗(yàn)參數(shù)至工況穩(wěn)定的過(guò)程中,預(yù)熱燃燒器內(nèi)溫度隨給煤量的增加而減小,隨空氣量的增加而增加。因此試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)協(xié)同控制給煤量和配風(fēng)量,在不改變預(yù)熱燃燒器空氣當(dāng)量比的前提下,實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)熱溫度的控制。
2.2.1預(yù)熱過(guò)程燃料氮轉(zhuǎn)化特性
工況穩(wěn)定后在旋風(fēng)分離器出口對(duì)預(yù)熱后的高溫煤氣進(jìn)行取樣,分析結(jié)果見(jiàn)表5??芍瑲饣?xì)粉灰預(yù)熱后的煤氣成分大部分為N2和CO2,另有少量的CO、H2和CH4。其中,CH4含量最少,占比不到0.5%。未檢測(cè)到O2及NOx,表明高溫煤氣具有強(qiáng)還原性,對(duì)NOx的生成有很好的抑制作用。氣化細(xì)粉灰中的部分燃料氮在欠氧的強(qiáng)還原性氣氛下提前脫除,主要向N2、NH3與HCN三種含氮物質(zhì)轉(zhuǎn)化。NH3與HCN含量隨預(yù)熱溫度的升高略有增加,濃度比接近1∶1。3種工況下產(chǎn)生的高溫煤氣均具有較高的低位熱值,可見(jiàn),攜帶大量化學(xué)熱、氣固顯熱的預(yù)熱燃料將穩(wěn)定進(jìn)入下行燃燒室燃燒,熱量被下行燃燒室有效利用。
表5 不同預(yù)熱溫度下高溫煤氣成分(干基)
在旋風(fēng)分離器出口處對(duì)預(yù)熱后的高溫煤焦取樣進(jìn)行工業(yè)分析和元素分析,并利用灰平衡假設(shè)[32],對(duì)氣化細(xì)粉灰中各元素轉(zhuǎn)化率進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如圖6所示。氣化細(xì)粉灰各組分的轉(zhuǎn)化率隨預(yù)熱溫度的增加而增加。預(yù)熱溫度由854 ℃增至902 ℃時(shí),各組分轉(zhuǎn)化率上升明顯;而預(yù)熱溫度進(jìn)一步升高到950 ℃時(shí),各組分轉(zhuǎn)化率上升幅度減小。其中大部分揮發(fā)分在預(yù)熱過(guò)程中析出。根據(jù)氮平衡假設(shè)[25],預(yù)熱過(guò)程中燃料氮向N2、NH3和HCN的轉(zhuǎn)化率計(jì)算結(jié)果如圖7所示。預(yù)熱溫度的變化對(duì)煤氮向NH3與HCN轉(zhuǎn)化率影響不大,主要影響煤氮向N2的轉(zhuǎn)化率。預(yù)熱溫度由854 ℃增到902 ℃時(shí),煤氮向N2的轉(zhuǎn)化率增大且幅度較明顯;預(yù)熱溫度進(jìn)一步增到950 ℃時(shí),煤氮向N2的轉(zhuǎn)化率增加但幅度明顯減小。氣化細(xì)粉灰在整個(gè)預(yù)熱過(guò)程中的氮轉(zhuǎn)化率在20%以下,說(shuō)明有大多數(shù)氮仍殘留在高溫煤焦中。為進(jìn)一步確定高溫煤焦中的氮元素分布,將高溫煤焦置于馬弗爐中加熱,去除水分與揮發(fā)分后,進(jìn)行元素分析,得到的氮元素結(jié)果即為高溫煤焦中焦炭氮含量。從高溫煤焦總氮含量中扣除焦炭氮含量即為揮發(fā)分氮含量。高溫煤焦含氮分布如圖8所示??芍?種工況下取得的高溫煤焦中揮發(fā)分氮占比均小于5%,且隨著預(yù)熱溫度的升高逐漸減小。焦炭氮占高溫預(yù)熱煤焦中總氮含量的95%以上,說(shuō)明幾乎全部揮發(fā)分氮已在預(yù)熱過(guò)程中析出,進(jìn)入下行燃燒室參與燃燒反應(yīng)的燃料氮類型主要為焦炭氮,成為后續(xù)燃燒中NOx的主要來(lái)源。
圖6 不同預(yù)熱溫度下各組分轉(zhuǎn)化率Fig.6 Conversion rate of each componentat different preheating temperatures
圖7 不同預(yù)熱溫度下煤氮向各含氮化合物轉(zhuǎn)化率Fig.7 Conversion rate of fuel-N to each nitrogen compoundat different preheating temperatures
圖8 不同預(yù)熱溫度下高溫煤焦含氮分布Fig.8 Nitrogen distribution of high temperaturecoal char at different preheating temperatures
2.2.2高溫預(yù)熱燃料燃燒特性
圖9為下行燃燒室溫度沿軸向變化曲線。3條溫度曲線的峰值溫度均低于1 100 ℃,表明熱力型NOx產(chǎn)出量極低,基本可忽略。在下行燃燒室中,預(yù)熱后的煤氣含有較多的可燃組分,與二次風(fēng)相遇后能快速著火并燃燒,不存在著火延遲,因此燃燒室頂部靠近二次風(fēng)噴口區(qū)域的燃燒溫度較高,均高于950 ℃,3個(gè)工況下的最高溫度均在距下行燃燒室頂部800 mm處達(dá)到。在二次風(fēng)和三次風(fēng)配比相同的情況下,隨著預(yù)熱溫度升高,預(yù)熱燃料在下行燃燒室的燃燒溫度也略有提高,總體燃燒穩(wěn)定,說(shuō)明預(yù)熱可明顯改善氣化細(xì)粉灰的燃燒特性。
圖9 下行燃燒室溫度沿軸向變化曲線Fig.9 Temperature profiles along the axis of down-firedcombustor at different preheating temperatures
下行燃燒室沿軸線方向不同位置處火焰照片如圖10所示。在下行燃燒室內(nèi)壁、頂部的預(yù)熱燃料噴口以及各熱電偶探針和取樣管,無(wú)明顯火焰鋒面,屬于典型的無(wú)焰燃燒。隨預(yù)熱溫度升高,火焰照片亮度逐漸變亮,在預(yù)熱溫度為950 ℃時(shí)亮度達(dá)到最大,這與圖9中下行燃燒室的溫度分布趨勢(shì)較吻合。在試驗(yàn)臺(tái)尾部取飛灰進(jìn)行可燃物測(cè)定,根據(jù)文獻(xiàn)[25]中公式計(jì)算燃燒效率。經(jīng)計(jì)算,預(yù)熱溫度為854、902和950 ℃時(shí),燃燒效率分別為91.23%、93.86%和90.72%,表明燃燒效率與燃燒區(qū)域溫度及火焰亮度并非單純的正比關(guān)系,而是隨預(yù)熱溫度升高先增后減,預(yù)熱溫度為902 ℃時(shí)達(dá)到最大。3個(gè)工況下,氣化細(xì)粉灰均在下行燃燒室實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的無(wú)焰燃燒,燃燒效率均較高。
圖10 下行燃燒室沿軸線方向不同位置處火焰照片F(xiàn)ig.10 Flame images along the axis of down-fired combustor at different preheating temperatures
2.2.3NOx排放特性
不同預(yù)熱溫度下,氣化細(xì)粉灰NOx排放量(6% O2)和燃料氮向NOx的轉(zhuǎn)化率如圖11所示。轉(zhuǎn)化率和NOx排放濃度隨預(yù)熱溫度的變化趨勢(shì)相同,均隨預(yù)熱溫度的升高先減小后增加。902 ℃為本研究氣化細(xì)粉灰最佳預(yù)熱溫度,NOx排放濃度達(dá)到最低,為102.31 mg/m3,此時(shí)燃料氮向NOx的轉(zhuǎn)化率達(dá)最小值,為6.13%。NOx排放濃度隨預(yù)熱溫度的變化關(guān)系與預(yù)熱燃料特性有關(guān),研究表明[33],高溫煤焦的孔結(jié)構(gòu)對(duì)NOx的還原有重要作用,預(yù)熱溫度為900 ℃時(shí),高溫煤焦的比表面積和孔容積最大,增加了與NOx的接觸面積,對(duì)NOx的異相還原最強(qiáng),更多的NOx被煤焦還原成N2,從而降低了NOx的排放濃度。
圖11 NOx排放濃度與燃料氮向NOx轉(zhuǎn)化率Fig.11 NOx concentration and fuel-N to NOx conversionratio at different preheating temperatures
研究不同預(yù)熱器空氣當(dāng)量比下的燃料氮轉(zhuǎn)化與NOx排放特性的工況為工況2、4、5。通過(guò)改變給煤量和配風(fēng)量,保證試驗(yàn)系統(tǒng)在預(yù)熱燃燒器空氣當(dāng)量比變化的條件下,維持預(yù)熱溫度基本不變。
2.3.1預(yù)熱過(guò)程燃料氮轉(zhuǎn)化特性
表6為不同空氣當(dāng)量比下的高溫煤氣成分??梢钥闯?,NH3含量隨著空氣當(dāng)量比的增加明顯上升,而HCN含量逐漸減少。文獻(xiàn)[34]中指出,HCN主要來(lái)源于揮發(fā)分,NH3主要來(lái)源于焦炭。因此推斷,隨著空氣當(dāng)量比增加,氣化細(xì)粉灰中將有更多煤氮從焦炭中析出轉(zhuǎn)化為NH3。圖12為不同預(yù)熱燃燒器當(dāng)量比下各組分轉(zhuǎn)化率計(jì)算結(jié)果。隨著空氣當(dāng)量比增大,各組分的轉(zhuǎn)化率增加,但幅度較小。雖然C轉(zhuǎn)化率隨著預(yù)熱燃燒器空氣當(dāng)量比的增長(zhǎng)而增大,但煤氣中CO和CO2含量并非線性變化(表6)。這是由于CO、C與O2的燃燒反應(yīng)及C與CO2的氣化反應(yīng)相互競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。預(yù)熱燃燒器空氣當(dāng)量比從0.35 增至0.45時(shí),燃燒反應(yīng)份額增大,因此煤氣中CO含量降低,CO2含量升高。
表6 不同預(yù)熱燃燒器空氣當(dāng)量比下高溫煤氣成分(干基)
圖12 不同預(yù)熱燃燒器當(dāng)量比下各組分轉(zhuǎn)化率Fig.12 Conversion rate of each component at different λ1
不同預(yù)熱燃燒器當(dāng)量比下,預(yù)熱過(guò)程中煤氮向N2、NH3和HCN的轉(zhuǎn)化率如圖13所示。與圖7結(jié)果不同,預(yù)熱燃燒器當(dāng)量比的變化對(duì)煤氮向HCN的轉(zhuǎn)化率影響不大,主要影響煤氮向N2和NH3的轉(zhuǎn)化率。隨預(yù)熱燃燒器當(dāng)量比增加,煤氮向N2的轉(zhuǎn)化率下降,向NH3的轉(zhuǎn)化率上升,二者趨勢(shì)正好相反,最終體現(xiàn)在揮發(fā)分氮總含量的變化幅度較小。高溫煤焦含氮分布如圖14所示。高溫煤焦中焦炭氮含量隨預(yù)熱燃燒器空氣當(dāng)量比的增加而逐漸減小,與NH3、HCN含量變化情況相符。焦炭氮在高溫煤焦總氮中仍占主導(dǎo)地位,是后續(xù)燃燒中NOx的主要來(lái)源。適當(dāng)增加預(yù)熱燃燒器空氣當(dāng)量比,可增加焦炭氮在預(yù)熱過(guò)程中轉(zhuǎn)化為NH3的幾率。
圖13 不同預(yù)熱器空氣當(dāng)量比下煤氮向各含氮化合物轉(zhuǎn)化率Fig.13 Conversion rate of fuel-N to each nitrogencompound at different λ1
圖14 不同預(yù)熱燃燒器當(dāng)量比下高溫煤焦含氮分布Fig.14 Nitrogen distribution of high temperaturecoal char at different preheating temperatures
2.3.2高溫預(yù)熱燃料燃燒特性
圖15為下行燃燒室溫度沿軸向變化曲線??芍?,在二次風(fēng)和三次風(fēng)配比相同的情況下,隨著預(yù)熱燃燒器空氣當(dāng)量比增加,預(yù)熱燃料在下行燃燒室的燃燒溫度逐漸降低。在三次風(fēng)噴口位置以上區(qū)域,溫度均勻增加,這主要是由煙氣回流以及煤氣和煤焦的不同燃燒區(qū)間造成的。在三次風(fēng)噴口位置以下區(qū)域,煙氣為平推流,溫度呈下降趨勢(shì),近似線性。由于散熱條件相同,3條曲線的溫度下降速率相同。下行燃燒室沿軸線方向不同位置處火焰照片如圖16所示。3個(gè)工況的整體燃燒區(qū)域亮度均較均勻,在下行燃燒室600和900 mm區(qū)域,燃燒亮度最亮,可見(jiàn)主要燃燒過(guò)程發(fā)生在該區(qū)域內(nèi),在該區(qū)域外,燃燒反應(yīng)較弱。隨著預(yù)熱燃燒器空氣當(dāng)量比增加,預(yù)熱燃料在下行燃燒室的火焰亮度逐漸變暗,無(wú)肉眼可見(jiàn)的火焰鋒面,結(jié)合下行燃燒室軸向的溫度分布,可以判斷本組試驗(yàn)同樣實(shí)現(xiàn)了氣化細(xì)粉灰穩(wěn)定的無(wú)焰燃燒。經(jīng)計(jì)算,預(yù)熱燃燒器空氣當(dāng)量比為0.25、0.35、0.45時(shí),燃燒效率均在90%以上,分別為93.86%、90.53%和90.62%。
圖15 下行燃燒室溫度沿軸向變化曲線Fig.15 Temperature profiles along the axis ofdown-fired combustor at different λ1
圖16 下行燃燒室沿軸線方向不同位置處火焰照片F(xiàn)ig.16 Flame images along the axis of down-fired combustor at different λ1
2.3.3NOx排放特性
不同預(yù)熱器空氣當(dāng)量比下,氣化細(xì)粉灰NOx排放量(6% O2)和燃料氮向NOx的轉(zhuǎn)化率如圖17所示??梢钥闯?,NOx排放濃度隨預(yù)熱燃燒器空氣當(dāng)量比的增加而減小,λ1=0.45時(shí),預(yù)熱溫度為最佳預(yù)熱溫度(表4),此時(shí)NOx排放濃度達(dá)最低,為83.02 mg/m3,燃料氮向NOx的轉(zhuǎn)化率也達(dá)到最小值,為5.94%。適當(dāng)增大預(yù)熱燃燒器空氣當(dāng)量比可大幅降低NOx排放水平。由圖12可知,預(yù)熱燃燒器空氣當(dāng)量比增加,在預(yù)熱過(guò)程中燃料氮的轉(zhuǎn)化率也會(huì)增加,有利于 NOx減排。此外,文獻(xiàn)[27]表明,預(yù)熱后高溫煤焦的孔隙結(jié)構(gòu)會(huì)隨預(yù)熱燃燒器空氣當(dāng)量比的增加更加發(fā)達(dá),有利于其進(jìn)入下行燃燒室繼續(xù)燃燒過(guò)程中NOx在焦炭表面的還原。兩者綜合作用導(dǎo)致預(yù)熱燃燒器空氣當(dāng)量比越高,最終的轉(zhuǎn)化率和NOx排放濃度越低。相比于改變預(yù)熱溫度,較多的焦炭氮在預(yù)熱過(guò)程中析出并轉(zhuǎn)化為NH3,因此圖17中NOx排放濃度明顯小于圖11,再次說(shuō)明焦炭氮對(duì)于NOx排放的重要性。
圖17 NOx排放濃度與燃料氮向NOx轉(zhuǎn)化率Fig.17 NOx concentration and fuel-N toNOx conversion ratio at different λ1
在工程實(shí)際中應(yīng)重點(diǎn)聚焦于焦炭氮并盡可能使其提前脫除,減少在燃燒過(guò)程中向NOx的轉(zhuǎn)化,從而實(shí)現(xiàn)減排的目的。
綜合試驗(yàn)結(jié)果,目前現(xiàn)有的固體燃料燃燒裝置中直接燃用氣化細(xì)粉灰與本文的煤粉自預(yù)熱燃燒技術(shù)相比,難以達(dá)到理想效果[27,35-36],同時(shí)為提高燃燒效率,鍋爐的燃燒溫度較高,導(dǎo)致更高濃度的NOx及SO2等污染物排放[37-38],無(wú)法穩(wěn)定、高效和清潔利用。若要對(duì)氣化灰渣中的未燃碳進(jìn)行配煤摻燒利用,其高灰分會(huì)影響氣化渣作為補(bǔ)充燃料的摻燒量,增大煤灰量,碳、灰相互制約,阻礙了其資源化利用[39-40]。與常規(guī)煤粉爐相比,循環(huán)流化床對(duì)多種固體燃料有更廣泛的適應(yīng)性,可直接實(shí)現(xiàn)氣化細(xì)粉灰的穩(wěn)定燃燒[41-42],但造價(jià)較高、成本昂貴、耗電量較大。本文融合了煤粉自預(yù)熱燃燒、顆粒改性和分級(jí)燃燒等技術(shù)調(diào)整燃料與氧化劑的混合過(guò)程,控制燃料N向NOx的轉(zhuǎn)化,實(shí)現(xiàn)了氣化細(xì)粉灰的無(wú)焰燃燒,獲得了低NOx排放的調(diào)控參數(shù),為難燃低揮發(fā)分煤基固廢的工程利用提供了技術(shù)支持,證明了煤粉自預(yù)熱燃燒技術(shù)可突破常規(guī)的加熱、著火和燃燒方式,燃料適應(yīng)性廣,對(duì)氣化細(xì)粉灰類低揮發(fā)分煤化工固廢仍適用,燃燒穩(wěn)定性好且排放更低,具有廣闊的工程化應(yīng)用前景。
1)預(yù)熱燃燒技術(shù)可燃用低揮發(fā)分的氣化細(xì)粉灰,預(yù)熱燃燒器內(nèi)溫度平穩(wěn),隨時(shí)間基本不變。產(chǎn)生的高溫預(yù)熱燃料能夠連續(xù)、穩(wěn)定地進(jìn)入下行燃燒室進(jìn)一步燃燒,無(wú)著火延遲。本研究的所有工況均實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的無(wú)焰燃燒,燃燒區(qū)域溫度分布均勻,峰值溫度低,無(wú)明顯的火焰鋒面。
2)預(yù)熱對(duì)氣化細(xì)粉灰的燃燒特性改善有重要作用。預(yù)熱產(chǎn)生的高溫煤氣具有強(qiáng)還原性,以N2及CO2等為主,不含O2和NOx,對(duì)NOx的生成有很好的抑制作用。部分燃料氮在欠氧的強(qiáng)還原性氣氛下提前脫除,主要向N2、NH3與HCN這3種含氮物質(zhì)轉(zhuǎn)化。氣化細(xì)粉灰中幾乎全部的揮發(fā)分氮和大部分揮發(fā)分在預(yù)熱過(guò)程中析出,因此進(jìn)入下行燃燒室參與燃燒反應(yīng)的燃料氮類型主要為焦炭氮,成為后續(xù)燃燒中NOx的主要來(lái)源。
3)隨預(yù)熱溫度升高,氣化細(xì)粉灰在預(yù)熱過(guò)程中各組分的轉(zhuǎn)化率增加。相比于預(yù)熱燃燒器空氣當(dāng)量比,預(yù)熱溫度對(duì)預(yù)熱過(guò)程中揮發(fā)分氮的釋放影響較明顯,主要體現(xiàn)在其對(duì)煤氮向N2轉(zhuǎn)化率的影響。燃燒效率在預(yù)熱溫度為902 ℃時(shí)達(dá)到最大,為93.86%。燃料氮向NOx轉(zhuǎn)化率和NOx排放濃度均隨預(yù)熱溫度的升高先減小后增加,902 ℃為本研究中最佳預(yù)熱溫度,此時(shí)NOx排放濃度和燃料氮向NOx的轉(zhuǎn)化率均達(dá)到最小值,分別為102.31 mg/m3(6% O2)和6.13%。
4)隨預(yù)熱燃燒器空氣當(dāng)量比的增加,氣化細(xì)粉灰各組分轉(zhuǎn)化率增加。相比于預(yù)熱溫度,預(yù)熱燃燒器空氣當(dāng)量比主要影響預(yù)熱過(guò)程中煤氮向N2和NH3的轉(zhuǎn)化率,以及焦炭氮的析出。適當(dāng)增加預(yù)熱燃燒器空氣當(dāng)量比,有利于氣化細(xì)粉灰中揮發(fā)分及各組分的釋放,并增加焦炭氮在預(yù)熱過(guò)程中轉(zhuǎn)化為NH3的幾率。燃料氮向NOx轉(zhuǎn)化率和NOx排放濃度均隨預(yù)熱燃燒器空氣當(dāng)量比增加而減小,λ1=0.45為本文最佳預(yù)熱燃燒器空氣當(dāng)量比,NOx排放濃度和燃料氮向NOx的轉(zhuǎn)化率均達(dá)最小值,分別為83.02 mg/m3(6% O2)和5.94%。