孫 禹，孟長芳

(1.國家能源集團(tuán) 神東煤炭集團(tuán)公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209；2.煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013；4.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點實驗室，北京 100013)

規(guī)模化燃燒利用是最直接、簡便的生物質(zhì)能利用方式。但是生物質(zhì)的能量密度低，大規(guī)模的生物質(zhì)燃料發(fā)電運輸半徑過長，導(dǎo)致運輸成本高昂，不具備明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。而以村鎮(zhèn)、園區(qū)為用戶，以附近區(qū)域內(nèi)生物質(zhì)廢棄物為燃料，采用直接燃燒或混煤燃燒的方式進(jìn)行供熱、供汽，既可以充分利用當(dāng)?shù)厣镔|(zhì)能源進(jìn)行低成本供熱、供汽，又實現(xiàn)了當(dāng)?shù)厣镔|(zhì)廢棄物的減量、無害化處理。這種小規(guī)模、分布式的生物質(zhì)燃燒利用方式，為我國生物質(zhì)資源利用提供了一種有效的路徑。NOx排放控制是生物質(zhì)小規(guī)模、分布式燃燒利用中需要重點關(guān)注的問題。大量研究已經(jīng)表明，由于生物質(zhì)高揮發(fā)分的特性，與煤摻燒后有助于降低整體燃料氮向NO的轉(zhuǎn)化率。但是由于我國環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，以及有些種類生物質(zhì)燃料的氮元素含量較高，單純通過生物質(zhì)與煤摻燒無法滿足當(dāng)前NOx排放的要求。與電站鍋爐相比，小型工業(yè)鍋爐的容量和運行參數(shù)都較低，如果將電站鍋爐上成熟應(yīng)用的NOx控制技術(shù)“移植”到工業(yè)鍋爐，在技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)適應(yīng)性上都需要進(jìn)行論證。本文采用試驗手段，驗證空氣分級低氮燃燒技術(shù)在小型工業(yè)鍋爐燃用生物質(zhì)/煙煤粉體燃料應(yīng)用場景下的技術(shù)可行性和實際降氮效果?？諝夥旨壢紵且环N有效的低氮燃燒技術(shù)，該技術(shù)不但可以大幅降低煤炭燃燒的NOx排放，也可以降低生物質(zhì)燃燒的NOx生成。董靜蘭等[1-2]分別在管式爐和一維滴管爐分級燃燒條件下，研究了生物質(zhì)與煤摻燒時NOx排放的影響。孫家浩等[3]利用仿真計算手段模擬了生物質(zhì)與煤在兩段式滴管爐分級燃燒時的NOx排放。上述研究考察了生物質(zhì)摻混比、溫度、過量空氣系數(shù)、配風(fēng)比等操作參數(shù)對NOx生成的影響規(guī)律，也針對各因素對NOx生成和抑制機(jī)制進(jìn)行了研究，具有重要的指導(dǎo)意義。但是，上述研究更多是針對富氧燃燒條件，而對空氣分級燃燒條件下的研究比較有限，此外上述研究的熱態(tài)條件均與鍋爐實際運行條件相差很大。

本文在空氣分級條件下，以生物質(zhì)與煤混燃的NOx排放特性為研究對象，首先采用更接近實際工業(yè)鍋爐熱態(tài)條件的兩段式滴管爐進(jìn)行熱態(tài)試驗，考察生物質(zhì)摻混比、過量空氣系數(shù)、配風(fēng)比對NOx排放的影響，從而確定空氣分級燃燒的最佳運行條件。

1 試驗系統(tǒng)

1.1 試驗裝置與工況設(shè)定

兩段式滴管爐試驗系統(tǒng)如圖1所示，由滴管爐本體、微量給粉器、配風(fēng)系統(tǒng)、分析取樣設(shè)備、冷卻與控制系統(tǒng)組成。兩段式滴管爐將爐體分為主燃區(qū)和燃盡區(qū)2部分。滴管爐本體上段為主燃區(qū)，溫度范圍為室溫到1 600 ℃，用于模擬燃料粉體在燃燒器內(nèi)的燃燒狀態(tài)；下段為燃盡區(qū)，溫度范圍為室溫到1 000 ℃，用于模擬粉體燃料在爐膛內(nèi)部的燃燒狀態(tài)。微量給粉器給料精度±5‰。燃盡區(qū)出口設(shè)置高溫氣體流量計測量煙氣流量。氣體流量計下游設(shè)置旋風(fēng)筒采樣器，用于采集燃燒殘留物。燃盡區(qū)出口煙氣成分由Testo350煙氣分析儀器測定。爐膛底部還設(shè)置水冷采樣槍，可以插入爐膛的不同深度采集氣體，進(jìn)行氣體成分分析。

圖1 兩段式滴管爐實驗系統(tǒng)示意Fig.1 Structural diagram of two-stage dropper tube furnace system

試驗過程中，燃料供給速率3 g/min，一次風(fēng)為微量空氣，利于燃料供給(在計算配風(fēng)比時忽略)；二次風(fēng)為助燃風(fēng)，由3號、4號氣路進(jìn)入主燃區(qū)；三次風(fēng)為燃盡風(fēng)，由5號、6號氣路進(jìn)入燃盡區(qū)。各級風(fēng)量由質(zhì)量流量計控制。根據(jù)工業(yè)鍋爐實際運行經(jīng)驗，試驗中主燃區(qū)溫度設(shè)定為1 200 ℃、燃盡區(qū)溫度設(shè)定為1 000 ℃。

1.2 燃料特性

試驗燃料為由秸稈粉、木質(zhì)粉、神府煙煤粉以及生物質(zhì)、煙煤按照不同質(zhì)量摻混比配制的混合粉體燃料。秸稈粉和木質(zhì)粉分別為工業(yè)試驗場地附近農(nóng)田廢棄物、廢舊家具膠合板經(jīng)過粉碎得到的粒徑小于0.5 mm的粉體，煤粉為平均粒徑70 μm。燃料的工業(yè)分析與元素分析見表1。

表1 燃料工業(yè)分析與元素分析Tab.1 Industrial analysis and elemental analysis

由表1可以看到，秸稈的氮元素含量最低，為0.41%，而由于膠合板中還有大量高氮膠粘劑，木質(zhì)粉的氮元素含量達(dá)到1.37%，高于煤粉中氮含量。

2 結(jié)果分析

2.1 生物質(zhì)種類及摻混比對NO排放影響

生物質(zhì)摻混量對NO排放的影響如圖2所示。

圖2 生物質(zhì)摻混量對NO排放的影響Fig.2 Influence of biomass blending amount on NO emission

圖2中，過量空氣系數(shù)為1.2，單級供風(fēng)和二次風(fēng)率(二次風(fēng)量/二、三次風(fēng)總風(fēng)量)為0.6兩種配風(fēng)燃燒方式下，隨秸稈摻混比的增加，NO排放濃度呈現(xiàn)降低趨勢;隨木質(zhì)粉摻混比的增加，NO排放濃度呈現(xiàn)上升趨勢。這是由于秸稈與木質(zhì)粉氮元素含量直接的差異，導(dǎo)致與煤摻混后，混合燃料氮元素含量隨秸稈粉摻混的增加而降低，隨木質(zhì)粉摻混比的增加而升高。燃料氮元素的變化直接影響到最終NO的排放。

煤/生物質(zhì)摻燒，除了改變?nèi)剂现械睾客?，也對燃燒過程中燃料氮向NO轉(zhuǎn)化率具有顯著影響。根據(jù)生成機(jī)制不同，NOx主要分為燃料型、熱力型、快速型3種。其中，熱力型NOx在溫度低于1 200 ℃時，幾乎測量不到；快速型NOx只占NOx總量的5%左右。因此，本文假設(shè)燃燒中產(chǎn)生NOx均為燃料型NOx。

燃料氮向NO轉(zhuǎn)化率由式(1)計算：

(1)

式中，η為燃料氮向NO的轉(zhuǎn)化效率;mNO為煙氣中NO平均濃度;Q為單位時間內(nèi)氣體體積;M為單位時間給料量;NC與NB分別為煤粉和生物質(zhì)粉氮含量；ω為生物質(zhì)質(zhì)量摻混比。

單級供風(fēng)和配風(fēng)比為0.6兩種配風(fēng)燃燒方式下，不同生物質(zhì)摻混比對燃料氮向NO轉(zhuǎn)化率的影響如圖3所示。由圖3可以看到，在2種配風(fēng)方式下，煤粉摻燒2種生物質(zhì)，燃料氮轉(zhuǎn)化率均隨生物質(zhì)摻混比的增加而降低。即無論生物質(zhì)燃料氮含量高低，煤中摻燒生物質(zhì)都有助于降低NO生成。摻燒生物質(zhì)對NO生成的抑制作用主要體現(xiàn)在3個方面[4-8]。①生物質(zhì)燃料揮發(fā)分高，本文中秸稈和木質(zhì)粉的揮發(fā)分分別為68.06%和62.06%，為神府煙煤揮發(fā)分的2倍左右，且更易著火，在摻混燃燒過程中，秸稈燃料相對煤粉提前釋放大量揮發(fā)分并著火燃燒。大量揮發(fā)分的燃燒形成局部還原性氣氛區(qū)域。在還原性氣氛區(qū)域，揮發(fā)分釋放產(chǎn)生的小分子中間產(chǎn)物大部分無法氧化為NO，而是與燃燒生成的NO發(fā)生反應(yīng)生成N2。②秸稈本身結(jié)構(gòu)疏松、燃燒初期揮發(fā)分釋放劇烈。與煤粉相比，秸稈燃燒過程中形成具有細(xì)小孔隙結(jié)構(gòu)的焦炭。本文采用熱重天平在氮氣氣氛，600 ℃下對煤、秸稈、木質(zhì)制焦，并進(jìn)行BET分析，煤焦、秸稈焦和木質(zhì)焦比表面積分別為4.1、42.7和38.4 m2/g。在物理角度上，生物質(zhì)焦炭具有強(qiáng)氣體吸附性，可以吸附NO。在化學(xué)角度上，焦炭空隙越多，在高溫條件下與NO發(fā)生還原反應(yīng)速率越大。③生物質(zhì)灰堿金屬含量高，利用XRF方法測定灰分見表2。堿金屬元素[9]對焦炭還原NO具有催化作用。

圖3 生物質(zhì)摻混量對燃料氮NO轉(zhuǎn)化率的影響Fig.3 Influence of biomass blending amount on the conversion rate of fuel nitrogen and NO

表2 不同燃料灰分Tab.2 Ash composition of different flues

2.2 配風(fēng)對NO排放的影響

過量空氣系數(shù) 1.2條件下，不同燃料、配風(fēng)比的燃料氮向NO轉(zhuǎn)化率如圖4所示。由圖4可知，燃料氮轉(zhuǎn)化率隨二次風(fēng)率增加先下降后上升。在單級供風(fēng)時燃料氮轉(zhuǎn)化率最大，二次風(fēng)率為0.6時燃料氮轉(zhuǎn)化率最小。該結(jié)果與文獻(xiàn)[3]的結(jié)果規(guī)律一致。這表明與煤空氣分級燃燒相同[10-12]，空氣分級燃燒條件下煤與生物質(zhì)混合燃燒同樣存在使NO排放最低的最佳配風(fēng)比。為了分析煤與生物質(zhì)燃料燃燒中的氮氧化物的生成與抑制機(jī)制，采用取樣槍沿滴管爐高度采集氣體成分。由于兩段式滴管爐結(jié)構(gòu)的限制，無法在同一次試驗中同時測量主燃區(qū)和燃盡區(qū)的沿程氣體成分，只能在同一工況下進(jìn)行2組試驗，分別對主燃區(qū)和燃盡區(qū)進(jìn)行測量。不同燃料在單級供風(fēng)、二次風(fēng)率0.6配風(fēng)燃燒方式下，NO濃度沿滴管爐高度分布如圖5所示。

由圖5可以看到，2種配風(fēng)方式下NO的釋放在燃燒初期就已經(jīng)完成，在隨后的燃燒進(jìn)程中主要是NO還原的過程，且NO還原主要發(fā)生在主燃區(qū)。分級燃燒條件下，由于主燃區(qū)整體處于還原性氣氛中，NO的凈生成量要明顯低于單級供風(fēng)時NO凈生成量。不同的配風(fēng)燃燒方式對燃料燃盡率也具有顯著影響，在鍋爐實際運行中,要根據(jù)降氮效果和對燃料燃盡率影響綜合考慮,選取適合的配風(fēng)比例。因此需要考察二次風(fēng)率對燃料燃盡率的影響。不同燃料、不同配風(fēng)比下，燃燒殘留物含碳量如圖6所示。

圖6 二次風(fēng)率對燃料燃盡率影響Fig.6 Effect of secondary air rate on fuel burnout rate

由圖6可以看到，燃料灰含碳量隨著二次風(fēng)率的升高逐漸降低，當(dāng)采用單級供風(fēng)時，燃盡效果最佳。這是由于單極供風(fēng)時，過量氧氣在高溫主燃區(qū)就開始參與燃燒反應(yīng)，燃燒反應(yīng)速率要明顯高于分級配風(fēng)時的燃燒速率。由圖6還可以看到，二次風(fēng)率對煤粉燃盡的影響最為顯著。隨著生物質(zhì)摻混比的增加，二次風(fēng)率對燃料燃盡的影響逐漸降低。當(dāng)燃燒純生物質(zhì)時，二次風(fēng)率由0.4升高到1.0，燃料灰含碳量僅降低1%。這是由于生物質(zhì)燃料著火點低且更易于燃燒，在高溫和空氣充足的條件下，燃盡率受配風(fēng)比影響較小。

2.3 過量空氣系數(shù)對NO排放的影響

不同燃料、不同配風(fēng)方式下，燃料氮轉(zhuǎn)化率隨過量空氣系數(shù)的變化規(guī)律如圖7所示。由圖7可以看到，隨過量空氣系數(shù)的增加，不同工況的燃料氮轉(zhuǎn)化均呈增加趨勢。這是由于過量空氣系數(shù)的增加，增加了主燃區(qū)氣氛的氧化性，燃燒中釋放的小分子中間產(chǎn)物沒有被還原，而是被氧化成NO。此外，過量空氣系數(shù)的升高也縮短了燃料在滴管爐中的停留時間，因此還原反應(yīng)的時間也被縮短。

圖7 過量空氣系數(shù)對燃料氮轉(zhuǎn)化率的影響Fig.7 Effect of excess air coefficient on fuel nitrogen conversion rate

燃燒殘留物含碳量隨過量空氣系數(shù)的變化規(guī)律如圖8所示。過量空氣系數(shù)對燃料燃盡的影響主要體現(xiàn)在2個方面：①過量空氣系數(shù)升高增加了反應(yīng)氣氛的氧化性，加快燃燒速率，對燃盡具有促進(jìn)作用；②過量空氣系數(shù)升高縮短了燃料在滴管爐中停留時間和燃燒反應(yīng)時間，對燃盡具有抑制作用。由圖8可以看到，燃料灰含碳量隨過量空氣系數(shù)的增加呈現(xiàn)下降趨勢。這說明在本試驗中，過量空氣系數(shù)升高對燃料燃盡的促進(jìn)起主導(dǎo)作用。

圖8 過量空氣系數(shù)對燃料燃盡影響Fig.8 Effect of excess air coefficient on fuel burnout

3 結(jié)論

本文采用兩段式滴管爐試驗系統(tǒng)模擬粉體工業(yè)鍋爐熱態(tài)環(huán)境，研究了生物質(zhì)摻混比、配風(fēng)燃燒方式、過量空氣系數(shù)對NO排放特性的影響，得到如下結(jié)論。

(1)燃料氮元素含量對NO排放濃度具有顯著影響。

(2)在分級配風(fēng)和單級供風(fēng)條件下，煤粉摻燒生物質(zhì)/粉都有助于降低燃料氮向NO的轉(zhuǎn)化率。

(3)相對于單級供風(fēng)，分級配風(fēng)可以大幅降低燃料氮向NO的轉(zhuǎn)化率，且存在NO排放最低的最佳配風(fēng)比。但分級配風(fēng)對燃料燃盡有負(fù)面影響，分級配風(fēng)對粉煤燃盡的影響程度要大于對生物質(zhì)粉的影響程度。

(4)在分級配風(fēng)和單級供風(fēng)條件下，增加過量空氣系數(shù)有助于各種燃料的燃盡，但各燃料氮轉(zhuǎn)化率均隨過量空氣系數(shù)的增加而上升。