王勇強(qiáng)， 陸 方， 周月桂

(上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院， 熱能工程研究所， 上海 200240)

目前，燃煤發(fā)電仍是我國電力工業(yè)的主要組成部分，鍋爐爐內(nèi)煤粉燃燒過程不僅會(huì)影響鍋爐效率，也會(huì)影響煙氣中污染物的排放。除了燃燒方式、燃燒器結(jié)構(gòu)等因素外，煤粉本身的煤質(zhì)特性和物理結(jié)構(gòu)也會(huì)影響其著火、燃燒和燃盡過程。煤粉粒徑是煤粉物理結(jié)構(gòu)中一個(gè)重要參數(shù)，決定著煤粉顆粒的幾何形狀、比表面積、孔隙結(jié)構(gòu)和成分分布等。因此，研究煤粉粒徑對(duì)煤粉著火、燃燒及污染物排放特性的影響尤為重要。

許多學(xué)者采用實(shí)驗(yàn)和模擬方法研究了粒徑對(duì)煤粉物理化學(xué)特性的影響[1-5]。Yu等[4]和Jiang等[5]研究了煤粉細(xì)度對(duì)煤粉物理結(jié)構(gòu)特性的影響，隨著煤粉細(xì)度的減小，其比表面積和孔隙率增加，煤粉燃燒過程中細(xì)煤粉顆粒受熱升溫速率更快，更迅速地脫出揮發(fā)分并著火。張驍博等[6]對(duì)比了4種粒徑煤粉的工業(yè)分析結(jié)果后得出，在研磨過程中隨著煤粉細(xì)度減小，揮發(fā)分含量略有升高，對(duì)煤粉的熱解、著火和燃燒有積極影響。毛曉飛等[7]采用同步熱分析儀研究了不同粒徑無煙煤煤粉的著火和燃盡特性，結(jié)果表明隨著煤粉粒徑減小，煤樣著火溫度和燃盡溫度均有下降趨勢(shì)，煤樣的綜合燃燒特性指數(shù)增加。

Hao等[8]采用一維試驗(yàn)爐研究了煤粉粒徑對(duì)不同煤種NOx排放的影響，結(jié)果表明褐煤、煙煤和貧煤均存在臨界粒徑，此粒徑條件下煤粉燃燒NOx排放最高?？諝夥旨?jí)燃燒技術(shù)是一種應(yīng)用最廣泛的低NOx燃燒技術(shù)[9-11]，煤粉粒徑變化勢(shì)必會(huì)影響空氣分級(jí)燃燒和污染物生成特性。Sung等[12]采用沉降爐進(jìn)行4種粒徑(52～107 μm)下煙煤煤粉空氣不分級(jí)和分級(jí)燃燒試驗(yàn)，結(jié)果表明隨著粒徑減小，不分級(jí)燃燒條件下NOx排放逐漸增加，而空氣分級(jí)燃燒條件下NOx排放基本保持不變。Fan等[13]采用電加熱沉降爐研究了煤粉粒徑對(duì)無煙煤空氣分級(jí)燃燒條件下NOx排放的影響，在淺度空氣分級(jí)燃燒條件下煤粉細(xì)度越小，NOx排放越低，在深度空氣分級(jí)燃燒條件下煤粉細(xì)度的影響較小。

研究表明，煤粉粒徑不僅影響爐內(nèi)煤粉的著火和燃燒過程，同時(shí)影響爐內(nèi)煙氣組分含量和燃料氮的釋放與轉(zhuǎn)化過程，是影響爐內(nèi)煤粉燃燒和NOx排放特性的重要參數(shù)。目前，我國煤炭資源分布中低揮發(fā)分煤的儲(chǔ)量較多，且價(jià)格便宜，但在實(shí)際燃用貧煤的電站鍋爐中存在爐膛NOx排放量超標(biāo)、飛灰含碳量較高等問題。筆者針對(duì)煤粉粒徑對(duì)貧煤燃燒和NOx排放特性的影響，采用煤粉燃燒自維持一維試驗(yàn)爐進(jìn)行了單級(jí)和多級(jí)空氣分級(jí)燃燒試驗(yàn)，探求適用于低揮發(fā)分貧煤高效清潔燃燒的粒徑參數(shù)和空氣分級(jí)燃燒級(jí)數(shù)。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 煤粉燃燒自維持一維試驗(yàn)爐系統(tǒng)

圖1為煤粉燃燒自維持一維試驗(yàn)爐系統(tǒng)示意圖。該系統(tǒng)由一維試驗(yàn)爐本體、給粉系統(tǒng)、燃燒器系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、煙氣處理系統(tǒng)、儀表控制和測(cè)量系統(tǒng)等組成。一維試驗(yàn)爐內(nèi)徑為0.2 m，本體分為4段，燃燒室總高度為3.6 m。旋流燃燒器布置在一維試驗(yàn)爐頂部，旋流數(shù)為1.27，直流一次風(fēng)攜帶煤粉進(jìn)入爐膛，旋流二次風(fēng)提供煤粉燃盡所需空氣，形成的回流區(qū)能有效促進(jìn)煤粉著火和穩(wěn)定燃燒。采用稱重式螺旋給粉機(jī)送粉，煤粉在爐內(nèi)停留時(shí)間約為3.5 s，保證煤粉顆粒在爐內(nèi)充分燃燒。沿爐膛高度方向布置有9個(gè)B分度熱電偶，用于測(cè)量爐內(nèi)沿程煙氣溫度。試驗(yàn)在沒有外部電加熱或天然氣伴熱的情況下實(shí)現(xiàn)煤粉自維持穩(wěn)定燃燒，詳細(xì)介紹參見文獻(xiàn)[14]。

1.2 試驗(yàn)煤種及工況設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選用河南長平貧煤，其元素分析、工業(yè)分析及低位發(fā)熱量見表1。該煤種的干燥無灰基揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.89%，屬于典型貧煤。圖2為4種不同粒徑煤粉的粒徑分布曲線。粒徑分布曲線符合Rosin-Rammler分布，并用平均粒徑Dp來表征各個(gè)煤樣粒徑的大小。4種煤粉平均粒徑Dp分別為22.78 μm、29.81 μm、51.98 μm和110.50 μm，對(duì)應(yīng)的均勻性指數(shù)分別為1.53、1.00、0.88和0.88，煤粉細(xì)度R90分別為0.03%、4.80%、19.80%和43.41%。

長平貧煤的軟化溫度為1 420 ℃，在試驗(yàn)過程中合理控制爐內(nèi)截面熱負(fù)荷和溫度水平，燃燒時(shí)煤粉燃燒自維持一維試驗(yàn)爐系統(tǒng)的熱功率調(diào)整為15 kW，此時(shí)爐內(nèi)最高煙氣溫度低于1 400 ℃，既可以保證煤粉充分著火燃燒，又可避免局部高溫結(jié)渣。試驗(yàn)給煤量為2.16 kg/h，一次風(fēng)風(fēng)率為20%。在爐底位置采用水冷取樣槍等速抽取爐內(nèi)煙氣，高溫?zé)煔饨?jīng)冷卻后進(jìn)入MRU Vario Plus煙氣分析儀，測(cè)量煙氣中O2、CO2、CO和NOx等組分濃度，煙氣分析儀傳感器參數(shù)如表2所示。試驗(yàn)中總過量空氣系數(shù)αT=1.2保持不變，改變主燃區(qū)過量空氣系數(shù)αM和燃盡區(qū)過量空氣系數(shù)αB，研究單級(jí)空氣分級(jí)燃燒條件下不同空氣分級(jí)深度對(duì)煤粉燃燒和NOx排放特性的影響。同時(shí)，在保持主燃區(qū)過量空氣系數(shù)αM=0.85不變的條件下，選取不同燃盡風(fēng)噴口位置比Ms和燃盡風(fēng)風(fēng)量配比λi，進(jìn)行單級(jí)、兩級(jí)、三級(jí)和四級(jí)空氣分級(jí)燃燒試驗(yàn)，探討多級(jí)空氣分級(jí)燃燒進(jìn)一步降低貧煤燃燒NOx排放的可行性。αM、αB、Ms和λi等參數(shù)的定義見文獻(xiàn)[14]。單級(jí)空氣分級(jí)和多級(jí)空氣分級(jí)燃燒試驗(yàn)工況分別如表3和表4所示。

圖1 煤粉燃燒自維持一維試驗(yàn)爐系統(tǒng)示意圖

表1 長平貧煤工業(yè)分析和元素分析

圖2 長平貧煤煤粉粒徑分布Fig.2 Particle size distributions of Changping lean coal

表2 煙氣分析儀傳感器參數(shù)

2 結(jié)果分析與討論

2.1 單級(jí)空氣分級(jí)燃燒條件下煤粉粒徑的影響

圖3為單級(jí)空氣分級(jí)燃燒時(shí)，不同αM條件下煤粉粒徑對(duì)煙氣組分的影響。從圖3可以看出，在空氣不分級(jí)(αM=1.20)條件下，煤粉完全燃燒時(shí)O2體積分?jǐn)?shù)理論值應(yīng)為3.5%，而各工況實(shí)際測(cè)量的O2體積分?jǐn)?shù)要高于該值，表明煤粉在爐內(nèi)燃燒不完全。隨著煤粉粒徑的減小，爐膛出口O2體積分?jǐn)?shù)逐漸降低。一方面煤粉粒徑減小，煤粉顆粒比表面積增加，焦炭更容易與O2接觸，在相同燃燒條件下細(xì)煤粉的燃燒速率更快；另一方面，較大粒徑的煤粉顆粒在燃燒過程中會(huì)在顆粒表面形成灰層，阻礙燃燒后期焦炭與O2的接觸，焦炭燃燒速率降低。因此，在相同條件下，煤粉粒徑減小后煤粉燃燒速率提高，O2消耗速率增加，爐膛出口O2體積分?jǐn)?shù)更低。圖3(c)中，不同煤粉粒徑條件下CO2體積分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì)與O2體積分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)相反，即隨著煤粉粒徑的減小，爐膛出口CO2體積分?jǐn)?shù)增加，表明隨著煤粉粒徑減小，煤粉燃燒更完全，燃盡率更高。該結(jié)論也可以從圖4中煤粉燃盡率隨煤粉粒徑的變化規(guī)律中得到。同時(shí)，具有較快燃燒速率的細(xì)煤粉顆粒，其不完全燃燒生成的CO體積分?jǐn)?shù)也較高，爐膛出口CO體積分?jǐn)?shù)增加。在空氣不分級(jí)條件下，細(xì)煤粉顆粒燃燒速率更高，迅速在爐內(nèi)形成低氧氛圍，抑制了爐內(nèi)NOx生成，并促進(jìn)了已生成NOx的均相異相還原反應(yīng)。

表3 不同主燃區(qū)過量空氣系數(shù)下單級(jí)空氣分級(jí)燃燒試驗(yàn)工況

表4 多級(jí)空氣分級(jí)燃燒試驗(yàn)工況

(a) O2體積分?jǐn)?shù)

(c) CO2體積分?jǐn)?shù)

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著煤粉粒徑減小，空氣分級(jí)燃燒時(shí)爐膛出口O2體積分?jǐn)?shù)、CO體積分?jǐn)?shù)、CO2體積分?jǐn)?shù)和NOx質(zhì)量濃度的變化趨勢(shì)與空氣不分級(jí)燃燒時(shí)基本一致。與空氣不分級(jí)燃燒相比，在空氣分級(jí)燃燒條件下主燃區(qū)過量空氣系數(shù)較低，O2供給量較少，煤粉燃燒初期消耗O2導(dǎo)致主燃區(qū)迅速形成低氧還原性氣氛，此時(shí)存在較強(qiáng)的焦炭氣化反應(yīng)，同時(shí)焦炭顆粒在還原區(qū)停留時(shí)間增加，生成更多的CO。通入燃盡風(fēng)后，CO的氣相燃燒速率比焦炭高，殘余的CO迅速消耗燃盡風(fēng)中的O2，O2體積分?jǐn)?shù)迅速降低。因此，隨著過量空氣系數(shù)的減小，煤粉燃燒后O2體積分?jǐn)?shù)更低。與此同時(shí)，CO2體積分?jǐn)?shù)較高，但CO體積分?jǐn)?shù)變化不大。同時(shí)從圖3(a)可以看出，在深度空氣分級(jí)條件下(αM=0.85、0.70)，盡管隨著煤粉粒徑減小，O2體積分?jǐn)?shù)逐漸降低，但此時(shí)O2體積分?jǐn)?shù)的降低幅度有限，表明深度空氣分級(jí)和煤粉粒徑減小都有利于煤粉燃盡，但貧煤灰分含量較高，焦炭活性較差，難以燃盡，最終O2體積分?jǐn)?shù)維持在4.2%左右。

采用空氣分級(jí)燃燒后，主燃區(qū)和還原區(qū)由氧化性氣氛轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原性氣氛，抑制了煤粉燃燒初期NOx的生成，爐膛出口NOx質(zhì)量濃度隨著αM的減小而降低。在單級(jí)空氣分級(jí)燃燒條件下，煤粉粒徑對(duì)NOx質(zhì)量濃度的影響規(guī)律與空氣不分級(jí)燃燒條件下一致，即隨著煤粉粒徑的減小，NOx質(zhì)量濃度逐漸降低。與空氣不分級(jí)燃燒相比，空氣分級(jí)燃燒條件下隨著煤粉粒徑減小，NOx質(zhì)量濃度的降低速率較快?？諝獠环旨?jí)燃燒條件下，盡管細(xì)煤粉會(huì)迅速消耗O2，降低了主燃區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)，但由于二次風(fēng)量供給充足，此時(shí)還原區(qū)的O2體積分?jǐn)?shù)仍會(huì)維持在4%～5%[15]，呈現(xiàn)氧化性氣氛，焦炭燃燒過程中焦炭氮釋放后迅速生成NO。而在空氣分級(jí)燃燒條件下，主燃區(qū)呈現(xiàn)低氧還原性氣氛，細(xì)煤粉迅速燃燒更容易形成較高體積分?jǐn)?shù)的CO，有利于抑制焦炭燃燒生成NOx。因此，在細(xì)煤粉粒徑條件下爐內(nèi)還原性氣氛增強(qiáng)，有利于提高爐內(nèi)碳?xì)渥杂苫?、含氮中間產(chǎn)物(HCN、NH3)的含量，二者與NOx發(fā)生均相還原反應(yīng)，降低爐內(nèi)NOx質(zhì)量濃度。此外，細(xì)煤粉的粒徑較小，比表面積大，焦炭的活性更強(qiáng)，在低氧還原性氣氛下焦炭與NOx的異相還原反應(yīng)增強(qiáng)，最終NOx質(zhì)量濃度較低。

上述結(jié)果與文獻(xiàn)[16]中煤粉粒徑對(duì)神華煙煤分級(jí)燃燒NOx排放的影響有所不同。神華煙煤初期燃燒釋放較多的揮發(fā)分，在深度空氣分級(jí)時(shí)，還原區(qū)內(nèi)的煙氣O2體積分?jǐn)?shù)基本為0，此時(shí)進(jìn)一步減小煤粉粒徑，對(duì)提升還原區(qū)內(nèi)NOx還原效果有限，因此煙煤在深度空氣分級(jí)燃燒條件下粒徑對(duì)NOx排放的影響較小。這表明，對(duì)于低揮發(fā)分煤，為保持主燃區(qū)和還原區(qū)內(nèi)較強(qiáng)的還原性氣氛，不僅需要滿足深度空氣分級(jí)，同時(shí)需要將煤粉磨制較細(xì)。

從圖4可以看出，隨著煤粉粒徑的增大，煤粉燃盡率逐漸降低，到平均粒徑Dp=51.98 μm處達(dá)到最低，隨后開始升高。圖5給出了單級(jí)空氣分級(jí)燃燒條件下αM=0.85時(shí)煙氣溫度的沿程分布。從圖5可以看出，隨著煤粉燃燒過程的進(jìn)行，煙氣溫度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)Dp=110.50 μm時(shí)，在主燃區(qū)煙氣溫度上升緩慢，且最高煙氣溫度位置遠(yuǎn)離燃燒器噴口，即煤粉著火和燃燒延遲。在該條件下燃盡區(qū)的煙氣溫度高于細(xì)煤粉燃燒條件下的煙氣溫度。這表明隨著煤粉顆粒粒徑增加，煤粉著火和燃燒延遲，煤粉燃燒最劇烈的位置遠(yuǎn)離燃燒器噴口，這導(dǎo)致實(shí)際燃燒過程中主燃區(qū)區(qū)域增加，還原區(qū)區(qū)域減小。當(dāng)Dp增至110.50 μm時(shí)，燃盡風(fēng)提前與焦炭迅速混合，為殘余焦炭供氧，促進(jìn)了煤粉燃盡。

圖4 單級(jí)空氣分級(jí)燃燒條件下不同粒徑的煤粉燃盡率Fig.4 Burnout ratios of pulverized coal with different particlesizes under single air-staged combustion

圖5 單級(jí)空氣分級(jí)燃燒條件下不同粒徑煤粉燃燒的煙氣溫度

2.2 多級(jí)空氣分級(jí)燃燒條件下煤粉粒徑的影響

圖6給出了多級(jí)空氣分級(jí)燃燒條件下煤粉粒徑對(duì)煙氣各組分的影響，其中NS為空氣不分級(jí)燃燒工況。首先，多級(jí)空氣分級(jí)燃燒增加了煤粉顆粒在爐內(nèi)的停留時(shí)間，有利于煤粉燃盡，但此時(shí)逐級(jí)供氧降低了燃盡區(qū)內(nèi)O2體積分?jǐn)?shù)，并且隨著燃盡風(fēng)噴口位置遠(yuǎn)離燃燒器，燃盡風(fēng)噴口區(qū)域爐內(nèi)溫度逐漸降低，焦炭燃燒速率降低。因此，在多級(jí)空氣分級(jí)燃燒條件下，隨著空氣分級(jí)級(jí)數(shù)的增加，爐膛出口O2體積分?jǐn)?shù)的變化幅度在0.5%以內(nèi)。但與單級(jí)空氣分級(jí)燃燒相比，多級(jí)空氣分級(jí)燃燒條件下爐膛出口O2體積分?jǐn)?shù)略有升高，即煤粉燃盡率降低。其次，多級(jí)空氣分級(jí)燃燒在爐內(nèi)燃盡區(qū)形成了低氧還原性氣氛，使得焦炭在燃盡區(qū)內(nèi)氣化反應(yīng)增強(qiáng)，CO生成量增加，爐內(nèi)還原性氣氛增強(qiáng)，爐膛出口CO體積分?jǐn)?shù)較高。研究表明，高體積分?jǐn)?shù)的CO促進(jìn)了CO與NO的均相還原反應(yīng)，同時(shí)低氧還原性氣氛也有利于焦炭與NO之間的異相還原反應(yīng)。因此，多級(jí)空氣分級(jí)燃燒能夠降低NOx質(zhì)量濃度，隨著燃盡風(fēng)級(jí)數(shù)增加，NOx質(zhì)量濃度逐漸降低。多級(jí)空氣分級(jí)燃燒條件下，煤粉粒徑對(duì)NOx質(zhì)量濃度的影響規(guī)律與單級(jí)空氣分級(jí)燃燒不同，整體趨勢(shì)表現(xiàn)為隨著煤粉粒徑減小，NOx質(zhì)量濃度降低，但平均粒徑Dp為29.81 μm時(shí)的NOx質(zhì)量濃度比51.98 μm時(shí)略高。這可能是由于采用多級(jí)空氣分級(jí)燃燒后，下游燃盡風(fēng)位置的溫度較低，存在大粒徑煤粉顆粒燃燒不完全，焦炭氮釋放量較少的可能，使得平均粒徑Dp為51.98 μm時(shí)的NOx質(zhì)量濃度略低一些，但整體表現(xiàn)為最小煤粉粒徑條件下NOx質(zhì)量濃度最低。根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，建議在實(shí)際燃用貧煤的鍋爐中，采用兩級(jí)空氣分級(jí)燃燒和平均粒徑Dp為22.78 μm的細(xì)煤粉相結(jié)合的燃燒技術(shù)方案，可實(shí)現(xiàn)較低的NOx排放量，此時(shí)NOx質(zhì)量濃度為597.6 mg/m3，與空氣不分級(jí)燃燒時(shí)(NOx質(zhì)量濃度為828.89 mg/m3)相比，NOx質(zhì)量濃度降低了27.9%。

(a) O2體積分?jǐn)?shù)

(c) CO2體積分?jǐn)?shù)

3 結(jié) 論

(1) 在相同燃燒條件下，細(xì)煤粉燃燒速率更快，在爐內(nèi)更容易形成低氧還原性氣氛，有利于抑制煤粉燃燒過程中NOx的生成，并促進(jìn)已生成NOx的均相和異相還原反應(yīng)，降低爐膛出口O2體積分?jǐn)?shù)和NOx質(zhì)量濃度。隨著煤粉粒徑的減小，煤粉顆粒燃盡率略有增加。

(2) 與空氣不分級(jí)燃燒相比，深度空氣分級(jí)燃燒條件下隨著粒徑的減小NOx質(zhì)量濃度的降低速率更大，即煤粉粒徑對(duì)深度空氣分級(jí)燃燒條件下NOx質(zhì)量濃度的影響更加顯著。

(3) 采用多級(jí)空氣分級(jí)燃燒能夠在爐內(nèi)燃盡區(qū)形成低氧還原性氣氛，擴(kuò)大爐內(nèi)還原性氣氛區(qū)域，抑制焦炭氮生成NOx，促進(jìn)NOx與焦炭的異相還原反應(yīng)，NOx質(zhì)量濃度減少。隨著煤粉粒徑減小，爐膛出口NOx質(zhì)量濃度降低。