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        還原區(qū)當(dāng)量比對煤粉預(yù)熱燃燒特性的影響

        2022-01-14 11:43:00張嘉航朱建國劉敬樟
        潔凈煤技術(shù) 2021年6期
        關(guān)鍵詞:半焦沿程原煤

        張 毅,張嘉航,朱建國,劉敬樟

        (1.中國科學(xué)院 工程熱物理研究所,北京 100190;2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

        0 引 言

        隨著經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展,煤炭在很長一段時(shí)間內(nèi)仍是我國最主要的一次能源[1-3],其清潔高效利用尤為重要。在不采用任何煙氣脫硝設(shè)備的前提下,直接通過燃燒調(diào)控降低NOx排放且不犧牲燃燒效率成為潔凈煤技術(shù)今后的重要發(fā)展方向。目前,國內(nèi)外針對煤燃燒過程中低NOx排放開展了一些研究,主要有低氮燃燒器、分級燃燒和MILD燃燒等[4]。分級燃燒技術(shù)主要分為空氣分級燃燒技術(shù)和燃料分級燃燒技術(shù)。RIBEIRETE和COSTA[5]主要研究了空氣分級燃燒對煤粉爐燃燒性能的影響,研究表明增加燃料在還原區(qū)的停留時(shí)間,可促進(jìn)NOx還原,降低NOx排放。YONMO等[6]研究了采用空氣分級燃燒和不采用空氣分級燃燒情況下,煤粉細(xì)度對燃燒特性和排放的影響,結(jié)果表明,空氣分級燃燒能降低燃燒溫度和尾部NOx排放,但會導(dǎo)致CO含量增加,燃燒效率降低[7]。燃料分級的概念首先由WENDT等[8]提出,在燃料再燃系統(tǒng)中,分段供給的燃料和空氣將爐膛分為3個(gè)不同的燃燒區(qū)域:一級再燃區(qū)、再燃區(qū)和燃盡區(qū)。后續(xù)研究表明燃料分級燃燒的脫硝率在爐內(nèi)脫硝技術(shù)中最高,能極大降低煤燃燒過程中的NOx排放。呂清剛等[9]通過結(jié)合空氣分級、燃料分級等技術(shù),自主研發(fā)了預(yù)熱燃燒技術(shù);WANG等[10]建造了與該技術(shù)相應(yīng)的預(yù)熱燃燒試驗(yàn)臺,并進(jìn)行了多煤種的預(yù)熱燃燒特性和NOx生成特性研究。ZHU等[11-14]在此基礎(chǔ)上開展了富氧預(yù)熱燃燒特性及NOx排放特性試驗(yàn)研究以及不同參數(shù)變化對該過程特性的影響等。但上述預(yù)熱燃燒試驗(yàn)研究的還原區(qū)空氣當(dāng)量比一般低于0.7,而高還原區(qū)當(dāng)量比(高于0.7)下的預(yù)熱燃料燃燒特性和NOx排放特性等基本規(guī)律尚不明確。

        因此,筆者在保持循環(huán)流化床運(yùn)行參數(shù)和整體過量空氣系數(shù)基本不變的前提下,探索還原區(qū)當(dāng)量比對預(yù)熱燃料燃燒性能的影響,包括溫度分布、沿程氣體組分分布和尾部排放特性等,以豐富對煤粉預(yù)熱燃燒特性的基本認(rèn)識,為煤粉預(yù)熱燃燒技術(shù)發(fā)展提供借鑒。

        1 試 驗(yàn)

        1.1 試驗(yàn)裝置和原理

        試驗(yàn)在30 kW預(yù)熱燃燒試驗(yàn)裝置上進(jìn)行,主要由3部分組成:用于燃料改性的循環(huán)流化床、燃料發(fā)生主要燃燒反應(yīng)的下行燃燒室以及輔助設(shè)備。試驗(yàn)原理為原煤在循環(huán)流化床內(nèi)與低過量系數(shù)的空氣混合,發(fā)生部分氣化和部分燃燒反應(yīng)后轉(zhuǎn)化成高溫的預(yù)熱半焦和預(yù)熱煤氣(統(tǒng)稱為高溫預(yù)熱燃料),生成的高溫預(yù)熱燃料再進(jìn)入下行燃燒室與二次風(fēng)和三次風(fēng)混合后燃盡。高溫預(yù)熱燃料和二次空氣從不同管路分別進(jìn)入燃燒室后摻混燃燒,三次風(fēng)從距離燃燒室頂部1 200 mm的位置給入。

        試驗(yàn)臺詳情見文獻(xiàn)[15-16],試驗(yàn)流程如圖1所示,二次風(fēng)和高溫煤基燃料進(jìn)入燃燒室的位置如圖2所示。下行燃燒室沿程布置5個(gè)氣體和固體取樣點(diǎn),分別位于距離燃燒室頂部100、400、900、1 400和2 400 mm五個(gè)截面上,同時(shí),5個(gè)截面上還布置有5個(gè)熱電偶,主要通過5個(gè)截面處的氣體成分和溫度表征燃燒室沿程的煙氣成分和溫度變化。

        圖1 試驗(yàn)裝置流程

        圖2 二次風(fēng)和高溫預(yù)熱燃料的給入位置

        1.2 燃料特性

        試驗(yàn)所用神木煙煤粒徑為0~0.355 mm,粒徑分布如圖3所示。可知累積體積分?jǐn)?shù)10%、50%和90%所對應(yīng)的切割粒徑分別為18.54、118.32和301.80 μm。

        圖3 原煤的粒徑分布

        神木原煤的工業(yè)分析和元素分析見表1,其中C/H和C/O比通過原煤的元素分析確定。

        表1 原煤的工業(yè)分析和元素分析

        1.3 試驗(yàn)參數(shù)

        預(yù)熱燃燒過程中,保持循環(huán)流化床各運(yùn)行參數(shù)和過量空氣系數(shù)等不變,改變還原區(qū)當(dāng)量比的試驗(yàn)工況參數(shù)見表2,還原區(qū)當(dāng)量比λRe為0.70~0.96。

        表2 試驗(yàn)工況參數(shù)

        λCFB、λRe、λTe、λ計(jì)算公式為

        (1)

        (2)

        (3)

        λ=λRe+λTe,

        (4)

        式中,APr、ASe、ATe分別為一次風(fēng)、二次風(fēng)和三次風(fēng)的體積流率,m3/h;AStoic為燃料完全燃燒所需要的理論空氣流率,m3/h。

        2 結(jié)果與討論

        本文主要分析同一循環(huán)流化床運(yùn)行參數(shù)下,生成的高溫預(yù)熱煤氣和預(yù)熱半焦與不同二次風(fēng)量、三次風(fēng)量混合后的燃燒特性。

        2.1 預(yù)熱特性

        循環(huán)流化床的運(yùn)行溫度分布如圖4所示,循環(huán)流化床預(yù)熱室運(yùn)行穩(wěn)定,溫度分布均勻,平均預(yù)熱溫度為850 ℃,超過燃料燃點(diǎn),預(yù)熱燃料進(jìn)入燃燒室與二次風(fēng)混合后可直接燃燒,不存在著火和穩(wěn)燃問題。

        圖4 循環(huán)流化床溫度分布

        2.1.1高溫預(yù)熱煤氣成分分析

        試驗(yàn)過程中,分別對穩(wěn)定工況的高溫預(yù)熱煤氣成分和預(yù)熱半焦進(jìn)行測量和取樣,煤氣成分見表3??芍A(yù)熱條件下,生成的預(yù)熱煤氣中含有可燃還原性氣體CO、H2和CH4,煤氣熱值為2.1 MJ/m3。高溫預(yù)熱煤氣噴入下行燃燒室與二次風(fēng)混合后發(fā)生均相燃燒反應(yīng),提升燃燒室溫度。預(yù)熱煤氣的含氮?dú)怏w物質(zhì)中僅檢測到NH3,未發(fā)現(xiàn)HCN和NOx。

        表3 煤氣成分分布

        2.1.2粒徑分布對比

        原煤和預(yù)熱燃料的粒徑分布對比如圖5所示,煤粉經(jīng)過循環(huán)流化床預(yù)熱后,其中位粒徑d50由118.32 μm變?yōu)?1.70 μm,煤粉粒徑變細(xì),這與原煤預(yù)熱過程中因揮發(fā)分析出導(dǎo)致的顆粒爆破有關(guān),其試驗(yàn)結(jié)果與之前研究結(jié)果[15-16]一致。

        圖5 原煤和預(yù)熱半焦的粒徑分布

        2.1.3預(yù)熱半焦和原煤的碳結(jié)構(gòu)有序性分析

        為表明預(yù)熱過程對原煤樣品的改性作用,利用拉曼光譜分析了原煤和預(yù)熱半焦樣品的碳結(jié)構(gòu)有序性,拉曼光譜分峰擬合曲線結(jié)果如圖6所示。

        圖6 原煤和預(yù)熱半焦的拉曼光譜分峰擬合曲線

        由圖6可知,2個(gè)樣品的拉曼光譜原始曲線都可擬合成5個(gè)峰(D1、D2、D3、D4、G)[17-21]。主要采用拉曼光譜擬合成的各峰面積比值(如IG/IAll,ID3+D4/IG,其中I為光譜峰面積)來表征樣品的碳結(jié)構(gòu)有序性。

        原煤和預(yù)熱半焦的拉曼光譜帶比值如圖7所示。

        圖7 原煤和預(yù)熱半焦的拉曼光譜帶比值

        由圖7可知,相比于原煤,預(yù)熱半焦的拉曼光譜帶比值ID3+D4/IG增加,而IG/IAll降低。說明原煤經(jīng)歷預(yù)熱過程后,其碳結(jié)構(gòu)有序性破壞,混亂程度增加,從而導(dǎo)致樣品的反應(yīng)性增加。

        綜上所述,相比于原煤,預(yù)熱半焦粒徑減小,預(yù)熱燃料的碳結(jié)構(gòu)有序性降低、反應(yīng)性增加。

        2.2 預(yù)熱燃料的部分燃燒特性

        2.2.1溫度分布

        不同還原區(qū)當(dāng)量比下的燃燒室沿程溫度分布如圖8所示??芍€原區(qū)當(dāng)量比增加時(shí),距離燃燒室頂部100和400 mm處的溫度增加,當(dāng)還原區(qū)當(dāng)量比為0.70和0.79時(shí),燃燒室溫度最高點(diǎn)在距離噴口900 mm附近,當(dāng)還原區(qū)當(dāng)量比增大到0.96時(shí),燃燒室最高溫度點(diǎn)出現(xiàn)在距離噴口100 mm附近,且整個(gè)燃燒室的溫度隨與噴口距離的增加而下降??梢娺€原區(qū)當(dāng)量比增加,主燃燒區(qū)向噴口附近移動。

        圖8 不同的還原區(qū)當(dāng)量比下燃燒室沿程的溫度分布

        2.2.2沿程氣體分布

        試驗(yàn)對下行燃燒室沿程5個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行氣體在線測量。改變還原區(qū)當(dāng)量比后,沿程N(yùn)Ox和CO質(zhì)量濃度分布如圖9所示。

        圖9 燃燒室沿程CO和NOx排放質(zhì)量濃度對比

        由圖9可知,隨著還原區(qū)當(dāng)量比增加,燃燒室沿程的NOx排放質(zhì)量濃度降低。三次風(fēng)給入燃燒室前,即燃燒室噴口至三次風(fēng)區(qū)域內(nèi)為還原性氣氛,三次風(fēng)噴口至燃燒室出口為氧化性氣氛。在三次風(fēng)以前,即燃燒室還原性區(qū)域內(nèi),并未檢測到NOx,但檢測到了較高質(zhì)量濃度的CO,導(dǎo)致NOx還原。還原區(qū)當(dāng)量比增大后,還原區(qū)內(nèi)CO質(zhì)量濃度降低,部分CO發(fā)生了燃燒反應(yīng)。三次風(fēng)后的氧化性氣氛中,CO質(zhì)量濃度降低,NOx質(zhì)量濃度上升,結(jié)果表明,還原區(qū)當(dāng)量比為0.96時(shí),NOx和CO排放質(zhì)量濃度均呈最低值。

        為進(jìn)一步闡述還原區(qū)當(dāng)量比改變對燃燒室內(nèi)含氮?dú)怏w釋放的影響,將不同工況下的沿程含氮?dú)怏w組分進(jìn)行對比,具體如圖10所示(6% O2)。

        圖10 不同工況下的沿程含氮?dú)怏w組分分布對比

        由圖10可知,3個(gè)還原區(qū)當(dāng)量比的含氮組分隨下行燃燒室的分布規(guī)律大體一致,其中整個(gè)燃燒室沿程的NH3、HCN、N2O含量極低,總質(zhì)量濃度均不超過10 mg/m3,可將其忽略。三次風(fēng)以前,燃燒室內(nèi)NO質(zhì)量濃度為0,NO2是主要的含氮組分。三次風(fēng)從距燃燒室頂部1 200 mm處給入后,NO2質(zhì)量濃度快速降至0,且保持為0的狀態(tài),同時(shí)NO質(zhì)量濃度快速上升,且沿程N(yùn)O質(zhì)量濃度隨著還原區(qū)空氣當(dāng)量比的增加而降低。在強(qiáng)還原性氣氛下,揮發(fā)分氮和焦炭氮主要轉(zhuǎn)換成N2和NO2。WANG等[22]研究結(jié)果表明,在高質(zhì)量濃度CO條件下,NO2的還原反應(yīng)被削弱,且NO2質(zhì)量濃度隨著頂部距離的增加而降低。三次風(fēng)從1 200 mm處給入后,燃燒室由還原性氣氛轉(zhuǎn)變成氧化性氣氛,CO質(zhì)量濃度很快降至很低。此時(shí),低質(zhì)量濃度的還原性物質(zhì),如CO和焦炭,對NO2有很強(qiáng)的還原作用,結(jié)合NO2的分解反應(yīng)導(dǎo)致燃燒室1 400和2 400 mm處的NO2迅速降低至0,同時(shí)生成的NO質(zhì)量濃度增加。根據(jù)測量結(jié)果,可推斷下行燃燒室含氮?dú)怏w發(fā)生的反應(yīng)有

        (5)

        (6)

        (7)

        (8)

        總體來看,未通入三次風(fēng)前的強(qiáng)還原區(qū)內(nèi),燃燒室沿程的含氮物質(zhì)主要以NO2形式存在,而在氧化性氣氛下,含氮物質(zhì)主要以NO形式存在。還原區(qū)內(nèi)的NO2峰值點(diǎn)隨著還原區(qū)當(dāng)量比的增加而降低,這是因?yàn)镹O2的生成與還原性氣氛的強(qiáng)弱有關(guān)。

        2.2.3尾部NOx排放特性

        不同還原區(qū)當(dāng)量比的NOx排放特性如圖11所示(6% O2)。增大還原區(qū)當(dāng)量比能明顯降低NOx排放。主要原因是還原區(qū)當(dāng)量比增大,促進(jìn)燃料氮的析出,析出的燃料氮在還原性條件下易于向N2轉(zhuǎn)化,從而導(dǎo)致最終NOx排放降低。

        圖11 不同工況下的NOx排放質(zhì)量濃度對比

        3 結(jié) 論

        1)循環(huán)流化床空氣當(dāng)量比為0.49、預(yù)熱溫度為883 ℃時(shí),煤粉預(yù)熱后粒徑減小,碳結(jié)構(gòu)有序性降低,預(yù)熱燃料的反應(yīng)活性增加。

        2)還原區(qū)當(dāng)量比增加,預(yù)熱燃料燃燒最高溫度向噴口移動,主燃燒區(qū)上移,燃燒室沿程溫度逐漸降低,還原區(qū)當(dāng)量比變化可調(diào)控燃燒室溫度分布水平。

        3)燃燒室還原性氣氛下含氮物質(zhì)主要以NO2形式存在,其濃度隨還原區(qū)當(dāng)量比的增加而降低;含氮物質(zhì)在氧化性氣氛下主要以NO形式存在,隨著還原區(qū)當(dāng)量比的增加,沿程和尾部的NOx排放質(zhì)量濃度降低。

        4)還原區(qū)當(dāng)量比為0.96時(shí),NOx和CO排放水平均較低。

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