魏 琰 榮

(1.北京天地融創(chuàng)科技股份有限公司，北京 100013；2.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)

0 引 言

煤粉燃燒排放的燃料型NOx占氮氧化物排放總量的80%以上，根據(jù)燃料型NOx中N元素來源的差異將其分為揮發(fā)分NOx和焦炭NOx[1]。

在高溫燃燒條件下，煤粉首先熱解析出大量揮發(fā)分，揮發(fā)分N在熱解過程中基本完全析出。揮發(fā)分N的含量和組分與煤階密切相關(guān)，通常揮發(fā)分含量越高，揮發(fā)分N的釋放量越大[2]。揮發(fā)分N主要以HCN和NH3的形式存在，HCN主要來源于焦油和半焦中熱不穩(wěn)定含氮官能N-5和N-6受熱分解，NH3主要來源于N-Q加氫反應(yīng)和HCN的二次反應(yīng)。NH3形成需要大量的含氫基團且反應(yīng)活化能較高，使NH3的析出要滯后于HCN[4-5]。無煙煤揮發(fā)分含量較低導(dǎo)致NH3和HCN都相對較少，煙煤揮發(fā)分N中HCN的比例較高，隨著煤階的降低，揮發(fā)分N中NH3/HCN不斷上升[6-7]。HCN和NH3能在火焰峰面處被氧化生成NOx，也能將火焰峰面擴散進來的NO還原成N2。揮發(fā)分N的氧化-還原過程主要涉及均相N化學(xué)反應(yīng)，可以采用PG2018均相氮化學(xué)反應(yīng)模型對揮發(fā)分NO的生成進行準確預(yù)測[8]。 胡帆等[9]對完整PG2018模型通過簡化處理后得到只含35種物質(zhì)和259種基元反應(yīng)的簡化模型，簡化模型加快了計算速度，且不顯著降低計算精度。

焦炭中N主要以N-5和N-6的形式存在于碳的大分子結(jié)構(gòu)中，焦炭N的氧化涉及均相反應(yīng)和多相反應(yīng)：一是焦炭燃燒先釋放出NH3和HCN，再氧化生成NOx；二是焦炭N異相氧化直接生成NOx。焦炭燃燒過程中氧氣對焦炭表面的氮和碳的選擇性與煤階有關(guān)，高階煤焦燃燒時O2更容易與C結(jié)合釋放CO，而中、低階煤焦燃燒時O2更容易與N結(jié)合釋放NO，但在焦炭燃燒過程中N和C的釋放依舊有很強的正相關(guān)性[5，10]。實際燃燒過程中焦炭不僅可以通過自身的還原性直接還原揮發(fā)分NOx，還能為NH3、CO等還原NOx提供反應(yīng)表面，揮發(fā)分NOx的形成也涉及多相反應(yīng)[11-12]。在高溫條件下NO為主要的一次產(chǎn)物，N2、N2O和NO2主要通過二次反應(yīng)生成[1，13]。焦炭的生成NOx是“氧化-還原”的綜合結(jié)果，煤質(zhì)和燃燒條件均會影響煤中氮的遷移轉(zhuǎn)化，高溫弱氧化性條件能促進焦炭-NO反應(yīng)，從而抑制焦炭NOx的生成[14]。

富氧分級燃燒能擴大煤粉燃燒初期還原性區(qū)域，延長煤粉在還原性氣氛中的停留時間，從而降低NOx的初始排放濃度，同時還不影響煤粉燃燒效率[15]。Fan Weidong等[16]研究表明煤粉富氧分級燃燒過程中主燃區(qū)NOx濃度先升高后降低，燃盡風(fēng)通入也會使燃盡區(qū)濃度先升高后降低，當(dāng)主燃區(qū)二次風(fēng)量足夠低時，主燃區(qū)NOx濃度會降到零。筆者采用高溫滴管爐，研究了O2/N2和O2/CO22種富氧氣氛下，氧氣體積分數(shù)和過量氧氣系數(shù)對煤粉燃燒過程中固定碳、揮發(fā)分、C、H、O、N、S的釋放規(guī)律及煤中氮的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。

1 實驗部分

1.1 實驗物料

實驗采用的燃料為神府煙煤，為保證微量給粉器供料誤差在±0.5%以內(nèi)，實驗前將其置于50 ℃的干燥箱中干燥6 h。

干燥后煤粉的元素分析和工業(yè)分析干燥后煤粉的元素分析和工業(yè)分析結(jié)果見表1，粒徑分布曲線如圖1所示。

圖1 煤粉粒徑分布曲線Fig.1 Particle size distribution curve of coal

表1 煤粉的元素分析和工業(yè)分析Table 1 Proximate and ultimate analyses of the pulverized coal

1.2 實驗設(shè)備

滴管爐實驗平臺由滴管爐主體、溫控系統(tǒng)、給氣系統(tǒng)、給料系統(tǒng)、取樣分析系統(tǒng)和水循環(huán)系統(tǒng)六部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 高溫滴管爐Fig.2 High-temperature dropper furnace

滴管爐主體是內(nèi)徑為50 mm、長度為2 200 mm的剛玉管，采用碳硅棒元件進行加熱，最高可加熱至1 600 ℃，并有不低于1 200 mm的恒溫區(qū)，實驗設(shè)置的滴管爐溫度為1 400 ℃。實驗平臺所用的給料系統(tǒng)是由供料器和一次風(fēng)組成，供料器采用日本Sankyo制造的微量給粉器；一次風(fēng)采用空氣，流量為1 L/min，用于攜帶煤粉進入滴管爐。二次風(fēng)在上段剛玉管的頂端徑向給入，采用O2/N2或O2/CO2的混合氣，用于滴管爐內(nèi)煤粉的燃燒。取樣分析系統(tǒng)由旋風(fēng)分離器和煙氣分析儀組成，采用旋風(fēng)分離器對焦炭進行收集，采用Gasmet FTIR DX4000煙氣分析儀對煙氣中的NH3、HCN、NO、NO2、N2O、SO2、CO、CO2等組分濃度進行在線測量。從采樣氣路到分析氣室，整個氣路都被加熱并保持恒溫180 ℃，有效防止了煙氣在系統(tǒng)中產(chǎn)生冷凝水，消除了SO2、NOx、NH3、HCN等易溶于水的氣體在測量中的損失，NO、NO2和N2O的測量誤差均為 2×10-9。煙氣中的氧氣含量采用氧化鋯氧氣分析儀進行測量。

1.3 實驗工況

二次風(fēng)采用O2/N2或O2/CO2的混合氣，使用實際氧氣流量和理論完全燃燒所需要的氧氣流量的比值表征助燃氣體量與燃料量的配比關(guān)系，即過量氧氣系數(shù)。實驗中煤粉供料速度為3.1 g/min，供料誤差在±0.004 g；理論氧氣流量為4.69 L/min。筆者設(shè)置多組實驗工況以深入研究二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)(α2)和二次風(fēng)氧氣體積分數(shù)(c2)對煤粉富氧燃燒過程中各組分的釋放規(guī)律及氮元素的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，具體實驗工況參數(shù)見表2。其中，實驗工況1～9為二次風(fēng)采用O2/N2混合氣時的工況，實驗工況10～18則為二次風(fēng)采用O2/CO2混合氣時的工況。

表2 O2/N2與O2/CO2實驗工況參數(shù)Table 2 The parameter of experimental conditions under O2/N2 or O2/CO2

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

根據(jù)灰平衡假設(shè)，得到煤粉在滴管爐中揮發(fā)分、固定碳、C、H、O、N、S等組分的釋放率，釋放率按照式(1)進行計算。

(1)

式中，φx為組分x的釋放率；x1、x2分別為煤粉和滴管爐出口焦炭中組分x的質(zhì)量分數(shù)；A1、A2分別為煤粉和焦炭中的灰分。

由于煙氣中CH4的含量可忽略不計，可假設(shè)滴管爐燃燒過程中煤中釋放的碳完全轉(zhuǎn)化為CO和CO2，根據(jù)高溫燃氣中CO和CO2的體積分數(shù)可以用式(2)計算高溫?zé)煔饬髁?。再根?jù)氮平衡假設(shè)，通過煙氣中NH3、HCN和NOx的排放濃度，根據(jù)式(3)～(7)進一步計算出煤中氮向NO、NH3、HCN、N2和焦炭N的轉(zhuǎn)化率。

(2)

(3)

(4)

(5)

ηN2=φN-ηNO-ηNH3-ηHCN

(6)

ηchar-N=1-φN

(7)

式中，V為滴管爐出口煙氣流量，L/min；VCO2為滴管爐入口CO2流量，L/min；m為供料量，g/min，T0為標(biāo)準狀況溫度，T0=273 K；T1為進氣溫度，T1=300 K；T2為煙氣溫度，T2=450 K；CCO、CCO2分別為燃氣中CO、CO2的體積分數(shù)，%；ηNO、ηNH3、ηHCN、ηN2和ηchar-N分別為煤中N向NO、NH3、HCN、N2和焦炭N的轉(zhuǎn)化率，%。

2 實驗數(shù)據(jù)及分析

2.1 二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)對煤中氮的遷移規(guī)律影響

(1)O2/N2富氧氣氛下，二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)對煤中氮的遷移轉(zhuǎn)化的影響規(guī)律。O2/N2氣氛中氧氣體積分數(shù)為40%時與不同二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)條件下滴管爐出口處焦炭的工業(yè)分析和元素分析見表3。由于焦炭收集過程中煙氣中的水蒸氣冷凝吸附在焦炭表面，收到基水分測量并不能表征實際焦灰中的水分含量，故用空氣干燥基作為分析的基準。焦炭的主要成分為固定碳，揮發(fā)分均低于5.56%。隨著二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)的增大，煤灰中各可燃組分都呈下降趨勢，灰分呈逐漸升高趨勢，二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)從0.3增至1時，固定碳質(zhì)量分數(shù)從83.48%降至48.03%，灰分含量從9.75%增至50.54%。

表3 O2/N2氣氛中不同二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)下焦炭的工業(yè)分析和元素分析Table 3 Proximate and ultimate analysis of coke in O2/N2 atmosphere with different secondary air excess oxygen coefficients

由表3中焦炭的工業(yè)分析和元素分析，通過式(1)計算得到滴管爐中各組分的釋放率如圖3所示。揮發(fā)分、固定碳、C、H、O、N、S的釋放率均隨二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)的增加而不斷增大，其中揮發(fā)分和H元素在二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)較低時，釋放率就已經(jīng)超過90%，表明煤中大量的揮發(fā)分和H元素在煤粉燃燒初期就參與燃燒。C、O、N、S的釋放率受二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)的影響較大，各元素的釋放有很強的正相關(guān)性，也表明除了氫元素外，其他元素均勻分布在C骨架上，而氫元素主要分布在C骨架邊緣。

圖3 O2/N2氣氛中二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)對煤中各組分釋放率的影響Fig.3 Effect of secondary air excess oxygen factor in O2/N2 atmosphere on the release rate of various components from coal

煙氣中組分及濃度見表4，主要成分有N2、H2O、CO2、CO和H2。在高溫條件下，焦炭表面的含氧官能團直接脫附形成CO、CO2和NO，CO為主要的一次產(chǎn)物，煙氣中的CO2主要由CO進一步氧化生成。在還原性氣氛中提高二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)，不僅可促進CO的脫附，還能促進CO進一步氧化，導(dǎo)致CO2的體積分數(shù)不斷升高，CO的體積分數(shù)不斷下降，CO/CO2的比值不斷下降。煙氣中HCN和NH3的濃度均隨二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)的升高不斷降低，并且煤氣中NH3的濃度始終高于HCN。

表4 O2/N2氣氛中不同二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)下煙氣成分Table 4 Gas composition in O2/N2 atmosphere with different secondary air excess oxygen coefficients

O2/N2氣氛中氧氣體積分數(shù)為40%時，二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)對N平衡的影響規(guī)律如圖4所示。二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)為從0.3增大到1.0時，煤中N的釋放率從46.5%增至91.5%，釋放的氮主要向N2轉(zhuǎn)化，少量向NH3、HCN和NOx轉(zhuǎn)化。N2轉(zhuǎn)化率隨二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)的升高呈先升高后降低的趨勢，當(dāng)二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)為0.7時，N2轉(zhuǎn)化率高達75.4%。二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)為從0.3增大到0.7時，NH3的轉(zhuǎn)化率從2.6%降至0.5%，HCN的轉(zhuǎn)化率從0.5%降至0，當(dāng)二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)為1.0時，煙氣中未檢測到NH3和HCN。NH3的轉(zhuǎn)化率高于HCN，主要是由于NH3的析出要滯后于HCN，在煤粉燃燒初期先析出的HCN被氧化形成NOx，導(dǎo)致煙氣中NH3?HCN。NO和NO2的轉(zhuǎn)化率隨二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)的增大呈上升趨勢，當(dāng)二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)為0.3、0.4、0.5時，煙氣的都沒有檢測到NO，二次風(fēng)過量過量氧氣系數(shù)從0.1增大到1時，NO轉(zhuǎn)化率從1.3%增至29.9%，NO2轉(zhuǎn)化率從0增至0.7%。煙氣中N2O的轉(zhuǎn)化率始終為0，主要是由于在高溫條件下N2O容易被分解形成N2。

圖4 O2/N2氣氛中二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)對N平衡的影響Fig.4 Effect of secondary air excess oxygen coefficient on N equilibrium in O2/N2 atmosphere

(2)O2/CO2富氧氣氛下二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)對煤中氮的遷移轉(zhuǎn)化的影響規(guī)律。O2/CO2氣氛中氧氣體積分數(shù)為40%時，不同二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)條件下，滴管爐出口焦炭的工業(yè)分析和元素分析見表5，煤中各組分的釋放規(guī)律如圖5所示。

圖5 O2/CO2氣氛中二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)對煤中各組分釋放率的影響Fig.5 Effect of secondary air excess oxygen factor in O2/CO2 atmosphere on the release rate of various components from coal

表5 O2/CO2氣氛中不同二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)下焦炭的工業(yè)分析和元素分析Table 5 Proximate and ultimate analysis of coke in O2/CO2 atmosphere with different secondary air excess oxygen coefficients

由圖5可以看出，揮發(fā)分、固定碳、C、H、O、N、S的釋放率均隨二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)的增加而不斷增大，此現(xiàn)象與O2/N2氣氛的規(guī)律一致。在相同二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)條件下，O2/CO2氣氛中煤中各組分的釋放率相對更高，二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)從0.3增至1.0時，C的釋放率從64.5%升至80.6%，N的釋放率從67.9%升至80.3%，主要是由于高濃度的CO2能促進焦炭的氣化反應(yīng)，促進煤中各組分的釋放。

O2/N2氣氛中不同二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)下煙氣的主要成分見表6。隨著二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)增加，煙氣中各組分的變化規(guī)律與O2/N2基本一致，當(dāng)熱解溫度高于1 000 ℃時，高濃度CO2反而會抑制HCN的生成[7]。二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)為0.3、0.4、0.5時，煤中釋放的N主要轉(zhuǎn)化為N2、NH3和HCN，沒有檢測到NOx的生成。當(dāng)二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)增大到0.7時，煙氣中出現(xiàn)少量NO，且HCN和NH3含量可忽略不計。當(dāng)二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)增大到1時，煙氣中出現(xiàn)大量NO。在相同二次風(fēng)過量氧氣條件下，O2/CO2氣氛下煙氣中CO的排放濃度相對更高，主要是由于高濃度的CO2在高溫條件下能有效促進焦炭氣化。

表6 O2/CO2氣氛中不同二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)下煙氣成分Table 6 Gas composition in O2/CO2 atmosphere with different secondary air excess oxygen coefficients

O2/CO2氣氛中氧氣體積分數(shù)為40%時，二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)對N平衡的影響規(guī)律如圖6所示。二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)為從0.3增大到1時，煤中N的釋放率從55.0%增至91.9%，相同二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)條件下，O2/CO2氣氛中N的釋放率較O2/N2氣氛更高。O2/CO2氣氛中，N2、NH3、HCN和NOx的轉(zhuǎn)化率受二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)的影響與O2/N2氣氛基本一致，二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)為0.7時，N2轉(zhuǎn)化率高達81.7%。在O2/CO2氣氛中N的釋放率及N2轉(zhuǎn)化率相對更高，而NH3、HCN和NOx的轉(zhuǎn)化率均相對較低，表明高濃度的CO2能促進煤中釋放的氮向N2轉(zhuǎn)化。

圖6 O2/CO2氣氛中不同二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)下的N平衡Fig.6 Effect of secondary air excess oxygen coefficient on N equilibrium in O2/CO2 atmosphere

2.2 二次風(fēng)氧氣體積分數(shù)對各組分釋放規(guī)律影響

(1)O2/N2富氧氣氛下二次風(fēng)氧氣體積分數(shù)對煤中N的遷移規(guī)律的影響。O2/N2氣氛中二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)為0.5時，不同二次風(fēng)氧氣體積分數(shù)條件下，滴管爐出口焦炭的工業(yè)分析和元素分析見表7。焦炭的成分以固定碳和灰分為主，揮發(fā)分極低，二次風(fēng)氧氣體積分數(shù)從21%升高到80%，焦炭中的固定碳含量從78.01%升高至81.82%，揮發(fā)分從6.85%降至0.83%。滴管爐實驗結(jié)果表明焦炭中各種元素質(zhì)量分數(shù)受二次風(fēng)氧氣體積分數(shù)變化的影響較小。

表7 O2/N2氣氛中不同二次風(fēng)氧氣體積分數(shù)下焦炭的工業(yè)分析和元素分析Table 7 Proximate and ultimate analysis of coke at different secondary air oxygen concentrations in O2/N2 atmosphere

O2/N2富氧氣氛下過量氧氣系數(shù)為0.5時，不同二次風(fēng)氧氣體積分數(shù)條件下，煤粉在滴管爐燃燒過程中各組分的釋放規(guī)律如圖7所示。煤中各組分的釋放率均隨二次風(fēng)氧氣體積分數(shù)的升高呈緩慢上升的趨勢，并且隨著二次風(fēng)氧氣體積分數(shù)逐漸增大，二次風(fēng)氧氣體積分數(shù)變化對煤中各組分釋放的影響減小。二次風(fēng)氧氣體積分數(shù)從21%增加到80%時，C的釋放率從57.4%升至65.3%，N的釋放率從61.6%升至71.2%。提高二次風(fēng)氧氣體積分數(shù)可以延長煤粉在高溫滴管爐中的停留時間，并且可以加劇煤粉燃燒，當(dāng)?shù)喂軤t中氧氣耗盡后，煤中各組分的釋放主要取決于焦炭的氣化反應(yīng)。煤粉在滴管爐燃燒過程中中各組分的釋放率主要取決于總氧量，焦炭氣化反應(yīng)速率較低，提高二次風(fēng)氧氣體積分數(shù)對煤中各組分釋放的影響較小。

圖7 O2/N2氣氛中不同二次風(fēng)氧氣體積分數(shù)下各組分的釋放率Fig.7 Release rate of various components in O2/N2 atmosphere with different secondary air oxygen concentrations

O2/N2氣氛中，煙氣中各組分濃度隨二次風(fēng)氧氣體積分數(shù)的變化規(guī)律見表8。隨著二次風(fēng)氧氣體積分數(shù)的增加，CO2和CO的體積分數(shù)均不斷升高，CO/CO2的比值不斷下降，此現(xiàn)象也表明提高二次風(fēng)氧氣體積分數(shù)可以促進煤在C的釋放，并且也能促進煤在釋放的C元素向CO2轉(zhuǎn)化。在高溫還原性氣氛中，在不同二次風(fēng)氧氣體積分數(shù)下，煙氣中均沒有檢測到NOx生成。NH3和HCN的濃度均隨二次風(fēng)氧氣體積分數(shù)的升高而不斷下降，二次風(fēng)氧氣體積分數(shù)從21%升高至80%，NH3的排放濃度從8.24×10-5減至1.23×10-6，HCN的排放濃度從5.32×10-6減至0，可以忽略不計。

表8 O2/N2氣氛中不同二次風(fēng)氧氣體積分數(shù)下煙氣成分Table 8 Gas composition at different secondary air oxygen concentrations in O2/N2 atmosphere

O2/N2氣氛中二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)為0.5時，二次風(fēng)氧氣體積分數(shù)對N平衡的影響規(guī)律如圖8所示。隨著二次風(fēng)氧氣體積分數(shù)升高，煤中N的釋放率呈遞增趨勢，煤中釋放的氮主要向N2轉(zhuǎn)化，此外，還要大量氮以焦炭N的形式存在于焦炭中。當(dāng)二次風(fēng)氧氣體積分數(shù)為21%時，焦炭N和N2的轉(zhuǎn)化率分別高達38.5%和58.8%。當(dāng)二次風(fēng)氧氣體積分數(shù)為80%時，焦炭N和N2的轉(zhuǎn)化率分別為28.8%和71.2%。煙氣中的NH3和HCN的轉(zhuǎn)化率隨二次風(fēng)氧氣體積分數(shù)的升高而不斷降低，二次風(fēng)氧氣體積分數(shù)從21%升高至80%，NH3的轉(zhuǎn)化率從2.6%減至0%，HCN的轉(zhuǎn)化率從0.2%減至0%。提高二次風(fēng)氧氣體積分數(shù)會加劇煤粉燃燒初期的燃燒，從而促進煤粉燃燒初期NH3和HCN的釋放，并將其氧化，導(dǎo)致煙氣中NH3和HCN的轉(zhuǎn)化率降低。

圖8 O2/N2氣氛中不同二次風(fēng)氧氣體積分數(shù)下的N平衡Fig.8 N equilibrium at different secondary air oxygen concentrations in O2/N2 atmosphere

(2)O2/CO2富氧氣氛下，二次風(fēng)氧氣體積分數(shù)對煤中N的遷移規(guī)律的影響。O2/CO2氣氛中過量氧氣系數(shù)為0.5時，不同二次風(fēng)氧氣體積分數(shù)條件下，滴管爐出口焦炭的工業(yè)分析和元素分析見表9。二次風(fēng)氧氣體積分數(shù)對焦炭成分的影響規(guī)律與O2/N2氣氛基本一致，二次風(fēng)氧氣體積分數(shù)從21%升高到80%，焦炭中的固定碳含量從76.31%降至79.1%，揮發(fā)分的含量從6.25%降至1.32%。

表9 O2/CO2氣氛中不同二次風(fēng)氧氣體積分數(shù)下焦炭的工業(yè)分析和元素分析Table 9 Proximate and ultimate analysis of coke at different secondary air oxygen concentrations in O2/CO2 atmosphere

O2/CO2氣氛中過量氧氣系數(shù)為0.5時，二次風(fēng)氧氣體積分數(shù)條件對煤中各組分釋放的影響規(guī)律如圖9所示。煤中各組分的釋放率隨二次風(fēng)氧氣體積分數(shù)的升高呈遞增趨勢，此現(xiàn)象與O2/N2氣氛一致，二次風(fēng)氧氣體積分數(shù)從21%增加到80%時，C的釋放率從64.6%升至80.6%，N的釋放率從67.9%升至80.3%。在O2/CO2氣氛中煤中各組分的釋放率均遠高于O2/N2氣氛，并且氧氣體積分數(shù)變化對煤中各組分的影響更加明顯，主要是由于高濃度的CO2能促進焦炭氣化，并且在強還原性氣氛中提高氧氣體積分數(shù)能進一步促進焦炭的氣化反應(yīng)。

圖9 O2/CO2氣氛中不同二次風(fēng)氧氣體積分數(shù)下煤中各組分的釋放率Fig.9 Release rate of various components in O2/CO2 atmosphere with different secondary air oxygen concentrations

O2/CO2氣氛中，煙氣中各組分濃度隨二次風(fēng)氧氣體積分數(shù)的變化規(guī)律見表10。

表10 O2/CO2氣氛中不同二次風(fēng)氧氣體積分數(shù)下煙氣成分Table 10 Gas composition at different secondary air oxygen concentrations in O2/CO2 atmosphere

二次風(fēng)氧氣體積分數(shù)從21%升至80%時，煙氣中CO的濃度從6.25%增至30.73%，遠高于O2/N2氣氛。NH3和HCN的濃度均隨二次風(fēng)氧氣體積分數(shù)的升高而不斷下降，此現(xiàn)象與O2/N2氣氛基本一致。O2/CO2氣氛中二次風(fēng)氧氣體積分數(shù)對N平衡的影響規(guī)律如圖10所示。二次風(fēng)氧氣體積分數(shù)對N2、NH3和HCN轉(zhuǎn)化率的影響規(guī)律與O2/N2氣氛基本一致。在O2/CO2氣氛中，N2的轉(zhuǎn)化率相對更高，高濃度CO2能促進煤中氮的釋放，另煙氣中高濃度的CO也能促進釋放的氮向N2氣轉(zhuǎn)化。二次風(fēng)氧氣體積分數(shù)從21%升至80%時，N2轉(zhuǎn)化率從64.0%增至80.1%。

圖10 O2/CO2氣氛中不同二次風(fēng)氧氣體積分數(shù)下的N平衡Fig.10 N equilibrium at different secondary air oxygen concentrations in O2/CO2 atmosphere

3 結(jié) 論

滴管爐為1 400 ℃及2種富氧氣氛條件下，煤粉燃燒過程中各組分釋放及氮的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律如下：

(1)當(dāng)c2=40%時，O2/N2和O2/CO2氣氛下，煤中揮發(fā)分、固定碳、N、H、O、S的釋放率均隨二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)的增加而增加，O2/CO2氣氛中各組分的釋放率較高。煤中釋放的N主要向N2轉(zhuǎn)化，少量向NH3、HCN和NOx轉(zhuǎn)化，N2轉(zhuǎn)化率隨二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)的升高先升高后降低。NH3和HCN的轉(zhuǎn)化率均隨二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)的增加而降低。當(dāng)α2=0.3、0.4、0.5時，沒有NOx排放；當(dāng)α2=0.7時，O2/N2和O2/CO22種氣氛中均檢測到少量NOx排放；當(dāng)α2=1時，O2/N2和O2/CO22種氣氛中NO轉(zhuǎn)化率高達29.9%和28.1%。

(2)當(dāng)α2=0.5時，O2/N2和O2/CO2氣氛下，煤中各組分釋放率均隨二次風(fēng)氧氣體積分數(shù)的增加而增加。由于高濃度CO2能促進焦炭氣化反應(yīng)，O2/CO2氣氛中各組分的釋放率較高。煤中釋放的氮主要向N2轉(zhuǎn)化，N2的轉(zhuǎn)化率隨二次風(fēng)氧氣體積分數(shù)的升高而增大，NH3和HCN的轉(zhuǎn)化率均隨二次風(fēng)過量氧氣系數(shù)的增加而減小。O2/CO2氣氛中煤中各組分的釋放率及N2的轉(zhuǎn)化率均相對較高，且N2轉(zhuǎn)化率受二次風(fēng)氧氣體積分數(shù)變化的影響更加明顯。