朱廣慶,胡潤潔,惠世恩,牛艷青

(西安交通大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院 熱流科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710049)

0 引 言

鑒于我國能源結(jié)構(gòu)的限制,以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)短期內(nèi)不會(huì)顯著改變[1]。針對(duì)煤煙型空氣污染,GB 13271—2014《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定重點(diǎn)地區(qū)工業(yè)燃煤鍋爐NOx排放值小于200 mg/m3,顆粒物(PM)小于30 mg/m3;GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定重點(diǎn)地區(qū)及新建燃煤鍋爐NOx與PM排放值分別小于100 與20 mg/m3;《燃煤電廠超低排放煙氣治理工程技術(shù)規(guī)范》進(jìn)一步要求使其排放基本符合燃?xì)鈾C(jī)組排放限值,即NOx質(zhì)量濃度<50 mg/m3,PM質(zhì)量濃度<10 mg/m3。為此,燃煤鍋爐通常采用SCR或SNCR煙氣脫硝與多重除塵,但其建設(shè)、運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用昂貴,且存在環(huán)境二次污染問題。此外,隨著新能源并網(wǎng)量增加,火電機(jī)組需快速調(diào)節(jié)負(fù)荷以維持實(shí)時(shí)電力平衡,低負(fù)荷時(shí)導(dǎo)致煙氣溫度下降,SCR效率降低甚至無法運(yùn)行[2]。因此,通過燃燒優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)PM和NOx協(xié)同源排放,引起廣泛關(guān)注。

作為一種新型低氮燃燒技術(shù),預(yù)熱-燃燒技術(shù)通過在燃燒器與鍋爐爐膛間增設(shè)蓄熱預(yù)燃室,將煤粉燃燒過程分為預(yù)熱與燃燒2個(gè)階段[3]。預(yù)熱階段,在高溫缺氧強(qiáng)還原性氣氛中以氣-氣反應(yīng)為主促進(jìn)含氮化合物還原生成N2,從而有效減少NOx生成[4-5]。燃燒階段,預(yù)熱產(chǎn)物進(jìn)入爐膛后與燃盡風(fēng)逐級(jí)混合,炭黑/焦炭氮?dú)?固反應(yīng)為主進(jìn)一步強(qiáng)化低NOx燃燒[6-9]。近來,預(yù)熱-燃燒因其在降低NOx方面的良好性能而被廣泛研究[10-14]。LIU等[10-12]和OUYANG等[15]研究表明,預(yù)熱-燃燒技術(shù)在確保燃燒效率99%以上時(shí),NOx還原效率達(dá)75%。最近,筆者團(tuán)隊(duì)成功設(shè)計(jì)并在工業(yè)燃煤爐中實(shí)施了一種多級(jí)空氣調(diào)節(jié)的粉煤預(yù)熱-旋流燃燒技術(shù),25 t/h工業(yè)燃煤爐NOx排放量為212 mg/m3;且70 MW煤粉鍋爐測試表明:低/變負(fù)荷下NOx平均排放量為163 mg/m3。

針對(duì)燃煤顆粒物,大部分研究僅關(guān)注燃燒過程中PM的形成[16-19]和燃燒后脫除[20-23],而對(duì)燃燒過程中有效減少PM卻鮮有報(bào)道;與煙氣后處理相比,在脫揮發(fā)分和焦炭燃燒階段進(jìn)行簡單燃燒調(diào)整以降低PM排放并未得到充分關(guān)注。脫揮發(fā)分階段的燃燒調(diào)整可顯著改變煤焦的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)性,從而影響礦物質(zhì)氣化(主導(dǎo)超細(xì)模式PM的產(chǎn)生)以及焦炭破碎、外在礦物破碎和內(nèi)在礦物凝聚(主導(dǎo)細(xì)和粗模式PM的形成),進(jìn)而影響三模態(tài)PM的形成和分布。同樣,焦炭燃燒階段的燃燒調(diào)整也會(huì)影響氣化揮發(fā)-成核沉積-凝并團(tuán)聚和破碎等機(jī)制,從而影響PM生成。因此,預(yù)熱-燃燒在深度降低NOx生成同時(shí),協(xié)同控制PM生成值得深入研究。

筆者以烏海煤為研究對(duì)象,采用試驗(yàn)與動(dòng)力學(xué)模擬相結(jié)合的方法,探討煤氮的遷移轉(zhuǎn)化特性,以揭示高溫預(yù)熱-低氮燃燒機(jī)理;同時(shí)對(duì)比研究預(yù)熱-燃燒和常規(guī)燃燒PM生成特性,揭示預(yù)熱-燃燒PM生成抑制機(jī)理。該研究通過煤粉預(yù)熱-燃燒技術(shù)深度控制PM與NOx生成,為實(shí)現(xiàn)煤炭清潔燃燒利用提供理論支撐。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

采用2個(gè)串聯(lián)的電加熱一維管式爐進(jìn)行可控的預(yù)熱-燃燒試驗(yàn)(圖1)[24]。高位爐用于預(yù)熱,為煤粉提供高溫預(yù)熱熱解條件,而低位爐用于燃燒,提供適合預(yù)熱產(chǎn)物燃燒的不同溫度和氣體混合條件。預(yù)熱區(qū)參數(shù)用下標(biāo)p標(biāo)記,燃燒區(qū)參數(shù)用下標(biāo)c標(biāo)記。如預(yù)熱區(qū)過量空氣系數(shù)用αp表示。

圖1 預(yù)熱-燃燒試驗(yàn)系統(tǒng)示意[24]

該系統(tǒng)還包括供氣系統(tǒng)、煙氣測試系統(tǒng)、微量給樣裝置及水冷給樣/取樣探針等部分。各氣體流量根據(jù)試驗(yàn)工況計(jì)算,并由質(zhì)量流量計(jì)精確控制。在預(yù)熱爐與燃燒爐間設(shè)有二次風(fēng)口,用于模擬燃燒器或爐膛中的空氣分級(jí)情況,并在預(yù)熱爐與燃燒爐出口處設(shè)置煙氣分析測點(diǎn),以便實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析。為減少給樣水冷探針對(duì)爐膛溫度的影響,給樣探針與取樣探針外加裝剛玉套管。通過調(diào)整給樣探針與取樣探針的相對(duì)位置,精確控制煤粉顆粒在爐內(nèi)的燃燒停留時(shí)間,從而實(shí)現(xiàn)具體多變因素下的試驗(yàn)研究。該試驗(yàn)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)燃料預(yù)熱熱解氣化與燃燒過程的獨(dú)立/耦合研究。

1.2 燃料特性

烏海煤的工業(yè)分析和元素分析見表1,煤中氮含量為1.11%,同時(shí)具有相對(duì)較低H/C,燃燒過程中影響氮的轉(zhuǎn)化。此外,灰分高達(dá)44.28%,顯著影響燃燒過程中顆粒物產(chǎn)生。試驗(yàn)前,將煤粉篩至75～90 μm,在105 ℃下干燥24 h后備用。

表1 試驗(yàn)用煤工業(yè)分析和元素分析

1.3 動(dòng)力學(xué)模擬方法

綜合煤粉預(yù)熱-燃燒過程中揮發(fā)分均相反應(yīng)、煤焦異相燃燒轉(zhuǎn)化以及焦炭氮轉(zhuǎn)化和對(duì)NO的異相反應(yīng),構(gòu)建模型以復(fù)現(xiàn)整個(gè)煤粉預(yù)熱-燃燒過程,并定量評(píng)估各因素對(duì)煤氮遷移轉(zhuǎn)化的影響。首先,采用化學(xué)滲透脫揮發(fā)分(CPD)模型[25]預(yù)測揮發(fā)物組成和煤氮釋放。然后,利用Chemkin Pro的2個(gè)柱塞流反應(yīng)器(Plug Flow Reactor,PFR)[26]分別模擬預(yù)熱-燃燒的預(yù)熱區(qū)和燃燒區(qū)。在模擬過程中,包含2個(gè)不同的輸入入口:入口1用于輸入揮發(fā)分組分、焦炭和預(yù)熱階段的氧化劑;入口2用于輸入燃燒階段的氧化劑。反應(yīng)器中反應(yīng)物充分混合,且無濃度和溫度梯度。反應(yīng)物消耗速率和生成物生成速率取決于具體反應(yīng)機(jī)理和反應(yīng)器內(nèi)溫度,并根據(jù)反應(yīng)時(shí)間計(jì)算出口組分。采用GLARBORG等[27]氣相反應(yīng)機(jī)理和HASHEMI等[28]焦炭異相反應(yīng)機(jī)理的組合動(dòng)力學(xué)機(jī)理。WANG等[29-30]采用該組合機(jī)理,發(fā)現(xiàn)模擬值與試驗(yàn)值一致性較好,確保結(jié)果可靠性。

2 結(jié)果與討論

2.1 氣相過量空氣系數(shù)

煤粉預(yù)熱-燃燒通過在物理空間上設(shè)置獨(dú)立預(yù)熱室,供煤粉揮發(fā)分的析出和部分燃燒[3],為NOx降低還原性氛圍創(chuàng)造條件。基于過量空氣系數(shù)α的定義,提出氣相過量空氣系數(shù)αgas量化預(yù)熱區(qū)的氧氣對(duì)氣相燃料的影響:

(1)

式中,x(O2)supply為實(shí)際O2供給量,mol;x(O2)theory為可燃?xì)怏w完全燃燒理論所需O2量,mol。

基于此,用CPD熱解模型計(jì)算不同熱解條件下釋放的氣體產(chǎn)物,計(jì)算氣相過量空氣系數(shù)αgas:

agas=C(O2)coal/(0.5C(CO)CPD+0.5C(H2)CPD+
2C(CH4)CPD+3.5C(C2H6)CPD),

(2)

式中,C(O2)coal為預(yù)熱區(qū)入口處的O2供給量/mol;C(CO)CPD、C(H2)CPD、C(CH4)CPD、C(C2H6)CPD分別為CPD熱解計(jì)算模型得出CO、H2、CH4和C2H6等主要可燃組分的物質(zhì)的量,mol。

利用CPD熱解模型計(jì)算出烏海煤熱解產(chǎn)物,并基于不同預(yù)熱區(qū)過量空氣系數(shù)αp確定相應(yīng)的αgas,如圖2所示。圖2(a)為熱解溫度1 400 K時(shí),不同αp下αgas隨熱解時(shí)間的變化。隨熱解時(shí)間延長,不同αp對(duì)應(yīng)的αgas均快速下降,并在0.15 s左右隨熱解反應(yīng)基本完成而穩(wěn)定。理論上αgas=1(相當(dāng)于αp=0.23)為揮發(fā)分完全釋放的情況下,氣相組分中可燃物質(zhì)完全氧化所需氧氣量。在揮發(fā)分完全釋放情況下,αp=0.1對(duì)應(yīng)的αgas=0.44,揮發(fā)分的轉(zhuǎn)化處于強(qiáng)還原性氣氛,不利于NO生成;αp=0.3對(duì)應(yīng)的αgas=1.33,揮發(fā)分的轉(zhuǎn)化處于強(qiáng)氧化性氣氛,促進(jìn)揮發(fā)分氮被氧化成NO。圖2(b)為不同預(yù)熱溫度下αp與αgas對(duì)應(yīng)關(guān)系,可知相同αp下,αgas隨預(yù)熱溫度升高而輕微下降;高預(yù)熱溫度促進(jìn)揮發(fā)分釋放,但對(duì)αgas影響微弱。

圖2 不同αp與αgas變化趨勢

使用Chemkin Pro建模對(duì)預(yù)熱過程進(jìn)行氣相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析,預(yù)熱溫度1 400 K下不同過量空氣系數(shù)對(duì)NO生成速率(Rate of Production,ROP)的影響如圖3所示。反應(yīng)0.2 s,αgas=0.44(αp=0.1)和αgas=0.89(αp=0.2)時(shí),NO的ROP分別為-3.36×10-8和-1.80×10-8mol/(cm3·s);αgas=1.78(αp=0.4)和αgas=2.67(αp=0.6)時(shí),NO的ROP分別為5.52×10-9和7.91×10-9mol/(cm3·s)。αgas可作為氣相反應(yīng)狀態(tài)的有效指標(biāo)。αgas小于1(NO的ROP為負(fù)數(shù)),預(yù)熱區(qū)為氣相富燃料區(qū)域,NO還原是關(guān)鍵反應(yīng)。相反,αgas>1(NO的ROP為正數(shù)),NO氧化生成速率大于還原速率,甚至可能隨過量空氣系數(shù)增大影響固相反應(yīng)。隨反應(yīng)時(shí)間延長,預(yù)熱區(qū)內(nèi)還原性組分及NO濃度均下降,NO的ROP數(shù)值下降,直至接近0。

圖3 預(yù)熱區(qū)αp對(duì)NO的ROP影響

煤粉預(yù)熱過程中,揮發(fā)分氮氧化生成NO的過程與其還原過程共存,并相互競爭,影響NO最終生成量。預(yù)熱區(qū)出口處,煤氮轉(zhuǎn)化為N2和NO的比例隨預(yù)熱區(qū)過量空氣系數(shù)變化如圖4所示?？芍S過量空氣系數(shù)增加,煤氮轉(zhuǎn)化為N2的比例先上升后下降,而轉(zhuǎn)化為NO的比例則先降低后升高[4]。預(yù)熱溫度1 400 K,αp為0.1時(shí),NO最小為4.59%,N2最大為32.59%。

圖4 預(yù)熱區(qū)αp對(duì)NO和N2的影響

在揮發(fā)分轉(zhuǎn)化初期,預(yù)熱區(qū)內(nèi)少量O2有助于HCN向NCO轉(zhuǎn)變。隨O2耗盡,預(yù)熱區(qū)形成強(qiáng)還原性氣氛,促使NCO傾向于與NO發(fā)生還原反應(yīng),進(jìn)而轉(zhuǎn)化為N2[31],轉(zhuǎn)化路徑如圖5所示。這也解釋了圖3中αgas=0.44(αp=0.1)時(shí),NO高還原速率的原因。隨αgas增加,預(yù)熱區(qū)的氣相組分反應(yīng)由O2不足轉(zhuǎn)為O2過量,導(dǎo)致氣氛由還原性轉(zhuǎn)為氧化性,使更多揮發(fā)分氮轉(zhuǎn)化為NO。同時(shí),O活性基團(tuán)增加進(jìn)一步降低了預(yù)熱區(qū)的碳?xì)浠鶊F(tuán)(CiHj基團(tuán))含量,減弱其對(duì)NO的還原能力。因此,隨過量空氣系數(shù)增加,煤氮轉(zhuǎn)化為N2的比例相應(yīng)下降。

圖5 預(yù)熱區(qū)HCN轉(zhuǎn)化示意

2.2 預(yù)熱-燃燒過程N(yùn)O生成

燃燒溫度1 700 K時(shí),不同預(yù)熱條件對(duì)預(yù)熱-燃燒全過程中NO生成量的影響如圖6所示?？芍煌A(yù)熱溫度下αp=0.3的NO生成量低于αp=0.1。結(jié)合第2.1節(jié)的討論,αp=0.1時(shí)預(yù)熱區(qū)NO減排最佳。適當(dāng)增大αp雖然會(huì)對(duì)預(yù)熱區(qū)運(yùn)行產(chǎn)生負(fù)面影響,但明顯提高預(yù)熱-燃燒整個(gè)過程中NO脫除率。主要原因在于αp+αc=1.1(αc為燃燒區(qū)過量空氣系數(shù))時(shí),若αp太小(如0.1),只能保證預(yù)熱區(qū)出口NO含量低,但氣態(tài)產(chǎn)物中仍包含相當(dāng)數(shù)量的易氧化的含氮化合物,如HCN。這些預(yù)熱氣態(tài)產(chǎn)物在燃燒區(qū)遇到新供給的O2時(shí),迅速發(fā)生氧化反應(yīng),加速NO生成。而αp=0.3時(shí),預(yù)熱區(qū)出口NO高于αp=0.1工況,但氣態(tài)含氮組分含量極低,同時(shí)新供給的O2含量減少,有效減少含氮組分被氧化生成NO的幾率。因此,燃燒區(qū)與預(yù)熱區(qū)耦合的情況下,αp=0.3時(shí)降低NO的效果強(qiáng)于αp=0.1。預(yù)熱區(qū)處于高αp條件下(如0.6),煤氮析出、揮發(fā)分轉(zhuǎn)化過程中涉及的均相反應(yīng),均在氧氣充足的條件下進(jìn)行,甚至?xí)龃箢A(yù)熱煤焦在預(yù)熱區(qū)內(nèi)發(fā)生氧化的可能性。因此,無論煤氮以氣態(tài)形式析出,還是存在于焦炭中,均有很大幾率轉(zhuǎn)化為NO,減弱降氮效果。

圖6 預(yù)熱溫度對(duì)預(yù)熱-燃燒后NO生成量的影響

隨預(yù)熱溫度升高,整個(gè)預(yù)熱-燃燒過程中NO生成量下降。以αp=0.3為例,預(yù)熱溫度由1 200 K升至1 600 K時(shí),預(yù)熱-燃燒后NO生成量由355.14 mg/m3降至298.67 mg/m3。與常規(guī)燃燒相比,NO減排效果由1 200 K預(yù)熱時(shí)的42.25%增至1 600 K預(yù)熱時(shí)的51.44%。WANG等[30]和WU等[32]得出與本文相似結(jié)論。在高溫且低αp條件下的預(yù)熱區(qū),煤粉中揮發(fā)分釋放更快且更完全,同時(shí)生成還原性組分,如CiHj基團(tuán)、炭黑顆粒及以氣體形式存在的揮發(fā)分氮。這種條件下,促進(jìn)了揮發(fā)分氮向N2的轉(zhuǎn)化。但隨αp進(jìn)一步增大,這種效果減弱,如αp=0.6時(shí),1 400和1 600 K的NO降低效率基本持平。

上述主要討論了以氣相反應(yīng)為主的預(yù)熱區(qū)中NO生成及還原過程。而在燃燒區(qū),煤氮的遷移轉(zhuǎn)化主要涉及焦炭中氮的轉(zhuǎn)化和焦炭表面NOx的還原,以及預(yù)熱區(qū)未完全轉(zhuǎn)化組分的繼續(xù)反應(yīng)。預(yù)熱溫度1 400 K、αp=0.2、αc=0.9時(shí),不同燃燒溫度對(duì)預(yù)熱-燃燒過程中NO生成量的影響如圖7所示。模型計(jì)算的預(yù)測值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,隨燃燒溫度升高,NO生成量均增大。以預(yù)熱溫度1 400 K,αp=0.2工況為例,燃燒溫度由1 300 K升高至1 700 K時(shí),NO生成量由263.71 mg/m3上升至351.25 mg/m3。

圖7 不同燃燒溫度NO生成計(jì)算值與試驗(yàn)值

燃燒溫度對(duì)于焦炭燃燒過程中的焦炭氮氧化生成NO的速率及焦炭異相還原NO的速率有不同程度的促進(jìn)作用。焦炭氮氧化為NO和焦炭對(duì)NO的還原作用是2個(gè)相互競爭的過程,最終決定NO生成[33]。為定量研究焦炭引起的NO生成和還原變化,研究不同燃燒溫度下由焦炭與NO之間的異相反應(yīng)生成率,如圖8所示。溫度由1 200 K升至1 800 K時(shí),焦炭氮氧化生成NO的速率由8.38×10-9mol/(cm3·s)增至6.69×10-8mol/(cm3·s),NO在焦炭表面的還原速率由2.45×10-10mol/(cm3·s)增至2.05×10-9mol/(cm3·s)。溫度升高同時(shí)促進(jìn)焦炭氧化生成NO和還原NO的反應(yīng)速率,但NO生成速率的促進(jìn)效果更顯著。因此,煤粉預(yù)熱-燃燒過程中,燃燒溫度升高傾向于促進(jìn)NO形成。在實(shí)際應(yīng)用中,正確理解和控制這一機(jī)制對(duì)于優(yōu)化燃燒過程和減少NO排放具有工程意義。

圖8 燃燒溫度對(duì)NO生成率的影響

2.3 預(yù)熱-燃燒PM生成特性

常規(guī)燃燒和預(yù)熱-燃燒(預(yù)熱、燃燒溫度分別為1 400和1 700 K,αp=0.3)PM10生成特性曲線如圖9所示?？芍?種燃燒方式的粒徑分布均呈雙峰分布,其中第1個(gè)峰值出現(xiàn)在亞微米區(qū)間,第2個(gè)峰值出現(xiàn)在PM1～PM10,與當(dāng)前廣泛接受的顆粒物生成理論一致[16-19]。相比常規(guī)燃燒,預(yù)熱-燃燒在小粒徑區(qū)間內(nèi)質(zhì)量濃度的峰值顯著降低,絕對(duì)質(zhì)量濃度峰值由28.33 mg/m3降至18.75 mg/m3。而位于大粒徑區(qū)間,2種燃燒方式的質(zhì)量濃度峰值變化不明顯,但預(yù)熱-燃燒仍呈下降趨勢。

圖9 預(yù)熱-燃燒與常規(guī)燃燒PM10生成曲線

烏海煤預(yù)熱-燃燒與常規(guī)燃燒PM10、PM2.5、PM1、PM0.3及NO生成量如圖10(a)所示。常規(guī)燃燒時(shí),烏海煤的PM10、PM2.5、PM1、PM0.3生成量分別為1 207.28、251.03、113.66、44.54 mg/m3;預(yù)熱-燃燒時(shí),PM10、PM2.5、PM1、PM0.3生成量分別為1 070.22、214.07、83.98、32.27 mg/m3。相比之下,預(yù)熱-燃燒時(shí)不同模態(tài)的細(xì)顆粒物均呈下降趨勢,尤其是PM0.3下降27.57%。此外預(yù)熱-燃燒PM0.3/PM10、PM1/PM10、PM2.5/PM10質(zhì)量濃度相較常規(guī)燃燒有所下降(圖10(b))。表明預(yù)熱-燃燒中,較大粒徑PM產(chǎn)率相對(duì)升高,導(dǎo)致超細(xì)PM平均粒徑向更大粒徑偏移,有效減少超細(xì)PM生成。在此工況下NO降低46.27%。表明預(yù)熱-燃燒不僅有效降低燃煤過程中NOx排放,還影響煤燃燒過程中細(xì)顆粒物的生成與分布,特別在控制PM0.3顆粒物方面效果顯著。

煤粉燃燒涉及多個(gè)過程,包括煤粉的受熱升溫、揮發(fā)分析出、揮發(fā)分燃燒以及焦炭燃燒等。傳統(tǒng)鍋爐燃燒中,這些子過程并非依次進(jìn)行,而是存在時(shí)間和空間上重疊,特別是揮發(fā)分析出與燃燒、以及揮發(fā)分燃燒和焦炭燃燒的交叉。這些交叉反應(yīng)產(chǎn)生了更強(qiáng)烈的煤焦化學(xué)反應(yīng),導(dǎo)致顆粒溫度升高。預(yù)熱-燃燒技術(shù)借助獨(dú)立的預(yù)熱室,在高溫低氧條件下促進(jìn)含氮?dú)庀嘟M分向N2轉(zhuǎn)化,有效降低預(yù)熱室出口處的HCN和焦炭氮等含氮成分含量,從而降低NO生成可能性。此外,預(yù)熱-燃燒過程調(diào)整影響顆粒燃燒和整體燃燒氣氛,進(jìn)而影響灰中礦物質(zhì)氣化揮發(fā)、破碎與熔融聚并機(jī)制,最終影響PM生成。

預(yù)熱-燃燒中相對(duì)較低的顆粒溫度抑制礦物質(zhì)內(nèi)含物的氣化揮發(fā),特別是難熔礦物質(zhì)內(nèi)含物,從而減少PM1排放[34-35]。預(yù)熱過程可促進(jìn)煤焦孔隙發(fā)育,提高孔隙率,使新供給氧氣更易擴(kuò)散至煤焦顆粒內(nèi)部,削弱其還原氣氛并抑制內(nèi)部礦物質(zhì)氣化[24,36],進(jìn)一步降低PM。通常,細(xì)模態(tài)和粗模態(tài)PM的形成與焦炭、外部礦物碎裂及內(nèi)部礦物凝聚有關(guān)[37]。預(yù)熱-燃燒中較弱的燃燒反應(yīng)強(qiáng)度降低焦炭顆粒膨脹和碎裂,促進(jìn)礦物凝聚,使灰燼形成過程中礦物凝聚成為主導(dǎo)過程,從而促進(jìn)大尺寸PM的生成,減少了PM1～PM10的生成[38]。這些因素共同導(dǎo)致預(yù)熱-燃燒能顯著降低PM排放。預(yù)熱-燃燒細(xì)顆粒物生成特性和機(jī)理研究是下一步研究重點(diǎn)。

3 結(jié) 論

1)氣相過量空氣系數(shù)可作為以氣相反應(yīng)為主的預(yù)熱區(qū)是否處于氧化性或還原性的判斷依據(jù)。在低氣相過量空氣系數(shù)條件下(氣相過量空氣系數(shù)αgas<1),預(yù)熱區(qū)域?yàn)楦蝗剂蠀^(qū),有助于減少氣相NOx的生成。預(yù)熱階段適當(dāng)?shù)腛自由基可促進(jìn)含氮化合物的還原過程。

2)整個(gè)預(yù)熱-燃燒過程中,適當(dāng)增大預(yù)熱區(qū)過量空氣系數(shù)αp雖會(huì)對(duì)預(yù)熱區(qū)運(yùn)行產(chǎn)生負(fù)面影響,但可明顯改善預(yù)熱-燃燒過程中NO減排效率。提高預(yù)熱溫度可有效減少預(yù)熱-燃燒過程中NO生成量,但這一效果會(huì)隨αp增加而減弱。燃燒溫度升高促進(jìn)焦炭氧化生成NO和焦炭還原NO過程,但對(duì)NO生成的促進(jìn)作用更顯著。

3)與常規(guī)燃燒相比,預(yù)熱-燃燒對(duì)降低NO和PM均有顯著效果,可協(xié)同控制燃燒過程中NO與PM源排放。預(yù)熱溫度1 400 K,燃燒溫度1 700 K,αp=0.3工況下,NO排放降幅達(dá)47.64%,不同模態(tài)細(xì)顆粒物生成量均下降,尤其是PM0.3下降27.57%。