第32卷2004年 第2期4 月燃 料 化 学 学 报JOURNAL OF FUE L CHEMISTRY AND TECHNOLOGYVol 132 No 12Apr 1 2004文章编号:025322409(2004)022******* 收稿日期:2003204215;修回日期:2003212203 基金项目:国家重点基础研究项目(G 2001C B409600);国家自然科学基金(50206018);国家高技术研究发展计划(2002AA527053) 作者简介:周 昊(19732),男,江苏吴江人,副教授,工程热物理专业,主要研究煤的高效低污染燃烧技术。
E 2m ail :zh ouhao @cm 煤种及煤粉细度对炉内再燃过程脱硝和燃尽特性的影响周 昊,邱坤赞,王智化,翁安心,岑可法,樊建人(浙江大学热能工程研究所,能源洁净利用与环境工程教育部重点实验室,浙江杭州 310027)摘 要:煤粉再燃技术是目前电站锅炉降低NO x 排放的一种有效技术。
本文在一维沉降炉上进行了不同煤种、不同煤粉细度的煤粉再燃脱硝降低NO x 排放的试验研究。
试验结果表明:高挥发分的煤种在再燃降低NO x 时的效果更显著。
对于同一煤种,采用细度更细的煤,合适的再燃区停留时间,可以获得高的降低NO x 排放效果,并可使煤粉的燃尽率达到90%左右。
本文还采用最小燃尽高度的方法探讨了再燃过程中煤粉细度的选择方法,分析得出,为使再燃区的煤粉能完全燃烧,充分发挥还原NO x 的效果,必须采用细粉或者超细粉。
关键词:煤粉再燃;NO x 还原;细度;最小燃尽高度中图分类号:TK 222 文献标识码:A 在燃料燃烧过程中,NO x 污染气体的排放的控制越来越受到重视[1,2]。
在炉内降低NO x 排放的诸多方法中,燃料再燃是非常有效的措施之一。
研究者的大量研究结果表明,燃料再燃可使NO x 的排放量降低50%以上[3～5]。
煤粉作为再燃燃料具有使用方便和经济的优点,但煤粉再燃也可能带来飞灰含碳量增加等问题。
如何选择合适的再燃煤种、煤粉细度及再燃工况是煤粉再燃技术中关心的问题。
1 试验装置和试验方法煤粉再燃脱硝试验在一维沉降炉上进行的,试验台架见图1。
主炉恒温段长度1m ,炉膛内径50mm ,炉温自动控制。
液化石油气和空气在多孔介质燃烧器中燃烧生成模拟烟气,在空气中混入部分氨气进入多孔燃烧器燃烧以生成具有一定浓度NO x 的模拟烟气。
模拟烟气经烟气喷口送入炉膛,再燃燃料从燃料喷口送入炉膛,实现再燃脱硝试验。
采用多孔介质燃烧器燃烧强烈而且稳定,不会发生预混或扩散气体火焰易发生的燃烧不稳定,易灭火等问题,方便实现模拟烟气中含氧量和NO x 浓度的控制,相比于采用气体钢瓶配气系统,不需控制很多配气阀门,且生成的模拟烟气各气体组分之间的比例符合实际。
调节模拟烟气含氧量等参数时,只需调节送入燃料和空气量即可,简化了试验过程。
试验中对氨气在多孔介质燃烧器中转化为NO x 的比例进行了测试,结果表明多孔介质燃烧器后基本无氨气泄漏,这是由于多孔介质燃烧器内燃烧温度高,燃烧通道曲折而且形成微小的多孔燃烧,从而大大增加了燃烧强度和稳定性,使NH 3的氧化反应进行得非常完全。
图1 煤粉再燃试验台架示意图Figure 1 Schematic diagram of the coal reburning testing facility 1—gas analyzer ;2—sucking pum p ;3—s olid sam pler ;4—sam 2pling probe ;5—therm ocouple ;6—furnace tube ;7—S iC tub ;8—insulation;9—coal feeder ;10—mixer ;11—primary air tube ;12—secondary air tube ;13—flow meter ;14—valve ;15—water extractor ;16—cooling tube ;17—pum ping line ;18—porous media burner ; 19—mixer ; 20—NH 3cylinder ;21—liquid petroleum gas cylinder ; 22—air com press or ;23—flashback chamber采用水冷探针对沉降炉沿程的烟气成分进行分析,并在线监测炉膛出口的烟气组分,炉膛出口同时设置飞灰分离装置,以获得飞灰样品以测试再燃燃料的燃尽率。
试验过程中所有测量得到的气体组分浓度都折算到6%含氧量。
采用四种不同煤化程度的煤作为再燃燃料,四种煤涵盖了无烟煤,贫煤和烟煤。
无烟煤选用晋城表1 再燃煤种特性T able 1 Characteristics of the reburn coalSam ples Proximate analysis w ad Π%MAVFCUltimate analysis w ad Π%C H N S t O Huainan 0.6929.6525.4544.2160.74 3.82 1.130.35 3.62Y anzhou 1.4522.9429.5146.1063.86 4.36 1.130.58 5.68Zhengzhou 0.5623.6514.1161.6867.00 3.86 1.300.72 2.91Jincheng0.5222.167.3270.068.983.021.090.433.80煤,贫煤选用郑州煤,烟煤则选取了淮南煤和兖州煤作为代表煤种。
具体的煤种工业分析和元素分析可见表1。
2 试验结果及分析2.1 煤种的影响 图2给出了不同煤种在相同工况下脱硝率的比较。
试验工况为:炉膛温度为1200℃、煤种细度均为80μm 、过量空气系数α为1、NO x 初始值为500×10-6左右。
由图可见,随再燃燃料减少,四种煤的脱硝率都逐渐减小。
但是在相同的试验工况下,不同煤种还原NO x 效果是不同的。
NO 还原能力的大小顺序依次是兖州煤>淮南煤>郑州煤>晋城煤。
图2 不同煤种的再燃效果比较Figure 2 E ffects of coal rank (1)Y anzhou coal ;(2)Huainan coal ;(3)Zhengzhou coal ;(4)Jincheng coal 煤粉作为再燃燃料,挥发分的多少对NO 的均相还原有重要影响。
在煤的挥发分中碳氢化合物(CH ,CH 2,CH 4)和含氮组分(HC N ,NH 3)等在贫氧时都能有效的还原NO 。
其中,CH i 根对NO 的还原作用是主导作用。
煤的挥发分在热解时将析出大量的碳氢化合物,产生大量的CH i 基团,挥发分含量越高,则CH i 基团越多,NO 的还原效果也将越好,从表1煤种的工业分析和元素分析中可知这四种煤的挥发分依次是兖州煤>淮南煤>郑州煤>晋城煤。
由煤的异相还原的机理可知[6],煤焦的比表面积在NO 的异相还原中也起着重要的作用。
挥发分高的褐煤和烟煤在挥发分析出后通常煤焦的比表面积大于贫煤和无烟煤,因此NO 的还原效果也越好。
表2对不同煤种相同工况下(炉膛温度1200℃、煤种细度80μm 、过量空气系数α=1、再燃燃料所占比例为20%、NO x 初始值为500×10-6左右)的燃烬率进行了分析比较,四种煤燃烬率依次分别为淮南煤93.58%>兖州煤93.09%>郑州煤88.88%>晋城煤86.14%,基本上和煤种挥发分高低一致。
由于淮南煤的固定碳比兖州煤略低,在同工况下燃烬率略高。
煤灰的化学组成成分不同,对再燃效果也有一定影响,主要表现为煤灰成分对再燃反应过程有一定催化作用,而煤灰中的碱性成分可吸收HC N ,而酸性成分可吸收NH 3,从而影响再燃效果。
煤灰成分对再燃过程的影响比较复杂,本文限于篇幅不作深入探讨,表2列出了各再燃燃料的煤灰组分。
表2 不同煤种试验灰分分析T able 2 Ash analysis for different coals reburning in same conditionSam ple Fe 2O 3w Π%MgO w Π%CaO w Π%T iO 2w Π%Al 2O 3w Π%S iO 2w Π%Carbon content in fly ash w Π%Burnout ratio w Π%Huainan 13.690.997.12 1.1426.8846.43 3.9093.58Y anzhou 5.070.75 2.53 1.7338.5050.26 4.4293.08Zhengzhou 7.08 1.14 4.45 1.2328.9648.337.4588.88Jincheng12.501.285.531.2620.5446.709.5686.147412期周 昊等:煤种及煤粉细度对炉内再燃过程脱硝和燃尽特性的影响2.2 煤粉细度的影响 图3给出了淮南烟煤细度的变化对脱硝率的影响(炉膛温度1200℃,α=1,再燃燃料比例20%,NO x 初始值500×10-6)。
由图可见随煤粉变细,脱硝率逐渐增加。
细度越细,煤粉的燃烧速率增加,由于O 2的加速消耗,颗粒表面附近的氧分压力降低较快。
煤粉燃烧过程碳颗粒表面的还原气氛加强,还原反应更加充分。
粒径从20μm 到80μm ,还原效率从40%降到了27%。
对再燃燃料比例占20%时的试验工况进行尾部抽样灰分分析,随着煤粉粒径的增大,燃尽率依次为93.86%>93.68%>93.58%,可见随细度的变粗燃尽率减小,但对于燃尽性能较好的烟煤,燃尽率受细度影响相对较小。
图3 煤粉细度对再燃脱硝率的影响Figure 3 E ffects of coal fineness on reburning performance图4 停留时间对再燃脱硝率的影响Figure 4 E ffects of residual time on reburning per formance(1)t =1.4s ;(2)t =1.2s ;(3)t =1.0s ;(4)t =0.8s2.3 停留时间及再燃区燃尽高度的影响 图4给出不同停留时间对脱硝率的影响曲线。
从图中可以看出,淮南煤随着再燃区停留时间的增加,NO x 的降低显著增加。
再燃燃料投入位置的选择对NO x 的还原效果和锅炉燃烧效率影响较大。
不同的喷入位置所形成的燃烧环境不同,燃料在炉内的停留时间不同,所取得的效果也不同。
通常所选择的位置应该温度相对比较高,可以形成微还原性气氛,并且能够保证有足够的反应停留时间。