第一篇：煤的高揮發(fā)分是有利于鍋爐燃燒效率提高的

關于高揮發(fā)分煤燃燒特性的調研分析

一、調研結論：

煤的高揮發(fā)分是有利于鍋爐燃燒效率提高的。目前所規(guī)定的鍋爐用煤的揮發(fā)分為28~37%，主要是為了限制低揮發(fā)分煤；煤的揮發(fā)分大于37%更有利于點火和燃燒。工業(yè)鍋爐中高揮發(fā)分煤的燃燒狀況優(yōu)于低揮發(fā)分煤，但考慮通常情況下不能保證高揮發(fā)分煤的供給，才限定了煤的揮發(fā)分小于37%。鍋爐燃燒主要通過燃燒溫度、配風和后續(xù)脫硫脫硝等方式實現(xiàn)清潔燃燒，燃用高揮發(fā)分煤的主要風險是NOx排放量可能會增加。下面通過文獻分析及實驗事實進一步明確高揮發(fā)分煤在工業(yè)鍋爐燃燒過程中NOx排放規(guī)律。

二、文獻分析：

我國煤炭儲量中低變質煙煤儲量豐富，約占 32%，尤其是發(fā)現(xiàn)內蒙古和陜西的神府-東勝礦區(qū)，以及新疆的準東-哈密礦區(qū)儲存著大量的長焰煤和不黏煤，預計地質可采儲量約為 5000 億噸。其煤質共同特點為揮發(fā)分較高，均在 33%~45%之間,易著火和燃盡,煤中灰分較少，屬于低-特低灰煤，煤灰成分中 K,Ca,Na 等堿金屬的成分較高，灰熔點較低，普遍低于1200℃，在燃燒過程中易結渣和沾污。這部分煤中水分差異較大，收到基水分變化范圍從 10%~30%之間。

高揮發(fā)分煤在進入燃燒區(qū)域之后迅速升溫，釋放大量揮發(fā)分，能夠快速著火燃燒，因而高揮發(fā)分煤機組具有燃燒效率高、機組負荷靈活性好的特點。與此同時燃用高揮發(fā)煤的過煤程中也會有一些安全威脅，主要包括高揮發(fā)分煤的氧化自燃，甚至是爆炸和低灰熔點的高揮發(fā)煤的爐膛結渣和沾污問題。前者主要是高揮發(fā)分煤中氧含量較高，揮發(fā)分析出溫度較低，而且揮發(fā)分釋放量大，因而容易在堆積狀態(tài)下發(fā)生自燃和在制粉系統(tǒng)中干燥和輸送過程中，由于緩慢釋放出揮發(fā)分的迅速著火而發(fā)生爆炸，因而對于高揮發(fā)分煤要合理控制煤粉的堆放和上煤過程，不形成過多的煤粉堆積或者過長的堆積時間。保證制粉系統(tǒng)的氣密性，提高煤粉細度和選擇合適的磨煤機出口一次風溫；后者主要是由于進入爐膛之后高揮發(fā)分 煤的釋放的大量揮發(fā)分迅速著火燃燒使爐膛的溫度迅速上升同時產生大量的 NOx。另外高揮發(fā)分煤由于燃燒初期熱負荷較大和煤灰成分中低灰熔點的堿金屬含量高，往往形成結焦和水冷壁玷污。可以通過四種辦法加以緩解：一是合理的爐膛結構設計，選擇適當大的爐膛結構參數(shù)能夠改善爐內的燃燒狀況，能夠同時實現(xiàn)增加煙氣的停留時間，降低屏底的煙氣溫度和降低爐膛熱負荷參數(shù)，這是對燃用具有嚴重結渣傾向煤種最直接的防結渣措施；二是采用動力用煤的混燒，主要用于解決爐膛的結渣問題，采用灰熔點較高的煤與這些低灰熔點的高揮發(fā)分煤混燒可以有效的提高燃煤灰熔融特性，緩解爐膛結渣的問；三是合理布置吹灰器，在爐膛、屏區(qū)和對流受熱面中布置完備的吹灰器，并定期吹掃，能夠有效的解決爐內的嚴重結渣所造成的安全生產問題；四是是通過分級空氣燃燒，限制燃燒初期的熱負荷。因高揮發(fā)分煤種的著火和燃盡效果均較好，降低爐膛燃燒器區(qū)域的溫度，既能夠減輕爐膛結渣的傾向，同時可以有效的控制燃燒初期 NOx的生成量，降低機組的 NOx的排放。

三、實驗研究：

相關實驗所采用的反應器是采用多段加熱和控溫的攜帶流反應器,實驗裝置。實驗系統(tǒng)主要由加熱系統(tǒng)、配風系統(tǒng)、給粉系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和取樣系統(tǒng)構成。

實驗選取了元寶山褐煤（YBS）、白音華褐煤（BYH）、伊敏褐煤（YM）、小龍?zhí)逗置海╔LT）、準東煙煤（ZD）和神華煙煤（SH）六種高揮發(fā)分煤。實驗研究了六種我國典型高揮發(fā)分煤在原始不分級和最優(yōu)再燃工況條件下煤粉的燃燒特性和 NOx生成特性。

1、原始不分級條件下不同煤種的燃燒和排放特性

圖 4-8 至圖 4-13不同煤種的燃燒和排放特性

從圖4-8~4-13中可以看出高揮發(fā)分煤的煤粉在距燃燒器出口的停留時間為 0.5s 處揮發(fā)分迅速釋放并著火,氧量下降，同時產生大量的 NOx，隨著氧量的消耗，由于焦炭等其它能夠參與還原作用的物質的存在，爐膛的沿軸向的 NOx排放量緩慢下降。原始不分級條件下不同煤種的 NOx的排放濃度均在 950mg/Nm3~1250 mg/Nm3左右，且與煤粉中含氮量呈正相關關系，SH 煙煤和 BYH 煙煤的含氮量高于 YBS 褐煤和 YM 褐煤，因而其初始排放濃度高于后兩種褐煤，而 XLT 褐煤的排放濃度偏低的原因可能是 XLT 褐煤的高含氮量導致的氮轉化率的下降抵消了含氮量增加的影響，使得煤粉含氮量對 XLT 褐煤的 NOx排放量增加的趨勢不明顯[27-28]。對比 YM 褐煤、BYH 褐煤與 XLT 褐煤、SH 煙煤可以發(fā)現(xiàn)前兩種煤在 0.5s 處得 NOx釋放量約為1800mg/Nm3,大于 XLT 褐煤和 SH 煙煤該時刻的釋放量,這主要是因為煤中揮發(fā)分含量越高,燃料氮轉化為揮發(fā)分氮的比例增加,燃燒初期生成的 NOx量越大。如果燃燒初期氣氛為弱還原性,揮發(fā)分氮轉化為 NCO、HCN 等含氮中間產物也會比較高,有利于再燃區(qū)的還原反應。比較這六種煤的含碳量和原始 NO 排放量可以發(fā)現(xiàn)對于高揮發(fā)分煤低階煤的原始 NO 排放濃度與煤變質程度關系不大。

通過圖 4-14 可以發(fā)現(xiàn)，六種煤種的燃盡率均在 97%以上，褐煤的燃盡率略好于煙煤,，這個結果與氣相產物中 CO 的體積濃度相吻合。通過各元素的轉化率對比可以發(fā)現(xiàn)不同煤種的 C/H/N 元素轉化率接近,均在 97%以上,燃燒效果較好,同時可以發(fā)現(xiàn)干燥基含氮量最高的 XLT 褐煤的氮元素的釋放率明顯偏低,約為 84%,其氮元素轉化率為最低,說明 XLT褐煤在煤粉燃燒過程中氮元素的釋放受到抑制,與其它煤種相比 XLT 褐煤的元素更多的殘留在固相中,從而也會造成其原始工況下 NOx的排放值低于含氮量略少的 SH 煙煤和 BYH 褐煤。

通過各元素的轉化率對比可以發(fā)現(xiàn)不同煤種的 C/H/N 元素轉化率接近,均在 97%以上,燃燒效果較好,同時可以發(fā)現(xiàn)干燥基含氮量最高的 XLT 褐煤的氮元素的釋放率明顯偏低,約為 84%,其氮元素轉化率為最低,說明 XLT褐煤在煤粉燃燒過程中氮元素的釋放受到抑制。與其它煤種相比 XLT 褐煤的元素更多的殘留在固相中,從而也會造成其原始工況下 NOx的排放值低于含氮量略少的 SH 煙煤和 BYH 褐煤。

2、再燃條件下不同煤種的燃燒和排放特性

為了驗證不同高揮發(fā)分煤再燃特性,本實驗中設計煤粉再燃工況是通過將煤粉分為一次風粉和再燃燃料兩股給入,同時將風量按照模擬實際燃煤鍋爐燃燒方式依次分為一次風、二次風、再燃攜帶空氣和燃盡風。圖 4-14 至圖 4-19 表示不同煤種在對應選取的最佳的再燃工況中燃燒特性和 NOx的排放特性。

本實驗的各種高揮發(fā)分煤的再燃實驗工況中主燃區(qū)和再燃區(qū)的過量空氣系數(shù)和煙氣停留時間均相同,過量空氣系數(shù) α=0.8，氣的停留時間是通過煙氣量計算得出的從燃燒器出口沿爐膛軸向化學反應時間,主燃區(qū)的停留時間選取1.0s,而再燃區(qū)的停留時間兼顧再燃效果和實際的工業(yè)應用選取 0.8s,通過對比這六種高揮發(fā)分煤的再燃實驗結果表明,高揮發(fā)分褐煤和煙煤的利用煤粉再燃技術降低 NOx效果非常明顯,采用深度燃料分級技術(主燃區(qū)過量空氣系數(shù) α<1)可以將 NOx的質量排放濃度降到 180~350mg/Nm3。比較最終 NOx排放值可以發(fā)現(xiàn)，采用煤粉再燃技術高揮發(fā)分煙煤 NOx的排放值有可能會低于高揮發(fā)分褐煤，例如 ZD 煙煤的最低 NOx排放值少于 YBS、BYH 和 XLT 褐煤，這是由于高揮發(fā)分煤與褐煤的揮發(fā)分含量比較接近,煤粉再燃特性受煤及煤焦的其它理化特性影響表現(xiàn)顯著。

為了驗證不同高揮發(fā)分煤再燃特性,本實驗中設計煤粉再燃工況是通過將煤粉再燃過程是將一部分的煤粉在主燃區(qū)的下游推遲噴入的,因而必然會造成煤粉 的燃燒總停留時間減少,可能會出現(xiàn)燃盡效果變差的問題。因而在實際應用煤粉再燃技術的時候考慮到經濟性來綜合選用再燃過程燃燒參數(shù)。圖 4-23 表示再燃工況條件下尾部點的固體樣品中 C-H-N 元素的轉化率。實驗選取的樣品是不同煤種的最佳再燃工況尾部點(煙氣停留時間為 3.0s)的固體產物和氣體產物樣品。圖 4-22 表明這幾種高揮發(fā)分煤在再燃條件下燃燒效率變化不大,燃盡率均在 95%以上,采用煤粉再燃技術降低 NOx的同時沒有影響煤粉的燃盡效果,同時在爐膛尾部監(jiān)測的氣相產物中 CO 濃度也基本上在 100ppm 以下,氣相不完全燃燒熱損失也很小,從圖中可以發(fā)現(xiàn) YM、ZD、SH 煤三種含碳量略高的煤種在再燃過程中燃盡效果比 YBS、BYH 和 XLT 三種煤差一些,影響高揮發(fā)分煤再燃效果燃盡率的主要因素是煤中含碳量,與再燃效果無直接關聯(lián)。

從圖 4-23 可以看出,不同煤種在再燃工況下 C、H 轉化率均在 97%以上,表明煤粉的燃盡效果很好,而 N 元素的轉化率出現(xiàn)兩個低值,分別是YBS 褐煤(94%)和 XLT 褐煤(88%),這兩種褐煤的 N 元素的轉化率偏低,既有利于降低 NOx 的生成量,同時也會導致再燃區(qū) HCN、NH3的生成量減少,從而減弱再燃還原 NO 的能力。

3、實驗結論

950mg/Nm3~1250mg/Nm3左右，且與煤粉中含氮量呈正相關關系，煤中氮元素含量過大對煤粉燃燒過程中 NOx釋放抑制作用明顯，同時還與煤粉元素釋放特性尤其是氮元素的釋放特性有關。1)不同煤種的原始不分級下 NOx的初始排放濃度均在2)在原始工況下這六種高揮發(fā)分煤的燃盡率均在 97%以上,其中褐煤的燃盡效果略好于煙煤,通過尾部點固體灰樣中 C/H/N 元素轉化率分析可以得出這六種高揮發(fā)分煤的燃盡效果均很好,發(fā)現(xiàn) XLT 褐煤的 N 元素轉化率低于其它五種煤,導致其 NOx生成量略低。

3)高揮發(fā)分褐煤和煙煤的利用煤粉再燃技術降低 NOx效果非常明顯,采用包括深度燃料分級技術(主燃區(qū)過量空氣系數(shù) α<1)可以將 NOx的質量排放濃度降到 180~350mg/Nm3(6%O2),高揮發(fā)分褐煤的再燃還原反應所需的時間比高揮發(fā)分煙煤長一些,采用煤粉再燃技術,與高揮發(fā)分褐煤相比,高揮發(fā)煙煤有可能會實現(xiàn)更低的 NOx排放值。

4)不同高揮發(fā)分煤再燃過程中燃盡效果沒有明顯降低,高揮發(fā)分煤通過煤粉再燃技術能保證燃燒效率的同時實現(xiàn)較低的 NOx排放量,在本實驗條件下再燃還原效率均在 66%以上,YM 褐煤的還原效率高達 80%,分析元素轉化率分析發(fā)現(xiàn),XLT 褐煤和 YBS 褐煤再燃工況條件下 N 元素的轉化 率偏低。

總之，煤進入到高溫環(huán)境之后,依次完成預熱干燥、揮發(fā)分析出、揮發(fā)分和焦炭的著火燃燒和焦炭的燃盡過程。在這四個過程中除了第一個環(huán)節(jié)不存在氮氧化物的生成之外，其他過程都會有 NOx的生成，而且在不同的過程中受到不同的因素的影響。綜合來看，煤質特征尤其是煤變質程度是影響各個過程的燃燒狀態(tài)和氮氧化物等污染物生成的主要因素。一般來說，低階煤（高揮發(fā)分）具有著火迅速、前期 NOx生成量大、燃盡效果好的特征，而與之對應的高階煤（低揮發(fā)分）著火較慢、前期燃燒程度小、燃盡時間長。通過從不同揮發(fā)分煤的燃燒過程和NOx污染物的生成規(guī)律可知，高揮發(fā)分煤是較理想的工業(yè)鍋爐燃料，以揮發(fā)分高限定燃料品質不具有科學依據。