还原区当量比对煤粉预热燃烧特性的影响
0 引 言
随着经济飞速发展，煤炭在很长一段时间内仍是我国最主要的一次能源[1-3]，其清洁高效利用尤为重要。在不采用任何烟气脱硝设备的前提下，直接通过燃烧调控降低NOx排放且不牺牲燃烧效率成为洁净煤技术今后的重要发展方向。目前，国内外针对煤燃烧过程中低NOx排放开展了一些研究，主要有低氮燃烧器、分级燃烧和MILD燃烧等[4]。分级燃烧技术主要分为空气分级燃烧技术和燃料分级燃烧技术。RIBEIRETE和COSTA[5]主要研究了空气分级燃烧对煤粉炉燃烧性能的影响，研究表明增加燃料在还原区的停留时间，可促进NOx还原，降低NOx排放。YONMO等[6]研究了采用空气分级燃烧和不采用空气分级燃烧情况下，煤粉细度对燃烧特性和排放的影响，结果表明，空气分级燃烧能降低燃烧温度和尾部NOx排放，但会导致CO含量增加，燃烧效率降低[7]。燃料分级的概念首先由WENDT等[8]提出，在燃料再燃系统中，分段供给的燃料和空气将炉膛分为3个不同的燃烧区域：一级再燃区、再燃区和燃尽区。后续研究表明燃料分级燃烧的脱硝率在炉内脱硝技术中最高，能极大降低煤燃烧过程中的NOx排放。吕清刚等[9]通过结合空气分级、燃料分级等技术，自主研发了预热燃烧技术；WANG等[10]建造了与该技术相应的预热燃烧试验台，并进行了多煤种的预热燃烧特性和NOx生成特性研究。ZHU等[11-14]在此基础上开展了富氧预热燃烧特性及NOx排放特性试验研究以及不同参数变化对该过程特性的影响等。但上述预热燃烧试验研究的还原区空气当量比一般低于0.7，而高还原区当量比(高于0.7)下的预热燃料燃烧特性和NOx排放特性等基本规律尚不明确。
因此，笔者在保持循环流化床运行参数和整体过量空气系数基本不变的前提下，探索还原区当量比对预热燃料燃烧性能的影响，包括温度分布、沿程气体组分分布和尾部排放特性等，以丰富对煤粉预热燃烧特性的基本认识，为煤粉预热燃烧技术发展提供借鉴。
1 试 验
1.1 试验装置和原理
试验在30 kW预热燃烧试验装置上进行，主要由3部分组成：用于燃料改性的循环流化床、燃料发生主要燃烧反应的下行燃烧室以及辅助设备。试验原理为原煤在循环流化床内与低过量系数的空气混合，发生部分气化和部分燃烧反应后转化成高温的预热半焦和预热煤气(统称为高温预热燃料)，生成的高温预热燃料再进入下行燃烧室与二次风和三次风混合后燃尽。高温预热燃料和二次空气从不同管路分别进入燃烧室后掺混燃烧，三次风从距离燃烧室顶部1 200 mm的位置给入。
试验台详情见文献[15-16]，试验流程如图1所示，二次风和高温煤基燃料进入燃烧室的位置如图2所示。下行燃烧室沿程布置5个气体和固体取样点，分别位于距离燃烧室顶部100、400、900、1 400和2 400 mm五个截面上，同时，5个截面上还布置有5个热电偶，主要通过5个截面处的气体成分和温度表征燃烧室沿程的烟气成分和温度变化。
图1 试验装置流程
Fig.1 Flow chart of experimental apparatus
图2 二次风和高温预热燃料的给入位置
Fig.2 Feeding position of the secondary air and high temperature preheating fuel
1.2 燃料特性
试验所用神木烟煤粒径为0～0.355 mm，粒径分布如图3所示。可知累积体积分数10%、50%和90%所对应的切割粒径分别为18.54、118.32和301.80 μm。
图3 原煤的粒径分布
Fig.3 Particle size distribution of raw coal
神木原煤的工业分析和元素分析见表1，其中C/H和C/O比通过原煤的元素分析确定。
表1 原煤的工业分析和元素分析
Table 1 Proximate and ultimate analysis of raw coal
注：*由差减法所得。
1.3 试验参数
预热燃烧过程中，保持循环流化床各运行参数和过量空气系数等不变，改变还原区当量比的试验工况参数见表2，还原区当量比λRe为0.70～0.96。
表2 试验工况参数
Table 2 Parameters of experimental condition
λCFB、λRe、λTe、λ计算公式为
(1)
(2)
(3)
λ=λRe λTe，
(4)
式中，APr、ASe、ATe分别为一次风、二次风和三次风的体积流率，m3/h；AStoic为燃料完全燃烧所需要的理论空气流率，m3/h。
2 结果与讨论
本文主要分析同一循环流化床运行参数下，生成的高温预热煤气和预热半焦与不同二次风量、三次风量混合后的燃烧特性。
2.1 预热特性
循环流化床的运行温度分布如图4所示，循环流化床预热室运行稳定，温度分布均匀，平均预热温度为850 ℃，超过燃料燃点，预热燃料进入燃烧室与二次风混合后可直接燃烧，不存在着火和稳燃问题。
图4 循环流化床温度分布
Fig.4 Temperature distribution of circulating fluidized bed
2.1.1 高温预热煤气成分分析
试验过程中，分别对稳定工况的高温预热煤气成分和预热半焦进行测量和取样，煤气成分见表3。可知预热条件下，生成的预热煤气中含有可燃还原性气体CO、H2和CH4，煤气热值为2.1 MJ/m3。高温预热煤气喷入下行燃烧室与二次风混合后发生均相燃烧反应，提升燃烧室温度。预热煤气的含氮气体物质中仅检测到NH3，未发现HCN和NOx。
表3 煤气成分分布
Table 3 Distribution of the coal gas composition
2.1.2 粒径分布对比
原煤和预热燃料的粒径分布对比如图5所示，煤粉经过循环流化床预热后，其中位粒径d50由118.32 μm变为31.70 μm，煤粉粒径变细，这与原煤预热过程中因挥发分析出导致的颗粒爆破有关，其试验结果与之前研究结果[15-16]一致。
图5 原煤和预热半焦的粒径分布
Fig.5 Particle size distribution of raw coal and preheated char
2.1.3 预热半焦和原煤的碳结构有序性分析
为表明预热过程对原煤样品的改性作用，利用拉曼光谱分析了原煤和预热半焦样品的碳结构有序性，拉曼光谱分峰拟合曲线结果如图6所示。
图6 原煤和预热半焦的拉曼光谱分峰拟合曲线
Fig.6 Raman spectrum peak fitting curves of raw coal and preheating char
由图6可知，2个样品的拉曼光谱原始曲线都可拟合成5个峰(D1、D2、D3、D4、G)[17-21]。主要采用拉曼光谱拟合成的各峰面积比值(如IG/IAll，ID3 D4/IG，其中I为光谱峰面积)来表征样品的碳结构有序性。
原煤和预热半焦的拉曼光谱带比值如图7所示。
图7 原煤和预热半焦的拉曼光谱带比值
Fig.7 Raman band ratio of raw coal and preheated char
由图7可知，相比于原煤，预热半焦的拉曼光谱带比值ID3 D4/IG增加，而IG/IAll降低。说明原煤经历预热过程后，其碳结构有序性破坏，混乱程度增加，从而导致样品的反应性增加。
综上所述，相比于原煤，预热半焦粒径减小，预热燃料的碳结构有序性降低、反应性增加。
2.2 预热燃料的部分燃烧特性
2.2.1 温度分布
不同还原区当量比下的燃烧室沿程温度分布如图8所示。可知还原区当量比增加时，距离燃烧室顶部100和400 mm处的温度增加，当还原区当量比为0.70和0.79时，燃烧室温度最高点在距离喷口900 mm附近，当还原区当量比增大到0.96时，燃烧室最高温度点出现在距离喷口100 mm附近，且整个燃烧室的温度随与喷口距离的增加而下降。可见还原区当量比增加，主燃烧区向喷口附近移动。
图8 不同的还原区当量比下燃烧室沿程的温度分布
Fig.8 Temperature distribution along the combustion chamber under different secondary air equivalence ratio
2.2.2 沿程气体分布
试验对下行燃烧室沿程5个测点进行气体在线测量。改变还原区当量比后，沿程NOx和CO质量浓度分布如图9所示。
图9 燃烧室沿程CO和NOx排放质量浓度对比
Fig.9 CO and NOx emissions comparison along the combustion chamber
由图9可知，随着还原区当量比增加，燃烧室沿程的NOx排放质量浓度降低。三次风给入燃烧室前，即燃烧室喷口至三次风区域内为还原性气氛，三次风喷口至燃烧室出口为氧化性气氛。在三次风以前，即燃烧室还原性区域内，并未检测到NOx，但检测到了较高质量浓度的CO，导致NOx还原。还原区当量比增大后，还原区内CO质量浓度降低，部分CO发生了燃烧反应。三次风后的氧化性气氛中，CO质量浓度降低，NOx质量浓度上升，结果表明，还原区当量比为0.96时，NOx和CO排放质量浓度均呈最低值。
为进一步阐述还原区当量比改变对燃烧室内含氮气体释放的影响，将不同工况下的沿程含氮气体组分进行对比，具体如图10所示(6% O2)。
图10 不同工况下的沿程含氮气体组分分布对比
Fig.10 Comparison of nitrogen-containing gas composition distribution along the combustion chamber under different working conditions
由图10可知，3个还原区当量比的含氮组分随下行燃烧室的分布规律大体一致，其中整个燃烧室沿程的NH3、HCN、N2O含量极低，总质量浓度均不超过10 mg/m3，可将其忽略。三次风以前，燃烧室内NO质量浓度为0，NO2是主要的含氮组分。三次风从距燃烧室顶部1 200 mm处给入后，NO2质量浓度快速降至0，且保持为0的状态，同时NO质量浓度快速上升，且沿程NO质量浓度随着还原区空气当量比的增加而降低。在强还原性气氛下，挥发分氮和焦炭氮主要转换成N2和NO2。WANG等[22]研究结果表明，在高质量浓度CO条件下，NO2的还原反应被削弱，且NO2质量浓度随着顶部距离的增加而降低。三次风从1 200 mm处给入后，燃烧室由还原性气氛转变成氧化性气氛，CO质量浓度很快降至很低。此时，低质量浓度的还原性物质，如CO和焦炭，对NO2有很强的还原作用，结合NO2的分解反应导致燃烧室1 400和2 400 mm处的NO2迅速降低至0，同时生成的NO质量浓度增加。根据测量结果，可推断下行燃烧室含氮气体发生的反应有
NO2
NO 0.5O2，
(5)
NO2 CONO CO2，
(6)
NO CO0.5N2 CO2，
(7)
4NO2 2C4NO 2CO2。
(8)
总体来看，未通入三次风前的强还原区内，燃烧室沿程的含氮物质主要以NO2形式存在，而在氧化性气氛下，含氮物质主要以NO形式存在。还原区内的NO2峰值点随着还原区当量比的增加而降低，这是因为NO2的生成与还原性气氛的强弱有关。
2.2.3 尾部NOx排放特性
不同还原区当量比的NOx排放特性如图11所示(6% O2)。增大还原区当量比能明显降低NOx排放。主要原因是还原区当量比增大，促进燃料氮的析出，析出的燃料氮在还原性条件下易于向N2转化，从而导致最终NOx排放降低。
图11 不同工况下的NOx排放质量浓度对比
Fig.11 Comparison of NOx emissions under different conditions
3 结 论
1)循环流化床空气当量比为0.49、预热温度为883 ℃时，煤粉预热后粒径减小，碳结构有序性降低，预热燃料的反应活性增加。
2)还原区当量比增加，预热燃料燃烧最高温度向喷口移动，主燃烧区上移，燃烧室沿程温度逐渐降低，还原区当量比变化可调控燃烧室温度分布水平。
3)燃烧室还原性气氛下含氮物质主要以NO2形式存在，其浓度随还原区当量比的增加而降低；含氮物质在氧化性气氛下主要以NO形式存在，随着还原区当量比的增加，沿程和尾部的NOx排放质量浓度降低。
4)还原区当量比为0.96时，NOx和CO排放水平均较低。
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Influence of equivalence ratio of reduction zone on preheating combustion characteristics of pulverized coal
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ZHANG Yi,ZHANG Jiahang,ZHU Jianguo,et al.Influence of equivalence ratio of reduction zone on preheating combustion characteristics of pulverized coal[J].Clean Coal Technology，2021,27(6):141-146.
