齊永鋒，李正明，徐 亮，張 揚(yáng)，張冬冬，王妹婷

（揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州225127）

煤焦燃燒特性與其脫硝效率間的關(guān)聯(lián)實(shí)驗(yàn)研究

齊永鋒*，李正明，徐 亮，張 揚(yáng)，張冬冬，王妹婷

（揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州225127）

采用神木煙煤在高溫氮?dú)鈿夥障轮苽涿航?，并探討了不同的氧氣體積分?jǐn)?shù)及取樣位置下煤焦脫硝與燃燒間的關(guān)聯(lián).結(jié)果表明：煤焦脫硝效能的最大發(fā)揮主要可通過(guò)再燃區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)的調(diào)控來(lái)實(shí)現(xiàn).當(dāng)再燃區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)低于3.26%時(shí)，控制氧氣體積濃度在煤焦表面實(shí)現(xiàn)表面氧化反應(yīng)控制下的燃燒狀態(tài)，能促進(jìn)煤焦顆粒大幅升溫，同時(shí)通過(guò)限制著火強(qiáng)度可以保證顆粒表面存在氧化反應(yīng)生成活性點(diǎn)所需的足夠氧氣，此時(shí)適當(dāng)延遲取樣有利于煤焦脫硝效率的提高；當(dāng)再燃區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)高于3.26%時(shí)，易導(dǎo)致煤焦進(jìn)入表面還原反應(yīng)控制燃燒狀態(tài)，過(guò)多延遲取樣則將失去強(qiáng)化脫硝的效果.

煤焦；脫硝；燃燒；表面氧化反應(yīng)；表面還原反應(yīng)

燃煤電站鍋爐中NOx的生成主要受燃燒過(guò)程特性的影響，因此通過(guò)控制燃燒過(guò)程來(lái)降低NOx排放的爐內(nèi)脫硝技術(shù)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，采用煤粉作為再燃燃料再燃降低NOx的方法已成為爐內(nèi)脫硝技術(shù)的研究熱點(diǎn)［1-3］.再燃過(guò)程中煤粉裂解析出揮發(fā)分的時(shí)間非常短暫，因而煤焦有較長(zhǎng)的時(shí)間對(duì)煙氣中的NOx進(jìn)行異相還原，脫硝效能在煤粉再燃過(guò)程中起著重要作用［4］.徐亮等［5］發(fā)現(xiàn)揮發(fā)分含量較高的煤快速熱解形成的煤焦具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，由此推斷其吸附反應(yīng)活性較高. Burch［6］和Chen［7］等在小型流動(dòng)反應(yīng)器中以煤粉作為再燃燃料研究了NOx的還原過(guò)程，發(fā)現(xiàn)在很寬的過(guò)量空氣系數(shù)范圍內(nèi)褐煤異相反應(yīng)機(jī)制對(duì)NOx還原的貢獻(xiàn)都大于同相反應(yīng).Liu等［8］認(rèn)為煙煤焦對(duì)煤粉再燃還原效率的貢獻(xiàn)約占40%.由于目前對(duì)煤焦異相脫硝反應(yīng)在影響因素、動(dòng)力學(xué)機(jī)制實(shí)驗(yàn)以及動(dòng)力學(xué)過(guò)程模擬等方面仍存在很多認(rèn)識(shí)上的不足［9-10］，故煤焦脫硝特性對(duì)降低燃煤鍋爐NOx排放的研究仍須進(jìn)一步深入.本文首先采用我國(guó)燃煤電站使用的典型動(dòng)力煤“神木煙煤”制備了煤焦，然后分析探討其脫硝與燃燒過(guò)程間的關(guān)聯(lián)，以期通過(guò)調(diào)控煤焦的燃燒狀態(tài)促進(jìn)其脫硝效能的最大發(fā)揮.

1　實(shí)驗(yàn)方法

煤焦再燃實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示.采用N2，O2，CO2，NO等4種氣體配制模擬煙氣，其中N2為平衡氣體，一維爐尾煙氣采用Testo 350PRO煙氣分析儀進(jìn)行測(cè)量.選擇在1 000℃的氮?dú)鈿夥障轮苽涞纳衲緹熋好航棺鳛樵偃既剂?，其分析基?shù)據(jù)水分含量為0，灰分為6.59%，揮發(fā)分為2.76%，固定炭為90.65%，再燃燃料比例為20%，煤焦在再燃區(qū)最大停留時(shí)間為1.0 s，再燃區(qū)溫度為1 000℃.采用水冷取樣槍沿爐膛中心軸移動(dòng)，與煙氣分析儀連接測(cè)量煤焦在不同停留時(shí)間的反應(yīng)情況，以初始模擬煙氣與煤焦燃燒后煙氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)的差值作為氧氣的消耗率.

2　結(jié)果分析與討論

圖2，3分別給出了煤焦再燃脫硝效率、再燃時(shí)氧氣消耗率和CO體積分?jǐn)?shù)隨再燃區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)φ（O2）及取樣位置的變化關(guān)系.

圖1　煤焦再燃實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Experimental system for char reburning

由圖2可知：1）當(dāng)φ（O2）≤3.26%時(shí)，再燃區(qū)耗氧量上升緩慢，甚至?xí)霈F(xiàn)由于煤焦中殘存的氧氣釋放而導(dǎo)致耗氧量產(chǎn)生負(fù)值的情況，煤焦脫硝效率隨φ（O2）的增大呈現(xiàn)上升規(guī)律.其原因?yàn)椋孩?煤焦燃燒初期燃燒速率完全受表面氧化反應(yīng)速率控制，火焰基本停留在顆粒表面，促進(jìn)顆粒溫度大幅躍升，表面氧化反應(yīng)速率加快，而煤焦的異相脫硝反應(yīng)速率隨溫度增加呈指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)，因此φ（O2）=3.26%時(shí)的煤焦脫硝效率較高［11］；②在煤焦制備過(guò)程中揮發(fā)分以“噴射”方式快速釋放，導(dǎo)致顆粒表面凹凸較多，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)［7］1968，在表面氧化反應(yīng)等作用下煤焦表面形成較多的有利于脫硝的自由活性點(diǎn)，這也為其異相還原NO的反應(yīng)提供了良好的條件. 2）當(dāng)φ（O2）＞3.26%時(shí)，再燃區(qū)耗氧量大幅上升，表明該階段煤焦著火比較劇烈，此時(shí)煤焦脫硝效率隨φ（O2）的增大而逐漸下降.圖2（c）中的CO體積分?jǐn)?shù)曲線的變化規(guī)律亦能說(shuō)明φ（O2）＞3.26%時(shí)燃燒比較劇烈，且煤焦表面的氧化反應(yīng)或CO2還原反應(yīng)生成的CO氣體較多.其原因?yàn)椋孩?隨著煤焦燃燒速率的加快，CO燃燒消耗了較多原本可擴(kuò)散至顆粒表面的O2，表面氧化反應(yīng)速率迅速下降，此時(shí)顆粒周圍較高的溫度和氣相反應(yīng)生成的大量CO2又促進(jìn)了表面還原反應(yīng)的發(fā)生；②當(dāng)顆粒溫度很高時(shí)表面氧化反應(yīng)因CO燃燒幾乎消耗了全部O2而停滯，燃燒完全被表面還原反應(yīng)所控制，受O2擴(kuò)散控制影響，火焰移動(dòng)至距離顆粒較遠(yuǎn)的位置，不利于煤焦表面自由活性點(diǎn)的生成［11］1358；③NO的異相分解速率與固定炭燃燒速率相似，在900～1 300 K范圍由動(dòng)力學(xué)控制，高于1 300 K時(shí)由擴(kuò)散控制，故此時(shí)能夠到達(dá)煤粉顆粒表面的NO與O2都很少，同時(shí)由于煤焦比表面積主要集中于顆粒內(nèi)表面，受擴(kuò)散控制能夠進(jìn)入煤焦內(nèi)部空隙的NO與O2更少，異相還原作用開始減弱［7］1968.

圖2　再燃區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)煤焦再燃的影響Fig.2 The influence of oxygen volume fraction in reburning zone on char reburning

由圖3可知：1）當(dāng)再燃區(qū)φ（O2）=2.79%時(shí)，隨著取樣位置的延遲，煤焦脫硝效率基本呈持續(xù)上升趨勢(shì)，這是由于此時(shí)煤焦燃燒基本受表面氧化反應(yīng)控制，適當(dāng)延長(zhǎng)再燃煤焦的停留時(shí)間將有利于脫硝效率的提高；2）當(dāng)再燃區(qū)φ（O2）=4.66%時(shí)，煤焦燃燒劇烈，隨著停留時(shí)間的延長(zhǎng)煤焦脫硝效率增長(zhǎng)幅度較φ（O2）=2.79%工況下的小，甚至在后期出現(xiàn)下降趨勢(shì).由此表明當(dāng)煤焦發(fā)生劇烈燃燒進(jìn)入表面還原反應(yīng)控制階段時(shí)，能夠到達(dá)煤焦表面用于生成活性點(diǎn)的氧氣已經(jīng)很少，過(guò)多延遲取樣對(duì)提高脫硝效率毫無(wú)意義.

圖3　取樣位置對(duì)煤焦再燃的影響Fig.3 The influence of sampling position on char reburning

綜上所述，針對(duì)燃燒典型動(dòng)力煤“神木煙煤”的電站煤粉鍋爐，通過(guò)煤粉再燃技術(shù)來(lái)降低氮氧化物的排放具有較好的應(yīng)用前景，特別是可通過(guò)控制再燃區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)煤焦表面氧化反應(yīng)控制下的燃燒，促進(jìn)顆粒升溫，同時(shí)通過(guò)限制著火強(qiáng)度以保證表面氧化所需的氧氣，可以最大程度地發(fā)揮煤焦脫硝效率.

［1］HWANG M Y，KIM S M，KIM G B，et al.Simulation studies on direct ash recycling and reburning technology in a tangentially fired 500 MW pulverized coal boiler［J］.Fuel，2013，114：78-87.

［2］LUAN Tao，WANG Xuedong，HAO Yuzhen，et al.Control of NO emission during coal reburning［J］.Appl Energy，2009，86（9）：1783-1787.

［3］ZARNITZ R，PISUPATI S.Identification of significant factors in reburning with coal volatiles［J］.Environ Sci Technol，2008，42（6）：2004-2008.

［4］KONG Jiao，ZHAO Ruifang，BAI Yonghui，et al.Study on the formation of phenols during coal flash pyrolysis using pyrolysis-GC/MS［J］.Fuel Process Technol，2014，127：41-46.

［5］徐亮，齊永峰，張冬冬，等.不同快速裂解氣氛下的煙煤表面微觀特性［J］.揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，16（2）：69-72.

［6］BURCH T E，CHEN W Y，LESTER T W，et al.Interaction of fuel nitrogen with nitric oxide during reburning with coal［J］.Combust Flame，1994，98（4）：391-401.

［7］CHEN W Y，MA L.Effect of heterogeneous mechanisms during reburning of nitrogen oxide［J］.AIChE J，1996，42（7）：1968-1975.

［8］LIU H，HAMPARTSOUMIAN E，GIBBS B M.Evaluation of the optimal fuel characteristics for efficient NO reduction by coal reburning［J］.Fuel，1997，76（11）：985-993.

［9］GAO C Y，HIGUCHI T，YOSHIZAWA A，et al.Role of char in NOxformation during coal combustion at a regenerator temperature of calcium looping process［J］.Fuel，2014，121：319-326.

［10］TANIGUCHI M，KAMIKAWA Y，YAMAMOTO K.Comparison of staged combustion properties between bituminous coals and a low-rank coal；fiber-shaped crystallized carbon formation，NOxemission and coal burnout properties at very high temperature［J］.Combust Flame，2013，160（10）：2221-2230.

［11］齊永鋒，章明川，于娟.考慮熱解產(chǎn)物組分的煤粉著火燃燒數(shù)學(xué)模型［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，47（9）：1358-1362.

Experimental investigation on the correlation between denitration efficiency and char combustion characteristics

QI Yongfeng*，LI Zhengming，XU Liang，ZHANG Yang，ZHANG Dongdong，WANG Meiting
（Sch of Hydraul&Energy Power Engin，Yangzhou Univ，Yangzhou 225127，China）

The experiments on correlation between char combustion characteristic and its denitration efficiency are carried out by using char prepared with Shenmu bituminous coal in high-temperature nitrogen.It is found that the char denitration can full bring into play by regulating oxygen in reburning zone.If the char combustion is controlled by surface oxidation reaction with oxygen volume fraction lower than 3.26%and enough oxygen can reach char surface to generate active points by oxidation reaction with oxygen regulation，the char temperature will increase sharply and the denitration efficiency can also increase with delayed sampling.However，if the char combustion is controlled by surface reducing reaction under high oxygen atmosphere，i.e.oxygen volume fraction is higher than 3.26%，the delayed sampling has no significance for strengthening NOxreduction.

char；denitration；combustion；surface oxidation reaction；surface reducing reaction

TQ 534；X 701.7

A

1007-824X（2015）01-0053-04

（責(zé)任編輯 林 子）

2013-11-29.*聯(lián)系人，E-mail：yfqi@yzu.edu.cn.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51106133）；江蘇省科技支撐計(jì)劃（社會(huì)發(fā)展）項(xiàng)目（BE2014682）；江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（BK2010314）；江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目（10KJB470010，12KJB510032）.

齊永鋒，李正明，徐亮，等.煤焦燃燒特性與其脫硝效率間的關(guān)聯(lián)實(shí)驗(yàn)研究［J］.揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015，18（1）：53-56.