新型燃煤爐具燃燒原煤和潔凈型煤時NOx排放量對比研究

劉忠攀，楊曉輝，王海苗，宋令坡，白浩隆，司 碩，藍 天

(1.兗礦集團潔凈煤技術(shù)工程研究中心；2.兗礦科技有限公司，山東 濟寧 273599)

1 引 言

國務院印發(fā)的《打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》中，明確提出宜煤則煤的供暖方式，確保北方地區(qū)群眾安全取暖過冬。隨著我國城鎮(zhèn)化水平加快，北方大部分新型城鎮(zhèn)化社區(qū)與非集中供熱區(qū)域的學校、敬老院等冬季供暖需求增加，特別是在煤炭資源供應充足的區(qū)域，必須因地制宜開發(fā)煤炭清潔供暖技術(shù)和新型高效清潔供暖爐具，解決環(huán)境保護與冬季供暖之間的矛盾。基于此，公司將成功應用于分戶式民用清潔供暖領(lǐng)域的“煤爐匹配”先進理念延伸至中小型區(qū)域供暖領(lǐng)域，在解耦燃燒理論的基礎(chǔ)上，以潔凈型煤為設(shè)計燃料，采用分級配風和分段燃燒的技術(shù)，優(yōu)化爐具內(nèi)部氧化還原氣氛、熱量釋放分布、溫度分布、燃燒時間等關(guān)鍵參數(shù)，將燃燒室分為低溫熱解氣化區(qū)、高溫半焦燃燒及燃盡區(qū)、二次富氧再燃區(qū)三部分，解決了提高燃燒效率需要富氧高溫和降低NOx需要貧氧低溫的矛盾，進一步提高潔凈型煤燃盡率并降低NOx排放。

針對燃料對層燃爐NOx排放的影響，杜海亮等[1]研究表明，顆粒粒徑對層燃爐煤層NOx析出有關(guān)聯(lián)性，燃燒前期大粒徑煤層析出更少的NOx。同時大粒徑煤顆粒焦炭氮更多，燃燒后期氧化生成NOx更多。趙來福等[2]對不同煤層厚度對NOx析出對比試驗中比較得出，110 mm工況析出量最少，150 mm工況析出次之，80 mm工況析出量遠多于110 mm和150 mm工況。朱全利[3]及曹欣玉[4]研究表明，揮發(fā)分低的煤，生成的焦炭氮比例大于揮發(fā)分氮，這是由于低揮發(fā)分煤的焦炭比表面積小于高揮發(fā)分煤，NOx在焦炭表面的還原速率低，因此焦炭氮的轉(zhuǎn)化率比高揮發(fā)分煤較高。姚芝茂等[5]以86臺中小型燃煙煤層燃爐(不大于65 MW)的燃料特性分析數(shù)據(jù)和NOx排放實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)分析，得出中小型燃用煙煤層燃爐NOx平均排放濃度為324.6 mg/m3，燃煤揮發(fā)分增高，NOx排放濃度降低的結(jié)論。

層燃爐低氮燃燒多基于空氣分級、燃料分級、再燃技術(shù)、預燃技術(shù)、解耦燃燒等，研究燃料自身特性對層燃鍋爐燃燒NOx排放影響的文獻較少。本文通過小區(qū)域供暖新型燃煤爐具燃燒原煤和潔凈型煤工況對比，分析其NOx的排放特性，并對潔凈型煤的降氮效果進行分析。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

本實驗在管式爐(配套美國MKS高溫傅里葉紅外煙氣分析儀)實驗基礎(chǔ)上，通過小區(qū)域供暖300 kW/h新型燃煤爐具實驗系統(tǒng)測試燃燒原煤和潔凈型煤的煙氣NOx排放特性。

小區(qū)域供暖300 kW/h新型燃煤爐具實驗系統(tǒng)主要包括300 kW/h新型燃煤爐具、熱水循環(huán)系統(tǒng)、煙風系統(tǒng)、爐具智能控制系統(tǒng)和尾部煙氣凈化裝置等，見圖1。該新型燃煤爐具首次采用多級分段燃燒技術(shù)，基于煙氣流場和熱工負荷匹配的高效換熱受熱面布置，全系統(tǒng)密閉，自動化程度高，勞動強度低，不受人為因素干擾。寬譜負荷范圍靈活調(diào)節(jié)，采用高效改性兗礦潔凈型煤與多級分段燃燒優(yōu)勢互補的煤爐匹配技術(shù)，成型顆粒燃料爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定，在保證其充分燃盡的情況下，解決小型燃煤爐CO高、易結(jié)渣、氧量高、燃燒不穩(wěn)定等問題。爐具尾部煙氣配套凈化裝置，進一步降低煙氣污染物排放。

圖1 小區(qū)域供暖新型燃煤爐具實驗系統(tǒng)

1.2 實驗原料

實驗所用燃料為原煤和潔凈型煤。煤質(zhì)分析見表1。

表1 燃煤煤質(zhì)分析

1.3 煙氣監(jiān)測方法

為測試原煤和潔凈型煤燃燒時的NOx排放情況，本實驗采用紅外煙氣分析儀。該儀器是德國MRU煙氣分析儀公司生產(chǎn)的專門針對煙氣排放檢測的全紅外煙氣分析儀，針對煙氣排放濃度低、測量精度要求高等特點，采用了低量程、高精度的紅外分析技術(shù)(NDIR)，可變量程技術(shù)和雙級制冷預處理器。配備了完善的氣體采樣和預處理系統(tǒng)，適用于測量O2、CO、SO2、CO2、NO、NO2等組分。

2 結(jié)果及討論

2.1 潔凈型煤揮發(fā)分析出特性

圖2 潔凈型煤在不同溫度下無機氣體揮發(fā)析出量

在管式爐中，以潔凈型煤為原料，固定原料量(57.4 g)和風量(1.74 m3/h)，考察不同溫度下型煤燃燒揮發(fā)分的析出規(guī)律。由圖2可知，在300～500 ℃，作為生成NOx前驅(qū)體的HCN和NH3平均排放濃度均高于NO和NO2，說明在揮發(fā)分析出階段，煤中氮以HCN和NH3氣態(tài)含氮中間產(chǎn)物釋放出來；600 ℃之后，HCN和NH3排放量明顯減小，而NO排放量升高，這是由于前兩者在此溫度下與O2反應生成NOx。由圖3可知，CO和CH4在300～500 ℃，析出峰變大，之后到600 ℃，峰值開始減小，說明CH4的析出量隨溫度變化明顯，在500 ℃析出量大。CO在600 ℃后，峰值開始減小，這是因為在600℃左右型煤達到著火點，CO與O2反應速率增加，使CO濃度降低。

圖3 潔凈型煤在不同溫度下CO和CH4揮發(fā)析出量

過去20 a世界各國學者對煤利用過程( 熱解、氣化、燃燒) 的N遷移轉(zhuǎn)化進行了深入細致的研究[6-11]，通常的NOx控制方法是減少HCN、NH3等前驅(qū)物的生成量，并讓所有含N物種最大份額地轉(zhuǎn)化為N2。理論上存在3種基本手段來降低煤轉(zhuǎn)化過程中的NO和N2O排放濃度[12]：① 尋找合適的熱解/氣化條件使燃料氮直接轉(zhuǎn)化為N2；② 在燃燒反應進行前將熱解/氣化反應生成的NH3和HCN 轉(zhuǎn)化為N2；③ 尋找合適的操作參數(shù)將生成的NH3和HCN用作還原劑來還原燃燒過程產(chǎn)生的NO和N2O，最終生成N2。因此，干法擠壓成型的型煤在層燃爐中的分級燃燒特性具備降低NOx排放的條件。

2.2 潔凈型煤燃燒時NOx低排放分析

潔凈型煤由于原料煤粉細、含水量低(小于3%)、干法擠壓成型等特點，與原煤相比，具有冷壓強度高、表面光滑、表面積小、吸熱少、質(zhì)地堅密、內(nèi)部孔隙較少、揮發(fā)分不易逸出等固有特性，在層燃爐燃燒中，具有自還原NOx的作用。

圖4 潔凈型煤燃燒自固氮過程

從單個型煤分析，在層燃爐中燃燒經(jīng)歷動力燃燒、過渡燃燒、擴散燃燒、燃盡等4個過程。在動力燃燒階段(300～700 ℃)，大量的CH4、NH3、HCN、H2等還原性揮發(fā)分氣體析出，一部分與煙氣中O2結(jié)合，生成CO2、H2O、NO等，一部分穿過型煤層進入爐膛懸浮空間進行還原NO或燃燒。型煤表面開始燃燒，O2易擴散到型煤表面焦炭接觸燃燒。過渡燃燒階段(700～900 ℃)，型煤表面形成一層灰衣，出現(xiàn)紅炭層，內(nèi)部的孔隙率比初始時有所增大，C和O2的反應速度加快，O2在向焦炭表面擴散的過程中部分被CO消耗掉，O2向焦炭內(nèi)擴散的阻力增大。未反應的焦炭由于型煤內(nèi)部的溫度梯度和吸熱升溫，在貧氧低溫狀態(tài)下，部分揮發(fā)分氮以HCN和NH3等形式大量析出。揮發(fā)分氮在高溫環(huán)境中的化學活性很高，與揮發(fā)分脫出過程中的自由基結(jié)合形成HCN、NH3等小分子，HCN、NH3等在氧化性環(huán)境中經(jīng)NCO、NHi等基團被氧化為N2、NO、N2O等。同時，生成的NO也會被CO、CH4、HCN、NH3等均相還原為N2。擴散燃燒階段(900～1 200 ℃)，灰衣進一步加厚，紅炭層厚度進入寬譜區(qū)間，隨著焦炭燃燒溫度的升高，其表面的氧氣濃度逐漸減小，CO和O2的氣相反應速度更快，O2在焦炭表面擴散的過程中相當一部分為CO所消耗掉，少量的O2到達焦炭表面馬上被熾熱的紅炭層所反應掉，只有少量的O2向焦炭內(nèi)層擴散，型煤燃燒由于熱力開裂出現(xiàn)新的氣路可經(jīng)紅炭層進入焦炭表面，焦炭的燃燒速率主要取決于O2的擴散速率，屬于O2的擴散燃燒狀況。焦炭表面的HCN、NH3、CH4等揮發(fā)分析出，經(jīng)紅炭層與煙氣中NO發(fā)生還原反應或在紅炭層燃燒生成NO，部分焦炭氮燃燒生成NO析出，高溫貧氧下焦炭燃燒生成CO，利用焦炭發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)，在紅炭層對NOx產(chǎn)生自還原作用。燃盡階段，大量的灰衣包裹型煤，氣體擴散阻力進一步增大，紅炭層大部分成為灰衣，紅炭層厚度變小，只有小部分焦核未反應燃燒。O2難于擴散到焦核的表面，隨著型煤內(nèi)部溫度升高，焦炭氮燃燒生成的NO經(jīng)紅炭層還原或析出，焦炭仍具有一定的還原NO能力，屬于氮析出、燃燒和還原的末期。

據(jù)分析，型煤在新型燃煤爐具的層燃燃燒，與原煤同樣經(jīng)歷預熱干燥、揮發(fā)分析出與燃燒、焦炭燃燒和灰渣燃盡各階段。由于型煤含水量小、表面揮發(fā)分易析出、內(nèi)部堅實致密、顆粒均勻等特點，結(jié)合層燃特性，型煤工況更利于NOx還原，型煤燃燒生成的NO被懸浮空間或型煤析出的揮發(fā)分CO、CH4、H2、NH3等還原為N2；底部型煤燃燒生成的NO經(jīng)過型煤燃燒自然堆積而成的厚紅炭層時，在焦炭的催化作用及還原性氛圍下，被大量還原成N2。

2.3 原煤和潔凈型煤燃燒時NOx排放分析

由圖5可知，10～50mm粒度原煤燃燒時NOx排放在300～400 mg/m3波動，均值360.1 mg/m3；型煤燃燒時NOx排放在200～260 mg/m3波動，均值240.3 mg/m3。10～50 mm粒度原煤在300 kW/h爐具燃燒期間，污染物排放呈現(xiàn)周期性波動，并與給煤間隔時間相吻合。相比潔凈型煤，原煤堆積密度較大，在相同給煤間隔，燃燒過程中煤層較厚，一次風通風性較差。原煤在給煤過程中，揮發(fā)分析出較快，造成煙氣污染物排放波動較大，完成一次推煤后，各污染物指標上升較快。潔凈型煤燃燒時由于自還原NOx作用和更利于NOx還原的氣氛條件，相比原煤，型煤燃燒時NOx同比減少33%。

圖5 原煤和潔凈型煤燃燒時NOx排放曲線

3 結(jié) 論

(1)潔凈型煤具有含水量小、干法擠壓成型的特點和質(zhì)地堅密、內(nèi)部孔隙較少、揮發(fā)分不易逸出等固有特性。與原煤相比，單個型煤在鏈條爐燃燒中經(jīng)歷了動力燃燒、過渡燃燒、擴散燃燒、燃盡階段等四個過程，在燃燒中完成氣氛抑制NOx生成、揮發(fā)性還原性氣體還原NOx、焦炭還原NOx等過程，具有明顯的自還原NOx的作用。

(2)新型燃煤爐具燃燒潔凈型煤相比原煤，由于潔凈型煤燃燒時的自還原NOx作用和更利于NOx還原的氣氛、條件，所以煙氣中NOx減排33%。