不同种类煤粉燃烧NOx排放特性试验研究

第27卷第5期中国电机工程学报V ol.27 No.5 Feb. 2007 2007年2月Proceedings of the CSEE ?2007 Chin.Soc.for Elec.Eng.

文章编号：0258-8013 (2007) 05-0018-04 中图分类号：TK223 文献标识码：A 学科分类号：470?20 不同种类煤粉燃烧NO x排放特性试验研究

杨冬1，路春美2，王永征2

(1．山东建筑大学热能工程学院，山东省济南市250014；

2．山东大学能源与动力工程学院，山东省济南市250063)

Experimental Study on the Characteristics of NO x Emission

With Different Pulverized Coal Combusting

YANG Dong1, LU Chun-mei 2, WANG Yong-zheng2

(1. School of Thermal Energy Engineering Shandong Jianzhu University, Jinan 250014, Shandong Province, China;

2. School of Thermal Energy Engineering, Shandong University, Jinan 250063, Shandong Province, China)

ABSTRACT: The characteristics of NO x releasing for different pulverized coal in one dimensional furnace were studied. The effect of operating parameters, coal property on the characteristics of the NO x releasing was also discussed. On the basis of experimental research, the influence of these factors on the concentration of NO x was analyzed theoretically. Results on the basis of experimental research showed: the volatile and nitrogen content of coal,pulverized coal fitness, combustion temperature and extra air coefficient have a clear effect on NO x releasing concentration; The concentration of NO x has higher level with more volatile or nitrogen contained in the coal; Fine pulverized coal can also bring the concentration of NO x down based fuel-rich. It is useful for optimizing combustion and controlling NO x emission.

KEY WORDS:pulverized coal; combustion; NO x;releasing characteristic; pollutant control

摘要：为研究煤粉燃烧过程中NO x的排放特性，在一维煤粉燃烧实验台上，对单煤及其混煤进行NO x析出特性的燃烧试验研究，具体分析煤质特性、燃烧工况对NO x排放特性的影响，在试验的基础上，对NO x的排放规律进行理论探讨。试验结果表明：煤中的挥发分含量、含氮量、煤粉细度和过量空气系数对NO x的排放浓度有较大的影响；煤中挥发分、含氮量含量高，NO x排放浓度也高；在富燃情况下，煤粉越细，NO x排放浓度就越小。对优化燃烧、控制NO x 排放有一定的指导意义。

关键词：煤粉；燃烧；NO x；排放特性；污染物控制

0 引言

在我国，火电发电是主要发电方式，以燃煤引起的煤烟型烟雾污染是大气污染的主要来源，其中煤燃烧产生的氮氧化物是大气污染的主要成分。研究电厂燃煤污染物排放特性，实现高效、低氮燃烧，是目前亟待解决的重要课题[1-3]。

国内外不少学者进行了煤粉燃烧NO x排放特性的研究，取得了一定的成果[4-13]，但煤粉燃烧十分复杂，煤种、燃烧工况等因素对NO x生成影响很大。本文针对山东电力用煤品种多、煤质多变、燃煤NO x 排放量大等问题，对不同煤种在一维火焰燃烧过程中NO x排放规律进行了试验研究，以探讨NO x析出规律，为优化燃烧、控制污染物排放提供理论支持。

1 试验装置及试验参数

1.1 试验装置

为了模拟煤粉在锅炉中的燃烧过程，研究燃煤氮氧化物的形成规律，特设计煤粉一维下行火焰燃烧实验台。实验系统设计功率5kW，总体高度8m，双层布置。炉膛内径为80mm，气流沿炉膛向下一维流动，煤粉和空气的混合物由炉膛顶部的直流燃烧器进入炉膛，经预热器加热的二次风通过二次风喷嘴喷射进炉膛[14]。煤粉燃烧实验系统如图1所示。

图1煤粉一维燃烧实验装置系统图

Fig. 1 One dimensional experimental

system for pulverized coal combustion

第5期

杨 冬等： 不同种类煤粉燃烧NO x 排放特性试验研究

19

通过数据采集系统对各测点参数进行实时检测，烟气经过预处理后再进行成分分析，烟气分析仪测量的数据通过编程实现计算机自动连续采集。 1.2 试验参数

从山东各地发电厂采集入炉煤，包括烟煤、贫煤、无烟煤等不同煤种。采集来的原煤用实验室中的磨煤机磨制成试验所需的成品。煤的工业分析和元素分析如表1所示。煤粉粒度为0~20mm ，过量空气系数为1.0~1.4，炉内温度为900~1300℃。

表1 煤的工业分析及元素分析

Tab. 1 Proximate and ultimate analyses of coals

工业分析/%

元素分析/%

低位发热量/ (kJ ?kg ?1) 煤 种

M ad A ad

V ad

FC ad

C ad

H ad

O ad

N ad

S ad

Q net,ar LJ 8.4 22.1 39.7 29.75 49.9

3.4 1

4.22 1.38 0.55

18188 BZ

13

21.3 41.2 24.44 48.9 3.24 11.65 1.35 0.49

17981 ZX 2.98 19.2 33.9 43.53 61.65 4.27 9.99 0.87 0.68 22543 LC 1.3 16.6 20.2 61.87 70.94 3.74 5.51 1.26 0.65 26806 HT 1.1 32.3 14.4 52.14 58.96 2.93 1.82 0.98 1.88 20696 LCH 1.1 27.1 12.7 59.03 64.18 2.82 3.23 1.20 0.37 23705 HZ 1.41 24.2 9.67 64.71 64.75 3.16 3.93 0.83 1.72 23288 FF 0.69 27.9 6.68 64.71 64.18 1.7 3.9 1.27 0.41

18705 YQ 1.42 22.6

10 67.04 68.3 2.38 4.93 0.76 1.88

24622

注：LJ —梁家；BZ —北皂；ZX —邹县；LC —莱城；HT —黄台；LCH —聊城；

HZ —荷泽；FF —峰峰；YQ —阳泉。

2 试验结果分析

2.1 不同煤种在燃烧过程中NO x 排放特性

在煤粉燃烧的过程中，煤中的氮不断析出，NO x

不断生成与破坏，其中氮的析出可分为2个阶段：挥发分析出阶段和焦炭燃烧析出阶段，因此燃料中的氮生成NO x 可分为2个阶段：挥发分均相生成阶段和焦炭异相生成阶段。在挥发分析出阶段，析出的氮主要以HCN 和NH i 的形式从煤中释放出来，并大量被氧化成NO x ；在焦炭燃烧阶段，焦炭N 被氧化成NO x 。煤中的氮在这2个阶段的分配比例与煤质和热解温度有关。图2是不同煤种在一维燃烧炉中的NO 沿炉膛轴向的浓度分布曲线，可以看出，

0 1 2 3

L /m HT

LCH YQ

[N O ]/(g /L )

?6

图2 不同煤种在炉中的NO x 浓度分布曲线 Fig. 2 NO x concentration distributions of different

kinks of coals in the furnace

NO 浓度分布曲线上存在2个较明显的波峰。这2个波峰就是煤中的氮在不同阶段释放的结果。第1个波峰比较陡，这主要是由于挥发分的析出和燃烧过程非常迅速，焦炭的燃烧过程相对缓慢；在第2个波峰后，曲线缓慢下降，主要是由于焦炭的还原作用使生成的NO x 部分还原。 2.2 煤质特性对NO x 生成的影响 2.2.1 挥发分对NO x 生成的影响

煤粉在燃烧过程中，生成的NO x 以燃料型NO x 为主，而在燃料型NO x 中，挥发分中的氮生成的NO x 占60%~80%，所以挥发分的含量是影响NO x 排放浓度的一个重要因素。挥发分含量高，氮的释放量就大，产生的NO x 浓度就高。图3表示了煤中挥发分与NO x 浓度的关系。可以看出，ZX 烟煤的挥发分高于LC 烟煤，其生成的NO 浓度也高于LC 烟煤。

0.5 1.5 2.5

3.5 L /m LC [N O ]/(g /L ) ZX

10?6

图3 煤中挥发分含量与NO x 浓度的关系 Fig. 3 NO x concentration distributions in the furnace for volatile content

2.2.2 含氮量对NO x 生成的影响

图4表示了煤中含氮量对NO x 生成浓度的影响。可以看出，随着煤粉含氮量的增加，NO x 的排放浓度也在增加。因为煤粉燃烧生成的NO x 主要是燃料型NO x ，燃料中含氮量的增加，在其它条件相同的情况下，势必会有助于NO x 的生成。但这种趋势不明显。这是由于煤粉含氮量增加，其转化率下降，抵消了氮的增加造成的氮氧化物的生成。

[N O ]/(g /L )

0.5 1.5 2.5

3.5 L /m BZ

HT

YQ

?6

图4 煤中含氮量对NO 浓度的影响

Fig. 4 Effect of nitrogen content on NO concentration

20 中 国 电 机 工 程 学 报 第27卷

2.3 燃烧工况对NO x 生成的影响

2.3.1 过量空气系数对NO x 生成的影响

图5是HT 煤粉在一维燃烧炉内燃烧时，在不同过量空气系数下炉内NO 浓度分布曲线。可以看出，过量空气系数影响炉内燃烧工况，过量空气系数α 增加，NO x 的生成量也增加，反之，过量空气系数α 减少，NO x 的生成量也减少。但是过量空气系数α 过大或者过小都会使煤粉燃烧效率降低，NO x 的排放浓度都降低。

[N O ]/(g /L ) 0.5 1.5 2.5

3.5 L /m α =1 α =1.2 α =1.4

?6

图5 过量空气系数与NO 浓度之间的关系 Fig. 5 NO concentration distributions

for different extra air coefficent

对于燃料型NO x ，在其它条件不变的情况下，当过量空气系数α <αZ ，随着过量空气系数α的减少，NO x 的生成量也减少。这主要是在低氧条件下，中间产物HCN 和NH i 等易向N 2转化，同时煤粉燃烧产成还原性气体以及未燃尽的碳，会使已经生成的NO 被还原；当过量空气系数α >αZ ，在一定的范围内，随着过量空气系数α的增加，NO x 的生成量也增加。这主要是氧气浓度升高后，中间产物易转化成NO x 。因此，在保证锅炉效率的前提下，优化燃烧区的燃烧工况即保持最小着火时O 2的需要量，能有效减少NO x 排放。

2.3.2 煤粉细度对NO x 生成的影响

煤粉越细，则初期NO 的排放浓度越低。这是因为煤粉越细，燃料中的氮越容易释放，在富燃条件下，燃料氮首先转化为N 2。在挥发分析出阶段，煤粉越细，可以有更多的CO 气体参与反应过程，以CO 为主的还原性气氛减少了氮的中间产物向NO x 的转化；煤粉越细，还可以使煤中更多的含氮官能团随挥发分析出，生成更多以挥发分形式析出的氮，而使以焦碳氮形式析出的氮随之减少。同时，细煤粉由于其反应表面积增大，焦碳对NO x 的还原能力增强。另外，由于着火提前，相应地延长了已生成NO x 的分解还原时间，因此细煤粉可以达到较低的NO x 排放浓度。HT 煤粉粒径对NO x 浓度的影响如图6所示，可以看出，煤粉粒径较小时，初期

NO 浓度较低，在NO 浓度峰值出现以后，由于后期O 2浓度较高，所以此时生成的NO 的浓度偏高。 2.3.3 CO 浓度与NO x 浓度的关系

对BZ 褐煤进行试验，以探讨CO 对NO x 浓度的影响，试验结果如图7所示。由图中可以看出，CO 浓度分布与NO 浓度分布的变化趋势是相反的，并且NO 的实际排放浓度往往小于理论排放浓度。这是因为煤中的氮转化为NO 后，部分NO 被还原为N 2。这些还原物包括半焦、CO 、NH 3、H 2以及碳氢化合物等，其中CO 对NO 的还原贡献是比较突出的。CO 对NO 的催化剂还原作用为

CO +NO →CO 2+1/2N 2

其中[CO]/[CO 2]的比率随温度的升高而增大。在图中2曲线的后半段，CO 对NO 浓度的影响不明显，其原因可能是还原物中半焦的作用增大，CO 对NO 的还原作用减弱。

[N O ]/(g /L ) 0.5 1.5 2.5

3.5 L /m R <0.074mm

R >0.074mm

10?6

图6 煤粉粒度与NO x 浓度的变化关系 Fig. 6 NO x concentration distributions in the furnace for the size of pulverized coal

[N O ]/(g /L )

0.5 1.5 2.5

3.5 L /m NO 浓度 CO 浓度×0.1

?6

图7 CO 浓度对NO 生成浓度的影响

Fig. 7 Effect of CO concentration on NO concentration

3 结论

（1）NO x 主要是在煤粉着火过程中产生的，NO 的生成过程由挥发分中的均相反应和焦碳中的异相反应组成，燃料氮在挥发分及焦碳中的分配比例与热解温度有关。对NO x 的控制应重点放在挥发分着火与焦碳着火阶段。

（2）当煤中含氮量较低时，燃料型NO 浓度显著减少，煤中含氮量越高，NO 浓度越高，但煤

第5期杨冬等：不同种类煤粉燃烧NO x排放特性试验研究21

中氮向NO的转变率随煤中含氮量的增多而降低。在煤中含氮量相同的情况下，煤中挥发分含量越高，则氮的释放量越大，NO x排放浓度越高。但对于挥发分含量较高的煤种，最终生成的NO浓度受多种因素的影响，应根据具体情况进行分析。

（3）燃煤NO x最终生成量不仅与燃煤含氮量有关，还取决于煤中氮的析出过程、中间产物的相互反应、中间产物与已生成NO x的还原反应等的综合作用。

（4）煤粉的粒度对NO x的生成量有明显的影响。在富燃情况下，煤粉越细，NO排放浓度就越小，因此细煤粉可以达到较低的NO x排放浓度。

（5）过量空气系数影响炉内燃烧工况，过量空气系数α 增加，NO x的生成量也增加，反之，过量空气系数α 减少，NO x的生成量也减少。但是过量空气系数α 过大或者过小都会使煤粉燃烧效率降低，NO x的排放浓度都降低。

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收稿日期：2006-03-24。

作者简介：

杨冬(1973—)，男，博士，讲师，研究方向为洁净燃烧与污染物防治，ydc1178@https://www.360docs.net/doc/4810328848.html,；

路春美(1958—)，女，工学博士，教授，研究方向为洁净燃烧与污染物防治；

王永征(1965—)，男，工学博士，副教授，研究方向为洁净燃烧与污染物防治。

(编辑车德竞)