煤燃烧中氮释放特性试验研究哈尔滨电站设备成套设计研究所侯栋岐于德亭祝捷钟祚群哈 尔 滨 锅 炉 有 限 责 任 公 司杨仲明姜义道哈尔滨市环保局张晶摘要对3种煤着火、 燃烧初期和燃烧过程中氮释放和NOx转化特性进行了试验研究,得出在燃烧初期(0. 8 s内)煤的氮释放特性有显著差异;燃烧中氮的释放率要高于当时的燃尽率;NOx生成率主要受燃烧空气量和送风方式的影响;低NOx燃烧技术必须与氮释放特性相适应才能收到较好的低NOx排放效果。关键词:煤燃烧NOx中国图书资料分类法分类号: TK224111能源和环境是世界范围内面临的重大问题。 中国能源以煤炭为主,煤种繁多、 煤质复杂,煤燃烧是NOx污染的主要排放源。大量研究已经证明,煤燃烧火焰中生成的NOx主要由燃料氮转化而来,而燃料氮的转化十分复杂。 为探讨煤燃烧NOx生成规律,对3种电站用煤用管式沉降炉测定其燃烧初期氮的释放特性,用小型煤粉燃烧试验炉试验研究氮释放和NOx转化特性,并将试验结果与电站运行状况进行了对比分析。3种煤的煤质数据见表1,其中No. 1和No. 2为贫煤,No. 3为高挥发分烟煤。按105kJ发热量来折算, 3种煤的含氮量依次为3. 5、3. 4和3. 6 g?105kJ,大致相当。1试验方法和装置简介111管式沉降炉试验系统由试验炉、 配气、 给粉、 取样分析、加热控温和水冷等部分组成(见图1)。微量煤粉试样(约0. 3 g?m in)被连续、 均匀地送入炽热管式电炉中,以近沉降的速度随携带气流运动,同时发生热解、 燃烧等反应,其热力条件与锅炉炉膛相似。取不同部位(即不同反应时间)收稿日期: 1997207203侯栋岐,男, 1944年生, 1968年清华大学毕业,研究员级高级工程师,副总工程师。150046.的气体和固体颗粒样品分析,就可了解反应过程和反应结果。表1煤质数据项目符号单位No. 1 No. 2 No. 3全水Mt%6. 25. 84. 8空气干燥基水分Mad%0. 490. 530. 59干燥无灰基挥发分Vdaf%16. 52 18. 39 42. 91空气干燥基固定碳FCad%59. 62 59. 35 35. 25空气干燥基灰分Aad%28. 09 26. 75 37. 67空气干燥基碳Cad%62. 15 64. 38 50. 58空气干燥基氢Had%3. 033. 083. 34空气干燥基氮Nad%0. 850. 860. 74空气干燥基硫Sad%1. 831. 560. 63空气干燥基氧Oad%3. 562. 846. 45高位发热量Qgr, arkJ?kg 24198 25335 20386本次试验控制反应温度在1 0731 573K,使用M SI22000烟气分析仪测定试验气样中的NOx量来计算煤样中氮的释放过程,并以试验气体的初始O2浓度、 反应温度和反应时间作为控制因素,以L9(34)正交表来安排试验,探讨试验条件对氮释放的影响。1123. 5 kW煤粉燃烧试验炉3. 5 kW煤粉燃烧试验炉为小型控制送风过程的煤粉燃烧炉,一次风经顶部水冷锥均匀进入炉膛形成一维平面火焰,二次风可以分级送入。 试验系统由炉本体、 一次风、 二次风、 排烟除尘和测试单元等部分组成(见图2)。第13卷第6期电站系统工程Vol . 13 No. 61997年11月Power System EngineeringNov.1997 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.图1管式沉降炉系统示意图1.给煤机2.给煤管3.炉体4.热电偶5.温控仪6.取样管7.气体分析仪8.真空泵9.过滤取样器10.空压机11.混合罐12.静压测点13.流量计为研究NOx的生成特性,试验控制入炉煤粉量、 一次风率、 二次风风温和送入方式及燃烧区域的温度,在炉下部抽取(过滤)燃烧产物中的固体颗粒样品分析,并对气体成分进行分析,来计算煤的燃尽率 c、 氮释放率 N和NOx转化率CR等。燃尽率 c取煤粉中可燃物在试验中烧掉的份额,用灰示踪法来计算:c= 100- 100A0?A1(100-A1)?(100-A0), %式中A0入炉煤样的干基灰分, %;A1燃烧产物固体颗粒样的干基灰分, %。为分析比较,据GB1322321996火电厂大气污染物排放标准 将实测NOx量进行折算:N Ox=N Ox ?1. 4。氮释放率 N取煤样含氮量N0与固体燃烧产物含氮量N1之差占煤样含氮量的份额,用灰示踪法来计算:N= 100- 100N1A0?(N0A1) %。NOx转化率取为燃烧中释放出的氮转化为NOx的份额,按下式计算CR= 6. 2510- 3c?100V0y+ (-c?100)V0kN OxA1?(A1N0-N0N1) %式中V0y煤燃烧理论烟气量,Nm3?kg;V0k煤燃烧理论空气量,Nm3?kg。图23. 5 k W试验炉系统及测点布置64电 站 系 统 工 程1997年13卷 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.2试验结果及分析211管式沉降炉试验在只通入空气而不投入煤粉试样的空试验中,炉膛温度由1 073 K升至1 573 K,测出的NOx浓度在010ppm范围内无规律地波动;当降低O2浓度到13%时,几乎测不出NOx,表明在试验温度下温度型NOx的影响很小,试验“烟气” 中的NOx主要为燃料型NOx。正交试验及数据方差分析取置信水平为75%时,初始氧浓度和试验温度(1073K1 573 K)对氮释放无显著影响;而取置信水平为90% ,反应时间的影响仍具有显著性,表明在试验条件范围内,煤中氮随反应时间逐步释放。3种煤沉降炉中氮释放结果如图3所示。可以看出,No. 2贫煤的氮释放率开始较低,随时间延续而迅速增加,大致呈三次曲线关系,而No. 1贫煤和No. 3烟煤在0. 20. 4 s间氮释放迅速, 0. 40. 6 s间氮释放很少, 0. 60. 8 s间氮又迅速释放,与No. 2贫煤有显著不同。图3煤中氮在沉降炉中的释放特性21235 kW煤粉燃烧试验炉试验3种煤小型煤粉燃烧试验见表2、 表3和表4。2. 2. 1燃尽率在试验条件下,各种煤的燃尽率都随过剩空气系数增大而迅速提高; 3种煤相比较, No. 3烟煤显著地高于No. 2贫煤,而No. 2贫煤又明显地高于No. 1贫煤(如图4所示)。表2No. 1贫煤燃烧试验数据项目符号单位1234567一次风温t122222525252525一次风率1%8. 678. 678. 679. 058. 328. 007. 71二次风温t23503503503503503503501环二次风q21%1020000002环二次风q22%608065656565656环二次风q26%3003535353535过剩空气系数-0. 8620. 9601. 0390. 9471. 1051. 1281. 173固体样可燃分Cfh%54. 9252. 2445. 9749. 0645. 5346. 6742. 91煤粉燃尽率c%52. 0856. 9866. 5362. 8567. 1265. 5870. 44实测NOxN Oxppm165300180150220240250折算NOxN Oxppm102206134101174193209质量NOxN Oxmg?Nm3209422275207357396428固体样含氮Nfh%0. 540. 390. 520. 340. 520. 520. 39氮释放率N%60. 4173. 0168. 1977. 9468. 4567. 7877. 42Nox转化率CR%6. 9212. 909. 745. 9113. 3915. 3615. 1674第6期侯栋岐等:煤燃烧中氮释放特性试验研究 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.表3No. 2贫煤燃烧试验数据项目符号单位1234567一次风温t125252525252525一次风率1%8. 378. 378. 378. 738. 037. 727. 44二次风温t23503503503503503503501环二次风q21%1020000002环二次风q22%608065656565656环二次风q26%3003535353535过剩空气系数-1. 0000. 9061. 0140. 9371. 0511. 1111. 273固体样可燃分Cfh%43. 3545. 0046. 2249. 0644. 3539. 4842. 78煤粉燃尽率c%71. 8569. 9168. 3964. 5870. 6976. 0172. 50实测NOxN Oxppm200360180145225255265折算NOxN Oxppm14323313097169202241质量NOxNOxmg?Nm3293478267199346414494固体样含氮Nfh%0. 320. 360. 360. 220. 300. 230. 28氮释放率N%82. 4479. 6579. 1986. 5783. 2688. 1484. 77Nox转化率CR%8. 5213. 077. 505. 1610. 4612. 5217. 65表4No. 3贫煤燃烧试验数据项目符号单位1234567一次风温t125252525252525一次风率1%10. 5210. 5210. 5210. 9810. 109. 719. 35二次风温t23503503503503503503501环二次风q21%1020000002环二次风q22%608065656565656环二次风q26%3003535353535过剩空气系数0. 9431. 1470. 9420. 7730. 8260. 8820. 962固体样可燃分Cfh%32. 7420. 7930. 2636. 3737. 9734. 5631. 80煤粉燃尽率c%70, 3083. 9973. 5365. 1362. 6667. 7871. 56实测NOxN Oxppm901906560615240折算NOxN Oxppm611564433363327质量NOxN Oxmg?Nm31253209068746855固体样含氮Nfh%0. 270. 180. 160. 410. 230. 180. 22氮释放率N%79. 5988. 3888. 3867. 1681. 0885. 9583. 51Nox转化率CR%3. 319. 292. 151. 781. 691. 551. 462. 2. 2氮的释放从试验结果中以看出,在燃烧过程中氮的释放率随燃尽率升高而升高。氮释放率的数值都高于相应燃尽率的数值(见图5),初步整理大致有No. 1贫煤:N? c= 1. 10. 1;No. 2贫煤:N? c= 1. 160. 04;No. 3贫煤:N? c= 1. 20. 1。还可以看出,烟煤氮释放比贫煤快。2. 2. 3NOx转化率试验结果表明,煤粉燃烧烟气中NOx与多种因素有关,而并非是燃料释放出的氮全部转化为NOx。(1)过剩空气系数影响总的来看,在 1后随 增大NOx的转化率迅速增加(见图6)。(2)送风方式的影响众所周知,燃烧中燃料氮转化为NOx对反应局部区域的O2浓度非常敏感,合理的分级送风能收到低NOx效果。3. 5 kW煤粉炉燃烧试验中,着火发生在第2个观测孔以下,将第2观测孔以上送入的二次风和输粉风作为前期空气,而6环送入的二次风作为 “分级” 送入的后84电 站 系 统 工 程1997年13卷 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.期空气。 试验结果表明,在总空气量不变的条件下( 1. 0),随前期空气量的增加,NOx转化率直线上升(图7)。图43种煤小型煤粉燃烧的燃尽率图5煤的氮释放率和燃尽率(3)燃料特性本次试验中No. 3烟煤燃烧试验的过剩空气系数 1,虽然其氮释放率较高,在未采取有效措施的大 条件下NOx的转化率可能较高,但试验结果与其它两种煤的可比性较差。No. 1和No. 2同属贫煤,其试验条件也相近,从图6和图7可以看出,着火燃烧最初期氮释放较少,而随燃烧发展氮释放迅速增加的No. 2贫煤燃烧NOx转化率要明显地大于No. 1贫煤,煤中氮的释放特性对NOx转化率有重要影响。图6过剩空气系数对NOx转化率的影响图7分级送风对NOx转化率的影响213试验结果与电站运行NOx排放量的对比H电站装有分级燃烧、 二次风偏置、 宽调节比型燃烧器的300MW机组锅炉,燃用No. 1贫煤,排烟中NOx浓度在787927 mg?Nm3。T电站装有PM型摆动式浓淡燃烧器的300 MW机组锅炉,燃用No. 2贫煤,排烟中NOx浓度在742922 mg?Nm3。P电站装有分级送风、 宽调节比型燃烧器的600MW机组锅炉,燃用No. 3烟煤,排烟中NOx浓度在334646 mg?Nm3。从试验得出的氮释放速率来看,No. 3烟煤最高,No. 2贫煤次之,No. 1贫煤最低;从氮释放规律看,No. 3烟煤与(下转第62页)94第6期侯栋岐等:煤燃烧中氮释放特性试验研究 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.等金属,因此电厂可以适当考虑灰渣再利用,即使电厂无能力从灰渣中提取这些金属,也可以将灰渣出售给回收公司。比托美国子公司和奥尔比特冶金有限公司已经开发出了一种从奥利乳化物灰中回收钒、镍、 镁金属的方法。 奥尔比特冶金有限公司在德国正在建设第一座金属回收6 000 t?a、V2O5回收1 000 t?a的回收厂。 新不伦瑞克省动力公司也正在筹建一座小规模的钒粉回收厂,将钒粉出售给钢厂。作为附加性应用,奥利乳化物灰以其细、 容易漂扬的低密度、 难于装卸的粉尘而出名。 为了便于将灰运输到回收厂,目前,英国发电有限公司在因什电厂已经安装了一套灰、 水混合设备,使灰渣形成一种便于装卸的晶状物。该晶状物含8%的钒和少量的镍。晶状物可打成包贮藏或运输到回收厂。(杨志忠)编辑:卞冬梅(上接第49页)No. 1贫煤相近,No. 2贫煤差别较大;而T电站排烟NOx浓度最高, H电站次之, P电站最低,表明分级送风、 宽调节比型燃烧器低NOx燃烧效果较好,而且当前的低NOx燃烧技术对氮释放较慢的贫煤尚未收到较好的效果。3结论从3种煤燃烧中氮释放和NOx转化率试验研究结果来看,可以得出如下结论:(1)不同煤种在燃烧中氮释放特性有所不同,有的从缓慢到快速逐步释放,有的分阶段释放;(2)在煤燃烧过程中氮的释放领先于煤的燃尽,而且煤的挥发分越高,氮释放得越快;(3)煤燃烧中NOx的转化率与煤中氮的释放特性有关,对燃烧空气量和分级送风方式非常敏感;(4)低NOx燃烧技术必须与煤中氮在燃烧过程中氮的释放特性相适应,才能收到较好的低NOx排放效果。Experi mental Investigation of NitrogenRelease Characteristics in CoalCombustion ProcessHou Dongqi et al .Abstract:The experi mental investigation of ni2trogen release andNOxconversion characteristics in ig2nition, initial stage of combustion and combustion pro2cess for three kinds of coals were carried out.It wasindicated that the nitrogen release characteristics ofcoal differed greatly in initial stage of combustion(w ithin 0. 8 s), the nitrogen release rate was higherthan the burnout rate at that ti me, NOxprducing ratewas mainly influenced by the quantity of combustionair and air feed mode, and LNB technology must besuitable to nitrogen release characteristics .Key words:coal combustion; NOx编辑:闻彰(上接第58页)代替机油,发黑后可不用热水清洗,使工艺在常温下进行,且膜的防锈性能也有所提高。参考文献1曾华梁等 1 电镀工艺手册 1 机械工业出版社, 1989, 8882赵晋龙 1 材料保护, 1994, 23(4): 3435Study on Processes of Blacken ing atAmbient TemperatureHe L ina et al .Abstract:Engineering test of unoiling, pick2ling, blackening for three kinds of ambient tempera2ture blackening2liquid was conducted.It was perfor2mance comparison test than high temperature basedblackening and all kinds of corrosion property waschecked.Process flow on processes of blackening atambient temperature was defined.Key words:ambient temperature; blackening;blackening2liquid编辑:春昱26电 站 系 统 工 程1997年13卷 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.