混煤燃烧中煤质对NOx析出影响研究

程伟良,杨经纬

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，北京 100026)

0 引言

近年来，随着我国经济的迅速发展，用于电力、热力供应方面的煤炭消费需求很大。煤炭在燃烧过程中产生NOx，对生态环境带来严重的累积性破坏[1]。我国各地方也已相继出台了烟气污染物排放控制相关政策，发布燃煤电厂大气污染物强制性标准，将超低排放要求标准常态化。目前我国绝大部分火电厂达到了超低排放要求。同时为提高燃煤电厂经济性，降低生产成本，一般尽量采用混煤掺烧方式，这时掺混煤种与设计值偏离较大而且煤质通常较差，致使NOx等污染物的排放发生显著变化。因此，对于如何控制燃煤掺混时电站锅炉煤粉燃烧的污染物排放也是十分重要的。

通过采集大量不同入炉混煤的工业数据分析，建立几种特定工况的工业分析参数，分析煤质变化对NOx排放影响，并结合实际锅炉燃烧情况，对试验结果进行了分析[3]。

1 试验方法

1.1 试验机组

以300 MW燃煤机组为试验对象。其锅炉形式为单炉膛、倒U型布置、四角切圆燃烧方式、平衡通风、全钢架悬吊结构、固态排渣、正压直吹式制粉系统，配置有五台型号为MPS-190的中速磨煤机。燃烧器布置在炉膛四角上，由主燃烧器和SOFA燃烧器组成，主燃烧器一次风五层喷口，二次风六层喷口，SOFA风布置在主燃烧器上部，包括4层可分离燃尽风喷嘴[4]。送风机和引风机均为动叶可调轴流风机。

1.2 试验数据采集处理

在实际燃煤电厂中，为便于经济运行，进行不同煤种掺混燃烧。本试验中的不同煤种掺配比例为神华蒙煤：昌丰蒙煤：大友同煤的比例为1∶3∶1。锅炉燃烧烟气NOx排放受运行工况及煤质等多重因素影响，本试验期间煤种的工业及元素分析见表1[5]。试验时，利用不同混煤入炉煤质数据，并结合相关监控系统DCS显示数据，在多种工况条件下，分别对水分、灰分以及挥发分的NOx排放影响进行研究[6]。

表1 试验煤种工业及元素分析

锅炉出口的NOx排放数值取自SCR反应器入口监测点，烟气中含氧量数值取自SCR反应器入口测点，炉膛出口烟温取自墙式再热器入口测点，瞬时值均于DCS上采集[7]。

根据《火电厂大气污染排放标准》GB13233-2011的标准[8]，将NOx排放数值换算为6%氧气浓度下的NOx排放数值

(1)

式中ρNOx——基准氧气浓度下的NOx排放数值/mg·m-3；

φ(O2)——基准氧浓度/%(该试验中燃煤锅炉为6%)；

φ′(O2)——实测氧浓度/%。

2 试验结果与分析

2.1 水分影响

试验分析了混煤水分与发热量之间的关系。随试验进行，可知随着混煤中的水分变化，其发热量在18 855 kJ/kg附近上下波动，波动幅度较小，整体趋于稳定，因此可以忽略水分对发热量改变的影响，保证总煤耗量稳定，从而可确保在取样时负荷稳定。

试验在300 MW负荷下，在氧量范围为2.3%～2.4%，炉膛出口烟温800～810℃时进行取样，混煤样品灰分范围在26%～30%之间。采集入炉煤煤质中不同水分对应NOx排放数值，结果如图1所示。

由图1可知，在给定试验煤中含水分区间内，当水分含量为8%左右时，氮氧化物排放量减小至最小值235 mg/m3，随后随着混煤燃烧煤粉中水分含量增大，NOx排放量不再减少，而趋于稳定。

图1 混煤燃烧NOx排放数值随水分变化趋势

随混煤的收到基水分增加，煤粉燃烧需要更多的热量，且水分蒸发率越大[9]，则磨煤机蒸发水分消耗的热能越多；当配风方式不发生改变时，则磨煤机出口风粉混合物获得的热能减少，势必会使煤粉在制粉系统中的干燥程度下降，进入炉膛的煤粉气流温度降低，造成着火推迟，使着火前期主燃烧区处于富氧状态，促进燃料中的氮向NOx转化[10]。而如果混煤中水分含量增大，煤粉在炉膛中吸收辐射热量增加，会促进煤粉加热速度加快，缩短反应区停留时间，水分相变以及过热所需热量增加，降低炉膛燃烧温度[11]，会抑制NOx产生，所以必须综合正反两个方面考虑水分对NOx析出的影响。

从试验数据变化结果可看出，煤中水分含量小于8%时，NOx排放量随水分增大而减少，试验受温度影响较大，随后NOx排放趋于稳定，温度影响作用不再凸显。从燃烧动力学角度出发，当煤种为外在水含量小于8%状态时，燃煤的堆积比重达到最小，此时煤层疏松，比表面积接触大，通风均匀，可以强化燃烧，并且从煤粉中逸出的水蒸气，会增加辐射强度，提高火焰温度，不利于NOx控制[12]。试验煤样数据中挥发分含量变化范围为20%～32%，根据挥发分含量将试验数据分为两组，即中低挥发分组挥发分为20%～26%，中高挥发分组挥发分为26%～32%。不同挥发分范围内混煤燃烧时的NOx随水分变化的分布见图2。

图2 不同挥发分范围内混煤燃烧时的NOx随水分变化

由图中可知，随水分变化时，中低挥发分组NOx排放量大于中高挥发分组NOx排放数值。这表明对于中高挥发分，水分对于抑制NOx产生影响更大。由于挥发分相对低的煤粉着火性能差，水分含量加大使煤粉着火性能更差，炉膛燃烧环境变差，不利于NOx的控制。

2.2 灰分影响

大多数情况下，Fe、Al、Ca、Mg、K、Na元素是煤中矿物质的主要成分。煤中矿物质越多，煤中灰分越多。它与煤的其他特性如成分、发热量、结渣性、活性及可磨性等有不同程度的依赖关系[13]。

试验在300 MW负荷下，炉膛出口烟温800～810℃。试验中设定了炉膛出口氧量高低两种工况，分别为1.7%～1.9%(工况一)和2.3%～2.5%(工况二)，水分在5%～8%之间, 挥发分在25%～28%之间。选定采集入炉煤煤质中不同灰分对应NOx排放数值，整理结果如图3所示。

图3 两种工况下NOx排放数值随灰分变化趋势

根据图3可知，在两种高低氧量工况下，灰分与NOx排放数值均呈现一定的正相关。即随着混煤中灰分含量的增加，促进煤粉燃烧中NOx的产生。

混煤煤样中的灰分含量直接影响发热量以及总煤耗量，进而影响NOx的生成状况。如图4可知，混煤煤样中灰分越高，混煤的低位发热量越低，燃烧所需的总煤耗量越高。随混煤中灰分含量增加，使混煤粉燃烧需要更多的热量，引起煤量的增加，使得煤中更多的氮元素向NOx转化[14]。对比工况一和工况二(图3)，NOx排放数值随灰分变化趋势有明显差异。在灰分为20%～25%时，低氧量对应NOx排放增长率较高，可认为在灰分较低时，燃烧对氧量需求较大，容易形成匮氧氛围，极大的抑制了NOx的产生，随着灰分增大，燃烧对氧气的需求减少，富余的氧气促使NOx排放出现突增的现象。当灰分大于25%时，高氧量工况下的总体增长率高于低氧量工况下增长率，表明灰分含量的高低对NOx排放数值产生的影响，在相对氧量高的情况下更加剧烈[15]。可认为灰分对煤粉可燃物质与氧气的接触面积有一定的影响，混煤煤粉中灰分含量增加，则可燃物质与氧气接触面积减少，使得着火推迟[16]，煤粉初始燃烧需要更多的时间，容易在燃烧初期形成一个富氧的氛围，促进NOx的产生[17]。

图4 试验混煤燃烧时灰分与发热量及总煤耗量关系

2.3 挥发分影响

煤在空气加热条件下，煤中有机物与无机物受热分解出来的悬浮小液态和气体混合物即为挥发分，在满足着火温度后即开始燃烧。煤的挥发分主要成分是结晶水、矿物质分解的二氧化碳、碳氢氧化物和碳氢化合物(甲烷为主)[18]。挥发分析出的数量和质量对燃烧过程的发生与发展以及碳化程度有很大影响。挥发分的析出数量越多，则可燃气体含量越高，燃料易着火且燃烧良好。碳化程度越深，即地质年代长的高阶煤，析出的挥发分越少[19]。

试验在300 MW负荷运行工况稳定的条件下，炉膛出口烟温800～810℃，设定为高低氧量两种工况分别为1.7%～1.9%(工况一)和2.3%～2.5%(工况二)，由图5可看出，挥发分与NOx排放数值均呈现一定的负相关，即随着混煤中挥发分含量的增加，将抑制混煤煤粉燃烧产生NOx。

图5 两种工况下NOx排放数值随挥发分变化趋势

混煤煤样的挥发分与发热量以及和总煤耗量有关，其变化关系如图6所示，可知混煤煤样中挥发分越高，混煤的热值越高，燃烧所需总煤耗量越低。混煤煤粉进入炉膛中，炉中火焰及高温辐射使挥发分快速逸出燃烧，着火温度低[20]。

图6 试验混煤燃烧挥发分与发热量及总煤耗量关系

随着煤中挥发分含量的增大，进入锅炉的煤粉气流的着火温度越低，煤粉气流的着火热也较小，火焰传播速度加快，炉膛保持较高的温度水平[21]；使残留的焦炭具有更高的孔隙率，会与氧气有更大的接触表面积，在氧气充足的情况下，有利于加快焦炭反应，促进煤粉完全燃烧。燃烧前期析出的可燃物越多，则需要更多的氧量，而在一次风质量流率不变的情况下，相当于在燃烧初期形成一个匮氧氛围，可以抑制燃料型NOx的产生[22]。对比两种工况一和工况二不同氧量图分布趋势线，高氧量的趋势线变化率高于低氧量趋势线变化率，表明增加氧量，会增加NOx的排放。故挥发分含量越高，对氧量越敏感易形成缺氧的环境[23]，析出的NOx更多。

3 结论

在混煤进行燃烧产生NOx情况时，煤质成分中的水分、灰分及挥发分对NOx产生影响较大，其中影响最敏感的是挥发分。在燃烧烟气中，NOx的析出与燃烧期间所处的氧气氛围有关，而煤质变化是影响混煤燃烧的关键因素，氧量在一定程度上会增加其影响程度。具体结论如下：

(1)混煤燃烧煤粉中水分与NOx排放量呈负相关，在中低挥发分含量时，水分对于抑制NOx产生影响更大；

(2)炉膛出口烟气中NOx排放数值随灰分增加而增加，呈现正相关规律，在相对氧量高的情况下影响更加剧烈；

(3)挥发分与NOx排放量呈负相关，混煤中挥发分的含量会影响炉膛温度，在氧量大时，会加剧这种负相关情况；

(4)混煤煤质中灰分及挥发分改变对混煤发热量影响较大，从而影响总给煤量中氮含量，对NOx产生有一定影响。