O2/CO2氣氛下煤粉燃燒NO排放特性實驗研究

原 輝， 劉彥豐， 劉雄偉

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

O2/CO2氣氛下煤粉燃燒NO排放特性實驗研究

原 輝， 劉彥豐， 劉雄偉

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

利用沉降爐實驗臺分別在O2/N2氣氛和O2/CO2氣氛下針對煤粉燃燒過程中NO排放量進行實驗，研究了CO2濃度、溫度以及過量空氣系數分別對單煤與混煤燃燒NO排放特性的影響，結果表明：相比于O2/N2燃燒氣氛，煤粉在O2/CO2氣氛下燃燒釋放的NO含量更低，其降低量約為30%～35%；在CO2濃度由20%變化到50%的過程中，所選煤種NO生成量逐漸下降，其變化幅度不大；隨著煤粉燃燒溫度的不斷升高，所選煤種在2種氣氛下燃燒生成的NO含量均有增長且在O2/N2氣氛下NO排放濃度增加更為明顯，當溫度達到1 200 ℃和1 500 ℃這2個溫度點時可以發現NO排放濃度曲線斜率變化很大；隨著實驗過程中過量空氣系數α的增加，在這2種氣氛下NO的生成量同樣呈現出上升的趨勢。

O2/CO2氣氛； NO生成量； 煤粉燃燒； CO排放濃度

0 引言

煤粉燃燒過程中排放的CO2、NO等污染物對全球范圍內的溫室效應影響很大，不同程度威脅著地球生態環境。為了有效減少燃煤過程中CO2的排放量。國內外許多研究機構都逐漸將注意力集中在對O2/CO2氣氛下煤粉燃燒技術的研究上。該項技術以純氧代替空氣，并與煙氣混合，能夠有效捕集燃煤過程中產生的CO2，對潔凈煤燃燒有著積極的作用[1-3]。但是由于該燃燒技術所采用的氣氛不同于常規燃燒，因而在實際煤粉燃燒生成NO以及NO轉換過程中存在著顯著差異。

文獻[4]發現在O2/CO2氣氛下煤粉燃燒有助于NO排放量的減少，其降低量同常規氣氛煤粉燃燒下降約1/3。文獻[5]通過實驗的方式分別對無煙煤及煙煤在O2/CO2燃燒氣氛和O2/N2燃燒氣氛下NO的排放特性進行了對比，研究結果表明，相比于空氣燃燒氣氛，煤粉在O2/CO2氣氛下燃燒生成的NO含量大大減少，CO的還原反應有效減少了NO的生成。文獻[6]以徐州煙煤和婁底無煙煤為研究對象，在水平管式爐上對比了O2/N2和O2/CO22種氣氛下NO的析出釋放規律，實驗結果表明，高體積分數CO形成的還原性氣氛是造成富氧燃燒條件下NO釋放濃度低于空氣氣氛的主要原因。文獻[7]利用Fluent數值模擬軟件針對煤粉在O2/CO2氣氛條件下燃燒及NO排放濃度特性進行了數值模擬，結果表明，NO排放濃度的多少很大程度取決于峰值溫度，且沿軸向分布特性與溫度變化趨勢相近。文獻[8]通過氣體攜帶爐實驗對2種燃燒氣氛下神華煤和陽泉無煙煤的NO釋放特性進行了研究，結果表明，在燃燒溫度從1 100 ℃到1 300 ℃的過程中，煙氣中的NO生成量呈現出先增大后減少的趨勢，并且在 1 200 ℃時NO生成量達到峰值。通過滴管爐對煤粉在O2/N2和O2/CO22種氣氛下燃燒生成的NO濃度進行了對比實驗，研究結果發現NO增加幅度隨O2濃度提高而減少。

目前由于實驗設備的限制，國內外對O2/CO2氣氛下煤粉燃燒NO排放特性主要集中于1 300 ℃以下[9-11]，對高溫1 200 ℃和1 500 ℃下NO的排放規律研究較少，且對混煤在不同比例氣氛下燃燒NO排放規律鮮有研究。為了解決上述問題，本文借助沉降爐實驗臺對煤粉燃燒NO排放特性進行了研究，分析對比了2種燃燒溫度下燃燒氣氛、CO2濃度和過量空氣系數對單煤和混煤煤粉燃燒NO生成量的影響。

1 實驗部分

實驗系統如圖1所示。

1. O2鋼瓶; 2. CO2鋼瓶; 3. N2鋼瓶； 4. He鋼瓶； 5. 流量控制器； 6. 微量給粉器； 7. 氣粉混合器； 8. 爐體； 9. 溫控系統； 10. 過濾器； 11. 抽氣泵； 12. 煙氣分析儀； 13. 冷卻水出口； 14. 冷卻水進口； 15. 自動煙氣測試儀圖1 實驗系統簡圖

實驗系統由爐體部分、溫控系統、給粉系統、配氣系統、水冷系統以及樣品收集系統組成，其中溫控系統具有較高的精度，誤差維持在2 ℃之內，溫度可控范圍為800～1 800 ℃，燃燒生成的煙氣首先經過濾器處理后進入德國MRU的VARIO PLUS型煙氣分析儀，對O2、CO和NO進行測試。本實驗給粉量為1 g/min，燃燒氣氛為O2/N2及O2/CO2混合氣體，根據給粉量、理論耗氧量、過量空氣系數、CO2比例計算理論進氣量，氣流總量為10 L/min，當低于10 L時，用He進行補充，這樣可以保持爐內良好氣流，實驗過程中設定自動煙氣測試儀的抽氣流量為10 L/min，使爐內成微負壓。實驗時先通氣體后啟動自動煙氣測試儀，最后開啟微量給粉器，實驗采用大同煙煤和印尼褐煤，煤粉取過100目篩子部分，細度<150 μm，煤質分析結果見表1。

2 實驗結果與分析

2.1 CO2濃度對NO生成量的影響

實驗過程中選取T=1 200 ℃和T=1 500 ℃、O2/CO2氣氛、過量空氣系數為1.2的理論氧氣量，通過流量控制器對CO2進氣量進行調整來研究分析CO2濃度對NO生成量的影響。圖2、圖3分別表示3種煤粉在O2/CO2氣氛、溫度為1 200 ℃和1 500 ℃時，4種不同CO2濃度下燃燒煙氣中NO和CO的生成濃度結果。

圖2 3種煤粉在不同CO2濃度下NO排放濃度

圖3 3種煤粉在不同CO2濃度下CO排放濃度

由圖2可知，在2種燃燒溫度下隨著CO2濃度由10%增加到40%，3種煤的NO排放質量濃度均逐漸降低，這主要是因為高濃度的CO2條件下，產生了大量的CO，與NO發生還原反應生成N2。此外，圖2中NO排放濃度曲線變化較緩，這是因為隨著CO2濃度的增加，CO生成量增加幅度減小，對NO的還原反應減弱，同時在O2/CO2氣氛下高濃度的O2與中間產物HCN和NH3發生氧化反應生成NO，且CO2具有高密度、大比熱的物理性質，使得煤粉燃燒速率減少、燃燼特性降低，從而促進了燃料中N元素向NO的轉化，兩方面的綜合作用導致NO生成濃度降幅減緩[12]。

由圖2可知，CO2濃度由10%升至20%時，NO生成量的變化幅度明顯高于CO2濃度由30%升至40%時的NO變化幅度，反映出單純提高進氣中CO2的濃度，NO的減排效果并不是十分理想，在增加CO2濃度的同時，應合理控制進氣中O2濃度，這樣才能有效減少NO的排放量[13]。對比圖2(a)、(b)發現，1 500 ℃下煤粉燃燒NO排放量明顯高于1 200 ℃，這說明高溫環境能夠增加煤粉的燃燼程度，促進燃料中元素N向NO的轉化。此外，在CO2濃度不變的情況下，同煤燃燒生成的NO濃度遠遠大于印尼煤，這主要是由于同煤和印尼煤揮發分、含氮量和含碳量不同造成的。并且從NO生成量的變化速率來看，在2種溫度下，印尼煤燃燒產生的NO濃度變化幅度不大，而同煤和混煤則存在極大的差異，具體表現為1 500 ℃下NO的生成量減少速率明顯低于1 200 ℃。這主要是因為隨著溫度的升高，氣化反應速率加快，導致CO的生成量增大，對NO的還原增強，從而一定程度抑制了NO的生成。從圖中可以看出，在O2/CO2的燃燒氣氛、高溫高氧的情況下，混煤的NO生成曲線表現出同單煤燃燒時一樣的排放規律，基本維持在2種單煤單獨燃燒生成NO排放濃度的平均值。

2.2 溫度對NO排放的影響

圖4、5所示的分別是O2/N2氣氛和O2/CO2氣氛不同溫度下(900 ℃、1 200 ℃、1 500 ℃)3種煤粉NO的析出曲線。實驗中采取過量空氣系數α=1.2、V(O2)/V(CO2/N2)=2∶8的燃燒條件。結果表明：隨著爐內溫度的不斷升高，2種燃燒氣氛下NO排放量也隨之增加，所不同的是，O2/N2氣氛下NO排放量高于O2/CO2下NO的排放量。這主要是因為O2/CO2氣氛中不存在分子氮，所以只能產生燃料型NO，而O2/N2氣氛中熱力型NO和快速型NO會隨溫度的升高迅速提高N元素的轉化率[14]。同時發現，在T=900 ℃左右時，2種燃燒氣氛下煤粉NO排放量從高到低依次是印尼煤、混煤和同煤，這是因為印尼煤NO的揮發量遠遠大于同煤。隨著溫度的繼續升高，2種氣氛下同煤煤粉燃燒生成的NO排放量逐漸超過印尼煤，這主要是由于隨著溫度升高，促進了煤粉燃燼程度，NO生成量增加。當T=1 200 ℃時，CO2與煤焦開始發生氣化反應，促進了CO對NO及中間產物的還原。這是在1 200 ℃以后，O2/CO2氣氛下NO排放量曲線斜率降低的原因。

圖4 O2/N2氣氛下不同溫度下NO排放量

圖5 O2/CO2氣氛下不同溫度下NO排放量

圖4中，溫度由1 200 ℃到1 500 ℃的區間內3種煤粉NO排放量曲線斜率明顯增大，這主要是由于高溫環境下大量熱力型NO生成的緣故[15]。圖5中，不難發現在1 200 ℃到1 500 ℃之間，印尼煤NO排放量曲線斜率明顯低于混煤和同煤，這是由于印尼煤中含有的氮化物低于同煤，導致在高溫環境下抑制了燃料型NO的生成。比較兩圖，可以看出，隨著溫度由1 200 ℃增大到1 500 ℃，O2/CO2氣氛下NO排放量隨溫度的變化較相同燃燒條件下O2/N2氣氛下的變化要緩慢，這說明溫度的提高促進了煤焦熱解，生成高濃度的CO在煤焦表面發生還原反應，一定程度上抑制了NO的生成[16-17]。

2.3 過量空氣系數對NO排放的影響

決定煤粉燃燒是處于還原性氣氛還是氧化性氣氛最重要影響因素是過量空氣系數。圖6、圖7、圖8所示的分別是大同煙煤、印尼褐煤及其混煤在2種燃燒溫度(1 200 ℃、1 500 ℃)、2種氣氛(O2/CO2、O2/N2)下NO和CO隨過量空氣系數α(0.8、1.0、1.2、1.4)變化的析出曲線。實驗中采取V(O2)/V(CO2/N2)=2∶8的燃燒條件。結果表明：實驗中所取過量空氣系數的范圍內，O2/N2氣氛下CO的排放量總小于O2/CO2氣氛，并且在α=0.8時，表現的最為明顯。這主要是因為在燃燒初期，高溫、高CO2濃度的環境下促進了反應(1)的進行；實驗中所取的3種煤粉在O2/N2氣氛下NO的排放量均高于O2/CO2氣氛，這是由于在高溫、O2/N2氣氛下生成大量熱力型NO的緣故[18]，且分別對比3種煤粉的(a)(b)兩圖，發現1 500 ℃時O2/N2氣氛下NO增加幅度遠遠大于1 200 ℃，這說明溫度升高能夠促進熱力型NO的生成。比較圖6、圖7，不難發現，2種煤粉在相同條件燃燒的情況下，同煤NO的排放量遠遠大于印尼煤，可見同煤中的氮化合物含量遠遠高于印尼煤，再結合圖8，可以發現混煤的NO排放量介于同煤和印尼煤之間，這說明混煤燃燒可以一定程度減少NO的排放量[19]。

圖6 大同煙煤在不同氣氛下NO、CO排放濃度

圖7 印尼煤在不同氣氛下NO、CO排放濃度

圖8 混煤在不同氣氛下NO、CO排放濃度

由圖可知，隨著過量空氣系數α的逐漸增大，O2/N2和O2/CO2氣氛下CO濃度均呈現減少趨勢，而NO濃度則呈現出上升的趨勢。這是由于空氣量的增加促進了煤粉的燃燼反應，使得生成的CO在O2濃度不斷增大的情況下發生反應(2)生成大量的CO2，而CO的減少抑制了異相反應(3)和均相反應(4)的進行，O2濃度的增大也促進了煤粉燃料型NO的生成，從而使得在燃料型NO不斷生成的前提下減少了NO向N2的轉化。當過量空氣系數α從0.8～1.2 L時，無論是氧化性氣氛還是還原性氣氛，NO的生成速率和CO的減少速率都較于過量空氣系數由1.2～1.4變化更大。這說明空氣分級燃燒有助于控制O2濃度，對NO的減排有積極作用[20]。

CO2+C→2CO

(1)

2CO+O2→2CO2

(2)

(3)

(4)

3 結論

(1)在1 200 ℃和1 500 ℃下，隨著CO2濃度的增加，實驗室所選3種煤粉的NO排放量逐漸降低，CO排放量逐漸升高，且兩者波動程度較小。當CO2濃度由10%升至20%時的NO和CO生成量的變化幅度明顯高于CO2濃度由30%升至40%時的NO和CO的變化幅度，說明合理控制CO2濃度有助于減少NO的生成量。

(2)在O2/N2和O2/CO2氣氛下，實驗室所選取的溫度范圍內，隨著溫度的提高，煤粉NO的生成量和轉化率均增大，同等條件下燃燒，O2/N2氣氛下NO的排放量高于O2/CO2氣氛，且溫度由1 200 ℃增大到1 500 ℃，O2/CO2氣氛下NO排放量隨溫度的變化比O2/N2氣氛下小，這說明溫度的提高可以促進煤焦熱解，生成高濃度的CO可以有效抑制NO的排放量。

(3)在2種氣氛下隨著過量空氣系數的增大，實驗室所選煤種的CO排放量呈下降趨勢，NO排放量則呈現上升趨勢，且過量空氣系數由0.8～1.2過程中，NO濃度的生成速率和CO的減少速率較大；在同一溫度、同一氣氛和同一過量空氣系數下比較，O2/N2氣氛下NO的排放量總是大于O2/CO2氣氛，O2/CO2氣氛下CO的排放量總是大于O2/N2氣氛。

[1]GU M, CHEN X, WU C, et al. Effects of particle size distribution and oxygen concentration on the propagation behavior of pulverized coal flames in O2/CO2Atmospheres[J]. Energy & Fuels, 2017, 31(5):22-26.

[2]WANG M, ZHAO R, SHAN Q, et al. Study on combustion characteristics of young lignite in mixed O2/CO2, atmosphere[J]. Applied Thermal Engineering, 2017, 110(6):1240-1246.

[3]劉彥豐, 陳啟召, 殷立寶. O2/CO2與O2/N2氣氛下煤粉燃燒NO排放特性試驗研究[J]. 熱力發電, 2017, 46(3):7-13.

[4]FU J, LIU J, SUN S, et al. Co-combustion characteristic of sewage sludge and coal under CO2/O2and N2/O2atmosphere[J]. Huanjing Kexue Xuebao, 2017, 37(3):1021-1031.

[5]游卓,王智化,周志軍,等.O2/CO2氣氛下無煙煤及煙煤燃燒NO釋放特性對比試驗研究[J].中國電機工程學報,2011,31(35):53-58.

[6]王萌, 吳昊, 劉浩,等. O2/CO2氣氛下煤粉燃燒NO的排放特性[J]. 煤炭學報, 2013, 38(6):1072-1077.

[7]劉彥. O2/CO2煤粉燃燒脫硫及NO生成特性實驗和理論研究[D].杭州：浙江大學,2004.

[8]于巖. O2/CO2燃燒技術中NOx排放特性的實驗研究及機理分析[D].保定：華北電力大學,2004.

[9]張永春,張軍,盛昌棟,等. O2/N2、O2/CO2和O2/CO2/NO氣氛下煤粉燃燒NOx排放特性[J]. 化工學報,2010,61(1):159-165.

[10]MUNIRS,NIMMO W, GIBBS B. The effect of air ataged, co-combustion of pulverized coal and biomass blends on NOXemissions and combustion efficiency[J]. Fuel, 2011,90(1):126-135.

[11]謝敬思,程世慶,張慧敏,等.O2/CO2氣氛下生物質與煤混燃的NO排放特性研究[J].熱力發電,2012,41(8)：32-36.

[12]王賁, 蘇勝, 孫路石,等. O2/CO2條件下煤焦—NO生成特性的實驗研究[J]. 煤炭學報, 2012, 37(10):1743-1748.

[13]NORMANN F, ANDERSSON K, BO L, et al. High-temperature reduction of nitrogen oxides in oxy-fuel combustion[J]. Fuel, 2008, 87(17):3579-3585.

[14]陳陽. O/CO氣氛下NOx生成機理研究[D]. 武漢：華中科技大學, 2007.

[15]ZOU C, HUANG Z J, CHU K, et al. Pilot scale study on SO2and NOxemission control in O2/CO2recycled coal combustion[J]. Proceedings of the Csee, 2009, 29(2):20-24.

[16]王為術, 劉軍, 王保文,等. 超臨界鍋爐劣質無煙煤燃燒NOx釋放特性的數值模擬[J]. 煤炭學報, 2012, 37(2):310-315.

[17]高建強, 張晨. 300 MW富氧煤粉燃燒鍋爐變工況運行特性分析[J]. 華北電力大學學報(自然科學版), 2016, 43(5):83-87.

[18]喬木森, 邵歡, 王春波. 高溫管式爐煤粉燃燒NO排放規律研究[J]. 電力科學與工程, 2014, 30(10):74-78.

[19]HU Y, NAITO S, KOBAYASHI N, et al. CO2, NOx, and SO2, emissions from the combustion of coal with high oxygen concentration gases[J]. Fuel, 2000, 79(15):1925-1932.

[20]邵歡, 劉睿瓊, 黃星智,等. 恒定高溫下煤粉燃燒特性及模型模擬[J]. 電力科學與工程, 2015,31(9):1-6.

Experimental Investigation on NO Emission Characteristic During Pulverized Coal Combustion in O2/CO2Atmosphere

YUAN Hui， LIU Yanfeng， LIU Xiongwei

(School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

The NO emission of pulverized coal during the combustion in the O2/N2atmosphere and O2/CO2atmosphere was studied by using the sedimentation furnace test bed. The effects of the CO2concentration, temperature and excess air concentration on the NO emission characteristics of single coal and mixed coal were discussed. The results show that the NO content of the pulverized coal is lower than that of the O2/N2combustion atmosphere, and the decrement of the NO content in the O2/CO2atmosphere is about 30%～35%. When the CO2concentration changes from 20% to 50%, the amount of NO produced in the selected coal gradually decreased, and the change range is not large; with the rising pulverized coal combustion temperature, the selected coal in the two kinds of atmosphere combustion NO content increased, and the increase of NO emission concentration is more obvious in the O2/N2atmosphere. When the temperature reaches 1 200 ℃ and 1 500 ℃, it can be seen that the slope of the NO emission curve varies tremendously. With the increase of the excess air coefficient α, in these two atmospheres, the NO production also showed a rising trend.

O2/CO2atmosphere; NO emission concentration; pulverized coal combustion; CO emission concentration

2017-06-30。

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.12.007

TK161

A

1672-0792(2017)12-0038-06

原輝(1993-)，男，碩士研究生，研究方向為電站鍋爐清潔煤燃燒。