典型越南無(wú)煙煤熱動(dòng)力學(xué)特性研究及NOX排放測(cè)試

康 開(kāi)，項(xiàng)群揚(yáng)，茅建波，樂(lè)亞表，裘立春

（1.浙江浙能電力股份有限公司，杭州 310007；2.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，杭州 311121；3.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；4.浙江省電力建設(shè)有限公司，浙江 寧波 315012）

0 引言

越南是無(wú)煙煤的主要生產(chǎn)國(guó)家，無(wú)煙煤產(chǎn)量位列世界第三，生產(chǎn)的大量無(wú)煙煤用于出口中國(guó)、日本和韓國(guó)等地區(qū)。近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)外煤炭?jī)r(jià)格的變動(dòng)，許多沿海發(fā)電廠開(kāi)始燃用進(jìn)口越南無(wú)煙煤。同時(shí)，在國(guó)內(nèi)設(shè)備制造廠和電力設(shè)計(jì)院海外市場(chǎng)的開(kāi)拓過(guò)程中，依據(jù)當(dāng)?shù)孛嘿|(zhì)進(jìn)行鍋爐的選型和設(shè)計(jì)也是較為關(guān)鍵的研究課題。燃用越南無(wú)煙煤對(duì)鍋爐的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)仍有不小的挑戰(zhàn)，例如越南某發(fā)電廠2臺(tái)300 MW亞臨界鍋爐，設(shè)計(jì)上選用越南北方生產(chǎn)的無(wú)煙煤，其干燥無(wú)灰基揮發(fā)分僅為4.94%，在試運(yùn)行期間出現(xiàn)了燃燒不穩(wěn)﹑爐膛負(fù)壓波動(dòng)較大等問(wèn)題[1]。

因此，越南無(wú)煙煤的燃燒特性是鍋爐選型和設(shè)計(jì)需要考慮的重要問(wèn)題，以下結(jié)合熱重試驗(yàn)結(jié)果對(duì)越南無(wú)煙煤的燃燒動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析，并通過(guò)越南某600 MW燃用越南無(wú)煙煤的“W”型火焰鍋爐的試驗(yàn)，研究其N(xiāo)OX排放特性。

1 越南無(wú)煙煤熱動(dòng)力學(xué)特性研究

1.1 元素分析和工業(yè)分析結(jié)果

研究所選用的越南無(wú)煙煤和其他3種常見(jiàn)對(duì)比煤種的工業(yè)分析、元素分析及發(fā)熱量參數(shù)如表1所示。通常認(rèn)為越南無(wú)煙煤的煤質(zhì)指標(biāo)中Mad（空氣干燥基水分，以下簡(jiǎn)稱(chēng)空干基水分）一般在2%～3%，Aad（空干基灰分）在 15%～40%；Vadf（干燥無(wú)灰基揮發(fā)分）在6%～14%[2]。根據(jù)表1結(jié)果，研究所選用的越南無(wú)煙煤具有比較典型的無(wú)煙煤特性，主要表現(xiàn)為：

（1）超低的揮發(fā)分，折算后的Vdaf小于10%，低于國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的陽(yáng)泉無(wú)煙煤，更不容易著火。

（2）Oad（氧含量）遠(yuǎn)小于一般的煤種，該氧含量一般在8%左右。

（3）超低的水分，Mad僅在2%～3%的水平，遠(yuǎn)小于一般的煙煤含水8%～20%的水平。

（4）越南無(wú)煙煤的灰分高， Aad為 31.58%，遠(yuǎn)大于陽(yáng)泉無(wú)煙煤的14.16%，更不利于燃盡[3]。

表1 4種煤種的工業(yè)分析、元素分析及發(fā)熱量

1.2 熱重分析結(jié)果

越南無(wú)煙煤的TG（熱重分析）曲線見(jiàn)圖1。通過(guò)分析該樣品的TG曲線，顯示越南無(wú)煙煤在熱失重初期有一個(gè)失重階段，這是原煤空干基下的水分蒸發(fā)引起的，這個(gè)結(jié)果與表1中樣品的含水量相吻合，該過(guò)程在150℃內(nèi)完成。失水過(guò)程結(jié)束后，煤粉的孔隙增大，隨著溫度的提升，燃燒反應(yīng)加快，煤樣快速吸收氧氣，TG曲線小幅上升。隨著溫度進(jìn)一步提升，各樣品進(jìn)入迅速失重階段，煤中的揮發(fā)分開(kāi)始析出燃燒，呈現(xiàn)半焦燃燒，此時(shí)TG曲線出現(xiàn)急劇下降，而當(dāng)煤中的可燃物質(zhì)燃盡后，TG曲線保持水平狀態(tài)。

圖1 越南無(wú)煙煤TG曲線

1.3 動(dòng)力學(xué)分析

熱分析動(dòng)力學(xué)是一種研究物質(zhì)的物理變化和化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的方法。煤粉的反應(yīng)活化能E是反映煤粉著火和燃燒性能的重要參數(shù)。由于試驗(yàn)中采用程序升溫法對(duì)煤粉燃燒進(jìn)行不定溫法研究，因此需對(duì)TG曲線使用Coats－Redfern積分法進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，得到不同煤種的燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參

數(shù)[4－6]。

越南無(wú)煙煤與國(guó)內(nèi)常見(jiàn)褐煤、煙煤和無(wú)煙煤的燃燒動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表2，Ti表示著火溫度，Th表示燃盡溫度，Tmax表示最大燃燒速率溫度，E表示燃燒反應(yīng)活化能。越南無(wú)煙煤的表觀活化能E 達(dá)到 153.3 kJ/mol，比陽(yáng)泉無(wú)煙煤高 10.7 kJ/mol，說(shuō)明越南無(wú)煙煤更難以著火，燃燒反應(yīng)性能較差，其著火燃燒特性低于陽(yáng)泉無(wú)煙煤[7－13]。

表2 4種煤樣的燃燒特征參數(shù)

Ti是研究燃料燃燒的重要指標(biāo)，比較直觀地反映出樣品的著火特性，一般Ti越低，煤粉越容易著火。由表2可以看出，越南無(wú)煙煤的Ti為553.9℃，大于中國(guó)陽(yáng)泉無(wú)煙煤，Tmax也符合這個(gè)規(guī)律。Ti主要受煤中揮發(fā)分多少的影響，一般揮發(fā)分含量越大，煤中的碳顆粒相對(duì)也越容易被點(diǎn)燃[14]。

Th定義為煤中可燃物質(zhì)燃燒到98%時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度，可以比較直觀地反映樣品的燃盡性能。樣品的Th也符合“越南無(wú)煙煤＞陽(yáng)泉無(wú)煙煤”的規(guī)律，揮發(fā)分析出燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱量有助于焦炭的著火，同時(shí)，揮發(fā)分的析出在一定程度上疏松了煤粉，增加了煤粉的內(nèi)部孔隙，使O2的滲入和擴(kuò)散變得容易，加快了化學(xué)反應(yīng)速度，促使燃盡更加容易，因而越南無(wú)煙煤的Th更高。

通過(guò)以上分析，在基于越南無(wú)煙煤的鍋爐，尤其是制粉系統(tǒng)和燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要考慮該煤種難著火和難燃盡的特點(diǎn)。

2 越南無(wú)煙煤NOX排放試驗(yàn)

2.1 鍋爐概況

越南某發(fā)電廠2臺(tái)600 MW鍋爐是引進(jìn)美國(guó)B&W公司技術(shù)的產(chǎn)品。鍋爐為單爐膛平衡通風(fēng)、中間一次再熱、亞臨界參數(shù)、自然循環(huán)單汽包鍋爐。設(shè)計(jì)煤種為越南無(wú)煙煤。燃燒制粉系統(tǒng)采用雙進(jìn)雙出直吹式鋼球磨制粉系統(tǒng)，熱風(fēng)送粉，“W”形火焰燃燒方式，并配置專(zhuān)門(mén)用于燃用低揮發(fā)分燃料的濃縮型低NOX，HALF－PAX雙調(diào)風(fēng)旋流燃燒器。鍋爐本體采用半露天島式布置，固態(tài)排渣，全鋼架結(jié)構(gòu)，在尾部豎井下設(shè)置2臺(tái)三分倉(cāng)容克式空氣預(yù)熱器。

2.2 試驗(yàn)煤質(zhì)

試驗(yàn)期間的煤質(zhì)情況如表3所示，其中工況1－3為100%負(fù)荷率，工況4－5為75%負(fù)荷率。

表3 試驗(yàn)期間燃用煤種煤質(zhì)分析

2.3 NOX和CO排放情況

試驗(yàn)期間對(duì)空預(yù)器入口的氧量情況和CO排放情況進(jìn)行實(shí)測(cè)。結(jié)果表明，試驗(yàn)期間空預(yù)器入口氧量基本保持穩(wěn)定，維持在4.5%～5%；同時(shí)煙氣中CO濃度很低，均未超過(guò)20 μL/L，此時(shí)煙氣未燃可燃物損失已接近零[15]。

試驗(yàn)測(cè)量得到的各工況下?tīng)t膛出口NOX濃度如表4所示。在額定負(fù)荷工況下，爐膛出口的平均NOX濃度約為1 200 mg/m3（已換算為標(biāo)準(zhǔn)狀況下，以下同），在75%負(fù)荷下?tīng)t膛出口的平均NOX濃度約為1 000 mg/m3。該結(jié)果顯示該鍋爐NOX排放值與其它“W”型火焰鍋爐燃用低揮發(fā)分煤種時(shí)的 NOX排放值比較接近[16－18]。

表4 爐膛出口NOX濃度

圖2為CO和NOX排放濃度隨負(fù)荷的變化關(guān)系，當(dāng)負(fù)荷從額定負(fù)荷下降時(shí)，NOX排放濃度明顯降低，CO排放濃度稍有上升，但仍處于極低的水平。

圖2 CO和NOX排放濃度隨負(fù)荷的變化關(guān)系

3 結(jié)論

（1）通過(guò)越南無(wú)煙煤的揮發(fā)分、含氧量、灰分等參數(shù)可知：越南無(wú)煙煤具有極難著火和難以燃盡等特點(diǎn)。通過(guò)進(jìn)行熱重試驗(yàn)得到越南無(wú)煙煤的著火溫度 Ti為 553.9℃， 燃盡溫度 Th為 727.4℃，表觀活化能E達(dá)到153.3 kJ/mol；與國(guó)內(nèi)常見(jiàn)煤種對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，越南無(wú)煙煤比中國(guó)陽(yáng)泉無(wú)煙煤還難以著火和燃盡。

（2）對(duì)燃用越南無(wú)煙煤的越南某600 MW鍋爐進(jìn)行NOX排放測(cè)試，在額定負(fù)荷工況下，爐膛出口的平均NOX排放濃度約為1 200 mg/m3，在75%負(fù)荷下?tīng)t膛出口的平均NOX排放濃度約為1 000 mg/m3。