生物質/煙煤粉體燃料在空氣分級燃燒下NO排放特性研究

孫 禹，孟長芳

(1.國家能源集團 神東煤炭集團公司，內蒙古 鄂爾多斯 017209；2.煤科院節能技術有限公司，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013；4.國家能源煤炭高效利用與節能減排技術裝備重點實驗室，北京 100013)

規模化燃燒利用是最直接、簡便的生物質能利用方式。但是生物質的能量密度低，大規模的生物質燃料發電運輸半徑過長，導致運輸成本高昂，不具備明顯的經濟優勢。而以村鎮、園區為用戶，以附近區域內生物質廢棄物為燃料，采用直接燃燒或混煤燃燒的方式進行供熱、供汽，既可以充分利用當地生物質能源進行低成本供熱、供汽，又實現了當地生物質廢棄物的減量、無害化處理。這種小規模、分布式的生物質燃燒利用方式，為我國生物質資源利用提供了一種有效的路徑。NOx排放控制是生物質小規模、分布式燃燒利用中需要重點關注的問題。大量研究已經表明，由于生物質高揮發分的特性，與煤摻燒后有助于降低整體燃料氮向NO的轉化率。但是由于我國環保標準的日益嚴格，以及有些種類生物質燃料的氮元素含量較高，單純通過生物質與煤摻燒無法滿足當前NOx排放的要求。與電站鍋爐相比，小型工業鍋爐的容量和運行參數都較低，如果將電站鍋爐上成熟應用的NOx控制技術“移植”到工業鍋爐，在技術可行性和經濟適應性上都需要進行論證。本文采用試驗手段，驗證空氣分級低氮燃燒技術在小型工業鍋爐燃用生物質/煙煤粉體燃料應用場景下的技術可行性和實際降氮效果?？諝夥旨壢紵且环N有效的低氮燃燒技術，該技術不但可以大幅降低煤炭燃燒的NOx排放，也可以降低生物質燃燒的NOx生成。董靜蘭等[1-2]分別在管式爐和一維滴管爐分級燃燒條件下，研究了生物質與煤摻燒時NOx排放的影響。孫家浩等[3]利用仿真計算手段模擬了生物質與煤在兩段式滴管爐分級燃燒時的NOx排放。上述研究考察了生物質摻混比、溫度、過量空氣系數、配風比等操作參數對NOx生成的影響規律，也針對各因素對NOx生成和抑制機制進行了研究，具有重要的指導意義。但是，上述研究更多是針對富氧燃燒條件，而對空氣分級燃燒條件下的研究比較有限，此外上述研究的熱態條件均與鍋爐實際運行條件相差很大。

本文在空氣分級條件下，以生物質與煤混燃的NOx排放特性為研究對象，首先采用更接近實際工業鍋爐熱態條件的兩段式滴管爐進行熱態試驗，考察生物質摻混比、過量空氣系數、配風比對NOx排放的影響，從而確定空氣分級燃燒的最佳運行條件。

1 試驗系統

1.1 試驗裝置與工況設定

兩段式滴管爐試驗系統如圖1所示，由滴管爐本體、微量給粉器、配風系統、分析取樣設備、冷卻與控制系統組成。兩段式滴管爐將爐體分為主燃區和燃盡區2部分。滴管爐本體上段為主燃區，溫度范圍為室溫到1 600 ℃，用于模擬燃料粉體在燃燒器內的燃燒狀態；下段為燃盡區，溫度范圍為室溫到1 000 ℃，用于模擬粉體燃料在爐膛內部的燃燒狀態。微量給粉器給料精度±5‰。燃盡區出口設置高溫氣體流量計測量煙氣流量。氣體流量計下游設置旋風筒采樣器，用于采集燃燒殘留物。燃盡區出口煙氣成分由Testo350煙氣分析儀器測定。爐膛底部還設置水冷采樣槍，可以插入爐膛的不同深度采集氣體，進行氣體成分分析。

圖1 兩段式滴管爐實驗系統示意Fig.1 Structural diagram of two-stage dropper tube furnace system

試驗過程中，燃料供給速率3 g/min，一次風為微量空氣，利于燃料供給(在計算配風比時忽略)；二次風為助燃風，由3號、4號氣路進入主燃區；三次風為燃盡風，由5號、6號氣路進入燃盡區。各級風量由質量流量計控制。根據工業鍋爐實際運行經驗，試驗中主燃區溫度設定為1 200 ℃、燃盡區溫度設定為1 000 ℃。

1.2 燃料特性

試驗燃料為由秸稈粉、木質粉、神府煙煤粉以及生物質、煙煤按照不同質量摻混比配制的混合粉體燃料。秸稈粉和木質粉分別為工業試驗場地附近農田廢棄物、廢舊家具膠合板經過粉碎得到的粒徑小于0.5 mm的粉體，煤粉為平均粒徑70 μm。燃料的工業分析與元素分析見表1。

表1 燃料工業分析與元素分析Tab.1 Industrial analysis and elemental analysis

由表1可以看到，秸稈的氮元素含量最低，為0.41%，而由于膠合板中還有大量高氮膠粘劑，木質粉的氮元素含量達到1.37%，高于煤粉中氮含量。

2 結果分析

2.1 生物質種類及摻混比對NO排放影響

生物質摻混量對NO排放的影響如圖2所示。

圖2 生物質摻混量對NO排放的影響Fig.2 Influence of biomass blending amount on NO emission

圖2中，過量空氣系數為1.2，單級供風和二次風率(二次風量/二、三次風總風量)為0.6兩種配風燃燒方式下，隨秸稈摻混比的增加，NO排放濃度呈現降低趨勢;隨木質粉摻混比的增加，NO排放濃度呈現上升趨勢。這是由于秸稈與木質粉氮元素含量直接的差異，導致與煤摻混后，混合燃料氮元素含量隨秸稈粉摻混的增加而降低，隨木質粉摻混比的增加而升高。燃料氮元素的變化直接影響到最終NO的排放。

煤/生物質摻燒，除了改變燃料中氮元素含量外，也對燃燒過程中燃料氮向NO轉化率具有顯著影響。根據生成機制不同，NOx主要分為燃料型、熱力型、快速型3種。其中，熱力型NOx在溫度低于1 200 ℃時，幾乎測量不到；快速型NOx只占NOx總量的5%左右。因此，本文假設燃燒中產生NOx均為燃料型NOx。

燃料氮向NO轉化率由式(1)計算：

(1)

式中，η為燃料氮向NO的轉化效率;mNO為煙氣中NO平均濃度;Q為單位時間內氣體體積;M為單位時間給料量;NC與NB分別為煤粉和生物質粉氮含量；ω為生物質質量摻混比。

單級供風和配風比為0.6兩種配風燃燒方式下，不同生物質摻混比對燃料氮向NO轉化率的影響如圖3所示。由圖3可以看到，在2種配風方式下，煤粉摻燒2種生物質，燃料氮轉化率均隨生物質摻混比的增加而降低。即無論生物質燃料氮含量高低，煤中摻燒生物質都有助于降低NO生成。摻燒生物質對NO生成的抑制作用主要體現在3個方面[4-8]。①生物質燃料揮發分高，本文中秸稈和木質粉的揮發分分別為68.06%和62.06%，為神府煙煤揮發分的2倍左右，且更易著火，在摻混燃燒過程中，秸稈燃料相對煤粉提前釋放大量揮發分并著火燃燒。大量揮發分的燃燒形成局部還原性氣氛區域。在還原性氣氛區域，揮發分釋放產生的小分子中間產物大部分無法氧化為NO，而是與燃燒生成的NO發生反應生成N2。②秸稈本身結構疏松、燃燒初期揮發分釋放劇烈。與煤粉相比，秸稈燃燒過程中形成具有細小孔隙結構的焦炭。本文采用熱重天平在氮氣氣氛，600 ℃下對煤、秸稈、木質制焦，并進行BET分析，煤焦、秸稈焦和木質焦比表面積分別為4.1、42.7和38.4 m2/g。在物理角度上，生物質焦炭具有強氣體吸附性，可以吸附NO。在化學角度上，焦炭空隙越多，在高溫條件下與NO發生還原反應速率越大。③生物質灰堿金屬含量高，利用XRF方法測定灰分見表2。堿金屬元素[9]對焦炭還原NO具有催化作用。

圖3 生物質摻混量對燃料氮NO轉化率的影響Fig.3 Influence of biomass blending amount on the conversion rate of fuel nitrogen and NO

表2 不同燃料灰分Tab.2 Ash composition of different flues

2.2 配風對NO排放的影響

過量空氣系數 1.2條件下，不同燃料、配風比的燃料氮向NO轉化率如圖4所示。由圖4可知，燃料氮轉化率隨二次風率增加先下降后上升。在單級供風時燃料氮轉化率最大，二次風率為0.6時燃料氮轉化率最小。該結果與文獻[3]的結果規律一致。這表明與煤空氣分級燃燒相同[10-12]，空氣分級燃燒條件下煤與生物質混合燃燒同樣存在使NO排放最低的最佳配風比。為了分析煤與生物質燃料燃燒中的氮氧化物的生成與抑制機制，采用取樣槍沿滴管爐高度采集氣體成分。由于兩段式滴管爐結構的限制，無法在同一次試驗中同時測量主燃區和燃盡區的沿程氣體成分，只能在同一工況下進行2組試驗，分別對主燃區和燃盡區進行測量。不同燃料在單級供風、二次風率0.6配風燃燒方式下，NO濃度沿滴管爐高度分布如圖5所示。

由圖5可以看到，2種配風方式下NO的釋放在燃燒初期就已經完成，在隨后的燃燒進程中主要是NO還原的過程，且NO還原主要發生在主燃區。分級燃燒條件下，由于主燃區整體處于還原性氣氛中，NO的凈生成量要明顯低于單級供風時NO凈生成量。不同的配風燃燒方式對燃料燃盡率也具有顯著影響，在鍋爐實際運行中,要根據降氮效果和對燃料燃盡率影響綜合考慮,選取適合的配風比例。因此需要考察二次風率對燃料燃盡率的影響。不同燃料、不同配風比下，燃燒殘留物含碳量如圖6所示。

圖6 二次風率對燃料燃盡率影響Fig.6 Effect of secondary air rate on fuel burnout rate

由圖6可以看到，燃料灰含碳量隨著二次風率的升高逐漸降低，當采用單級供風時，燃盡效果最佳。這是由于單極供風時，過量氧氣在高溫主燃區就開始參與燃燒反應，燃燒反應速率要明顯高于分級配風時的燃燒速率。由圖6還可以看到，二次風率對煤粉燃盡的影響最為顯著。隨著生物質摻混比的增加，二次風率對燃料燃盡的影響逐漸降低。當燃燒純生物質時，二次風率由0.4升高到1.0，燃料灰含碳量僅降低1%。這是由于生物質燃料著火點低且更易于燃燒，在高溫和空氣充足的條件下，燃盡率受配風比影響較小。

2.3 過量空氣系數對NO排放的影響

不同燃料、不同配風方式下，燃料氮轉化率隨過量空氣系數的變化規律如圖7所示。由圖7可以看到，隨過量空氣系數的增加，不同工況的燃料氮轉化均呈增加趨勢。這是由于過量空氣系數的增加，增加了主燃區氣氛的氧化性，燃燒中釋放的小分子中間產物沒有被還原，而是被氧化成NO。此外，過量空氣系數的升高也縮短了燃料在滴管爐中的停留時間，因此還原反應的時間也被縮短。

圖7 過量空氣系數對燃料氮轉化率的影響Fig.7 Effect of excess air coefficient on fuel nitrogen conversion rate

燃燒殘留物含碳量隨過量空氣系數的變化規律如圖8所示。過量空氣系數對燃料燃盡的影響主要體現在2個方面：①過量空氣系數升高增加了反應氣氛的氧化性，加快燃燒速率，對燃盡具有促進作用；②過量空氣系數升高縮短了燃料在滴管爐中停留時間和燃燒反應時間，對燃盡具有抑制作用。由圖8可以看到，燃料灰含碳量隨過量空氣系數的增加呈現下降趨勢。這說明在本試驗中，過量空氣系數升高對燃料燃盡的促進起主導作用。

圖8 過量空氣系數對燃料燃盡影響Fig.8 Effect of excess air coefficient on fuel burnout

3 結論

本文采用兩段式滴管爐試驗系統模擬粉體工業鍋爐熱態環境，研究了生物質摻混比、配風燃燒方式、過量空氣系數對NO排放特性的影響，得到如下結論。

(1)燃料氮元素含量對NO排放濃度具有顯著影響。

(2)在分級配風和單級供風條件下，煤粉摻燒生物質/粉都有助于降低燃料氮向NO的轉化率。

(3)相對于單級供風，分級配風可以大幅降低燃料氮向NO的轉化率，且存在NO排放最低的最佳配風比。但分級配風對燃料燃盡有負面影響，分級配風對粉煤燃盡的影響程度要大于對生物質粉的影響程度。

(4)在分級配風和單級供風條件下，增加過量空氣系數有助于各種燃料的燃盡，但各燃料氮轉化率均隨過量空氣系數的增加而上升。