煤的高挥发分是有利于锅炉燃烧效率提高的

第一篇：煤的高挥发分是有利于锅炉燃烧效率提高的

关于高挥发分煤燃烧特性的调研分析

一、调研结论：

煤的高挥发分是有利于锅炉燃烧效率提高的。目前所规定的锅炉用煤的挥发分为28~37%，主要是为了限制低挥发分煤；煤的挥发分大于37%更有利于点火和燃烧。工业锅炉中高挥发分煤的燃烧状况优于低挥发分煤，但考虑通常情况下不能保证高挥发分煤的供给，才限定了煤的挥发分小于37%。锅炉燃烧主要通过燃烧温度、配风和后续脱硫脱硝等方式实现清洁燃烧，燃用高挥发分煤的主要风险是NOx排放量可能会增加。下面通过文献分析及实验事实进一步明确高挥发分煤在工业锅炉燃烧过程中NOx排放规律。

二、文献分析：

我国煤炭储量中低变质烟煤储量丰富，约占 32%，尤其是发现内蒙古和陕西的神府-东胜矿区，以及新疆的准东-哈密矿区储存着大量的长焰煤和不黏煤，预计地质可采储量约为 5000 亿吨。其煤质共同特点为挥发分较高，均在 33%~45%之间,易着火和燃尽,煤中灰分较少，属于低-特低灰煤，煤灰成分中 K,Ca,Na 等碱金属的成分较高，灰熔点较低，普遍低于1200℃，在燃烧过程中易结渣和沾污。这部分煤中水分差异较大，收到基水分变化范围从 10%~30%之间。

高挥发分煤在进入燃烧区域之后迅速升温，释放大量挥发分，能够快速着火燃烧，因而高挥发分煤机组具有燃烧效率高、机组负荷灵活性好的特点。与此同时燃用高挥发煤的过煤程中也会有一些安全威胁，主要包括高挥发分煤的氧化自燃，甚至是爆炸和低灰熔点的高挥发煤的炉膛结渣和沾污问题。前者主要是高挥发分煤中氧含量较高，挥发分析出温度较低，而且挥发分释放量大，因而容易在堆积状态下发生自燃和在制粉系统中干燥和输送过程中，由于缓慢释放出挥发分的迅速着火而发生爆炸，因而对于高挥发分煤要合理控制煤粉的堆放和上煤过程，不形成过多的煤粉堆积或者过长的堆积时间。保证制粉系统的气密性，提高煤粉细度和选择合适的磨煤机出口一次风温；后者主要是由于进入炉膛之后高挥发分 煤的释放的大量挥发分迅速着火燃烧使炉膛的温度迅速上升同时产生大量的 NOx。另外高挥发分煤由于燃烧初期热负荷较大和煤灰成分中低灰熔点的碱金属含量高，往往形成结焦和水冷壁玷污。可以通过四种办法加以缓解：一是合理的炉膛结构设计，选择适当大的炉膛结构参数能够改善炉内的燃烧状况，能够同时实现增加烟气的停留时间，降低屏底的烟气温度和降低炉膛热负荷参数，这是对燃用具有严重结渣倾向煤种最直接的防结渣措施；二是采用动力用煤的混烧，主要用于解决炉膛的结渣问题，采用灰熔点较高的煤与这些低灰熔点的高挥发分煤混烧可以有效的提高燃煤灰熔融特性，缓解炉膛结渣的问；三是合理布置吹灰器，在炉膛、屏区和对流受热面中布置完备的吹灰器，并定期吹扫，能够有效的解决炉内的严重结渣所造成的安全生产问题；四是是通过分级空气燃烧，限制燃烧初期的热负荷。因高挥发分煤种的着火和燃尽效果均较好，降低炉膛燃烧器区域的温度，既能够减轻炉膛结渣的倾向，同时可以有效的控制燃烧初期 NOx的生成量，降低机组的 NOx的排放。

三、实验研究：

相关实验所采用的反应器是采用多段加热和控温的携带流反应器,实验装置。实验系统主要由加热系统、配风系统、给粉系统、冷却系统和取样系统构成。

实验选取了元宝山褐煤（YBS）、白音华褐煤（BYH）、伊敏褐煤（YM）、小龙潭褐煤（XLT）、准东烟煤（ZD）和神华烟煤（SH）六种高挥发分煤。实验研究了六种我国典型高挥发分煤在原始不分级和最优再燃工况条件下煤粉的燃烧特性和 NOx生成特性。

1、原始不分级条件下不同煤种的燃烧和排放特性

图 4-8 至图 4-13不同煤种的燃烧和排放特性

从图4-8~4-13中可以看出高挥发分煤的煤粉在距燃烧器出口的停留时间为 0.5s 处挥发分迅速释放并着火,氧量下降，同时产生大量的 NOx，随着氧量的消耗，由于焦炭等其它能够参与还原作用的物质的存在，炉膛的沿轴向的 NOx排放量缓慢下降。原始不分级条件下不同煤种的 NOx的排放浓度均在 950mg/Nm3~1250 mg/Nm3左右，且与煤粉中含氮量呈正相关关系，SH 烟煤和 BYH 烟煤的含氮量高于 YBS 褐煤和 YM 褐煤，因而其初始排放浓度高于后两种褐煤，而 XLT 褐煤的排放浓度偏低的原因可能是 XLT 褐煤的高含氮量导致的氮转化率的下降抵消了含氮量增加的影响，使得煤粉含氮量对 XLT 褐煤的 NOx排放量增加的趋势不明显[27-28]。对比 YM 褐煤、BYH 褐煤与 XLT 褐煤、SH 烟煤可以发现前两种煤在 0.5s 处得 NOx释放量约为1800mg/Nm3,大于 XLT 褐煤和 SH 烟煤该时刻的释放量,这主要是因为煤中挥发分含量越高,燃料氮转化为挥发分氮的比例增加,燃烧初期生成的 NOx量越大。如果燃烧初期气氛为弱还原性,挥发分氮转化为 NCO、HCN 等含氮中间产物也会比较高,有利于再燃区的还原反应。比较这六种煤的含碳量和原始 NO 排放量可以发现对于高挥发分煤低阶煤的原始 NO 排放浓度与煤变质程度关系不大。

通过图 4-14 可以发现，六种煤种的燃尽率均在 97%以上，褐煤的燃尽率略好于烟煤,，这个结果与气相产物中 CO 的体积浓度相吻合。通过各元素的转化率对比可以发现不同煤种的 C/H/N 元素转化率接近,均在 97%以上,燃烧效果较好,同时可以发现干燥基含氮量最高的 XLT 褐煤的氮元素的释放率明显偏低,约为 84%,其氮元素转化率为最低,说明 XLT褐煤在煤粉燃烧过程中氮元素的释放受到抑制,与其它煤种相比 XLT 褐煤的元素更多的残留在固相中,从而也会造成其原始工况下 NOx的排放值低于含氮量略少的 SH 烟煤和 BYH 褐煤。

通过各元素的转化率对比可以发现不同煤种的 C/H/N 元素转化率接近,均在 97%以上,燃烧效果较好,同时可以发现干燥基含氮量最高的 XLT 褐煤的氮元素的释放率明显偏低,约为 84%,其氮元素转化率为最低,说明 XLT褐煤在煤粉燃烧过程中氮元素的释放受到抑制。与其它煤种相比 XLT 褐煤的元素更多的残留在固相中,从而也会造成其原始工况下 NOx的排放值低于含氮量略少的 SH 烟煤和 BYH 褐煤。

2、再燃条件下不同煤种的燃烧和排放特性

为了验证不同高挥发分煤再燃特性,本实验中设计煤粉再燃工况是通过将煤粉分为一次风粉和再燃燃料两股给入,同时将风量按照模拟实际燃煤锅炉燃烧方式依次分为一次风、二次风、再燃携带空气和燃尽风。图 4-14 至图 4-19 表示不同煤种在对应选取的最佳的再燃工况中燃烧特性和 NOx的排放特性。

本实验的各种高挥发分煤的再燃实验工况中主燃区和再燃区的过量空气系数和烟气停留时间均相同,过量空气系数 α=0.8，气的停留时间是通过烟气量计算得出的从燃烧器出口沿炉膛轴向化学反应时间,主燃区的停留时间选取1.0s,而再燃区的停留时间兼顾再燃效果和实际的工业应用选取 0.8s,通过对比这六种高挥发分煤的再燃实验结果表明,高挥发分褐煤和烟煤的利用煤粉再燃技术降低 NOx效果非常明显,采用深度燃料分级技术(主燃区过量空气系数 α<1)可以将 NOx的质量排放浓度降到 180~350mg/Nm3。比较最终 NOx排放值可以发现，采用煤粉再燃技术高挥发分烟煤 NOx的排放值有可能会低于高挥发分褐煤，例如 ZD 烟煤的最低 NOx排放值少于 YBS、BYH 和 XLT 褐煤，这是由于高挥发分煤与褐煤的挥发分含量比较接近,煤粉再燃特性受煤及煤焦的其它理化特性影响表现显著。

为了验证不同高挥发分煤再燃特性,本实验中设计煤粉再燃工况是通过将煤粉再燃过程是将一部分的煤粉在主燃区的下游推迟喷入的,因而必然会造成煤粉 的燃烧总停留时间减少,可能会出现燃尽效果变差的问题。因而在实际应用煤粉再燃技术的时候考虑到经济性来综合选用再燃过程燃烧参数。图 4-23 表示再燃工况条件下尾部点的固体样品中 C-H-N 元素的转化率。实验选取的样品是不同煤种的最佳再燃工况尾部点(烟气停留时间为 3.0s)的固体产物和气体产物样品。图 4-22 表明这几种高挥发分煤在再燃条件下燃烧效率变化不大,燃尽率均在 95%以上,采用煤粉再燃技术降低 NOx的同时没有影响煤粉的燃尽效果,同时在炉膛尾部监测的气相产物中 CO 浓度也基本上在 100ppm 以下,气相不完全燃烧热损失也很小,从图中可以发现 YM、ZD、SH 煤三种含碳量略高的煤种在再燃过程中燃尽效果比 YBS、BYH 和 XLT 三种煤差一些,影响高挥发分煤再燃效果燃尽率的主要因素是煤中含碳量,与再燃效果无直接关联。

从图 4-23 可以看出,不同煤种在再燃工况下 C、H 转化率均在 97%以上,表明煤粉的燃尽效果很好,而 N 元素的转化率出现两个低值,分别是YBS 褐煤(94%)和 XLT 褐煤(88%),这两种褐煤的 N 元素的转化率偏低,既有利于降低 NOx 的生成量,同时也会导致再燃区 HCN、NH3的生成量减少,从而减弱再燃还原 NO 的能力。

3、实验结论

950mg/Nm3~1250mg/Nm3左右，且与煤粉中含氮量呈正相关关系，煤中氮元素含量过大对煤粉燃烧过程中 NOx释放抑制作用明显，同时还与煤粉元素释放特性尤其是氮元素的释放特性有关。1)不同煤种的原始不分级下 NOx的初始排放浓度均在2)在原始工况下这六种高挥发分煤的燃尽率均在 97%以上,其中褐煤的燃尽效果略好于烟煤,通过尾部点固体灰样中 C/H/N 元素转化率分析可以得出这六种高挥发分煤的燃尽效果均很好,发现 XLT 褐煤的 N 元素转化率低于其它五种煤,导致其 NOx生成量略低。

3)高挥发分褐煤和烟煤的利用煤粉再燃技术降低 NOx效果非常明显,采用包括深度燃料分级技术(主燃区过量空气系数 α<1)可以将 NOx的质量排放浓度降到 180~350mg/Nm3(6%O2),高挥发分褐煤的再燃还原反应所需的时间比高挥发分烟煤长一些,采用煤粉再燃技术,与高挥发分褐煤相比,高挥发烟煤有可能会实现更低的 NOx排放值。

4)不同高挥发分煤再燃过程中燃尽效果没有明显降低,高挥发分煤通过煤粉再燃技术能保证燃烧效率的同时实现较低的 NOx排放量,在本实验条件下再燃还原效率均在 66%以上,YM 褐煤的还原效率高达 80%,分析元素转化率分析发现,XLT 褐煤和 YBS 褐煤再燃工况条件下 N 元素的转化 率偏低。

总之，煤进入到高温环境之后,依次完成预热干燥、挥发分析出、挥发分和焦炭的着火燃烧和焦炭的燃尽过程。在这四个过程中除了第一个环节不存在氮氧化物的生成之外，其他过程都会有 NOx的生成，而且在不同的过程中受到不同的因素的影响。综合来看，煤质特征尤其是煤变质程度是影响各个过程的燃烧状态和氮氧化物等污染物生成的主要因素。一般来说，低阶煤（高挥发分）具有着火迅速、前期 NOx生成量大、燃尽效果好的特征，而与之对应的高阶煤（低挥发分）着火较慢、前期燃烧程度小、燃尽时间长。通过从不同挥发分煤的燃烧过程和NOx污染物的生成规律可知，高挥发分煤是较理想的工业锅炉燃料，以挥发分高限定燃料品质不具有科学依据。