煤的高挥发分是有利于锅炉燃烧效率提高的解析

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。