CN102913936A

CN102913936A - 一种提高O2/CO2气氛下煤粉燃烧性能且降低NOx生成的方法

Info

Publication number: CN102913936A
Application number: CN2012104138825A
Authority: CN
Inventors: 顾明言; 马标; 张雨航; 刘旭辉
Original assignee: Anhui University of Technology AHUT
Current assignee: MAANSHAN ANGONG UNIVERSITY INTELLIGENT EQUIPMENT TECHNOLOGY INSTITUTE Co.,Ltd.
Priority date: 2012-10-26
Filing date: 2012-10-26
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2032-10-26
Also published as: CN102913936B

Abstract

本发明公开了一种提高O₂/CO₂气氛下煤粉燃烧性能且降低NO_x生成的方法，属于煤粉高效低污染燃烧领域。本发明将平均粒径在20微米以下的超细煤粉与平均粒径为70~90微米的普通粒径煤粉在O₂/CO₂气氛下混合燃烧，超细煤粉的混合质量百分比为10%~40%，超细煤粉中的挥发分质量百分比>15%，在不增加O₂/CO₂中O₂浓度前提下，采用超细煤粉与普通粒径煤粉混合燃烧，使得超细煤粉颗粒快速升温，超细煤粉中挥发分快速析出，煤粉周围形成了较高的还原性气氛并消耗掉氧气，形成局部低氧区，使得既提高了煤粉自身燃烧特性，同时又抑制了煤粉燃烧过程中NO_x的生成，其运行成本大大低于全部采用超细煤粉燃烧的运行成本。

Description

一种提高O2/CO2气氛下煤粉燃烧性能且降低NOx生成的方法

技术领域

本发明属于煤粉高效低污染燃烧技术领域，更具体地说，涉及一种提高O₂/CO₂气氛下煤粉燃烧性能且降低NO_x生成的方法。

背景技术

降低CO₂和NO_x的排放已成为全世界共同关注的问题。近年来，O₂/CO₂ 煤粉燃烧技术被认为是一种能够同时控制CO₂、SO₂和NO_x三种污染物的新型燃烧技术，已引起国内外学术界和工业界的高度重视。但研究发现，煤粉在O₂/CO₂气氛下燃烧易出现燃烧不稳定、燃烧不完全的现象。因此，该技术仍处于研究阶段，还没能得到广泛地应用。

为了改善煤粉在O₂/CO₂气氛下燃烧不稳定及燃烧不完全的情况，现有技术中常采用提高O₂/CO₂气氛中的O₂浓度的方法。但是，大量研究表明，为了提高燃烧着火和稳定性而提高O₂/CO₂气氛中的O₂浓度并不是一个理想的途径。O₂浓度在促进着火燃烧和降低NO_x的生成的作用方面是互相矛盾的。一方面，O₂浓度的提高可以改善着火燃烧条件，稳定燃烧；而在此同时也改善了NO_x的生成条件，使得NO_x生成量增加。

探寻同时实现提高O₂/CO₂气氛下煤粉燃烧特性且能降低NO_x的生成途径十分必要。从煤粉燃烧NO_x生成的机理来看，燃煤过程排放的NO_x主要是燃料型NO_x。煤粉中含N化合物析出并形成的中间产物如NH_i、HCN等，在氧化气氛下生成NO_x，而在低氧或还原气氛下，转变为N₂，因此要避免煤粉在燃烧初期遇到高浓度氧。已有的技术如高浓度煤粉燃烧、分级燃烧、浓淡燃烧等技术等，都是在煤粉燃烧初期，利用燃烧器结构或煤粉本身浓度的变化，使煤粉燃烧实现偏离化学当量比燃烧，在煤粉燃烧初期挥发分析出阶段形成局部还原性气氛，从而降低含N化合物向NO_x的转变。这些技术的关键在于改变煤粉周围的气氛，但对煤粉的燃烧过程特别是着火过程没有本质的改变，只是降低了燃煤过程中NO_x的生成，因此，这些技术在O₂/CO₂气氛下的着火稳定性也值得进一步的研究，以解决煤粉在O₂/CO₂气氛下燃烧不稳定及燃烧不完全的问题。

单一超细煤粉燃烧技术研究表明，由于其着火燃烧快的特性，同时大量析出挥发分并燃烧，可以降低NO_x的生成，同时，由于煤粉粒径小，燃烧所需时间短，研究结果表明超细煤粉应用于煤粉NO_x再燃中是十分有效的。此外，现有专利技术中已有相关技术方案表明，超细煤粉与普通粒径煤粉的混合燃烧，能够保证普通粒径煤粉在煤粉品质变动和锅炉负荷降低时稳定燃烧，如中国专利申请号96122237.9公开的技术方案。目前，针对超细煤粉和普通粒径煤粉的混合研究一般只停留在提高煤粉燃烧性能上，且一般认为超细煤粉配入的质量百分比越高，对提高燃烧性能的效果越明显，对于如何在提高煤粉燃烧性能的同时降低燃煤过程中NO_x的生成，尚未有相关研究结果表明。

发明内容

发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有技术中煤粉在O₂/CO₂气氛下燃烧易出现燃烧不稳定、燃烧不完全的现象，以及燃煤过程中NO_x的生成问题，提供一种提高O₂/CO₂气氛下煤粉燃烧性能且降低NO_x生成的方法，本发明在不增加O₂/CO₂中O₂浓度前提下，采用超细煤粉与普通粒径煤粉混合燃烧的工艺，既提高了煤粉自身燃烧特性，同时又抑制了煤粉燃烧过程中NO_x的生成。

技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种提高O₂/CO₂气氛下煤粉燃烧性能且降低NO_x生成的方法，将平均粒径在20微米以下的超细煤粉与平均粒径为70~90微米的普通粒径煤粉在O₂/CO₂气氛下混合燃烧，其中超细煤粉的混合质量百分比为10%~40%，超细煤粉中的挥发分质量百分比为>15%。超细煤粉比例之所以如此选择，是因为在O₂/CO₂气氛下，一定比例的超细煤粉快速着火，其释放的热量可以提高煤粉颗粒温度至400K，从而为提高煤粉整体性能着火燃烧创造了条件。若超细煤粉比例大于40%，虽然煤粉燃烧着火整体性能已大大提高，而超细煤粉的磨制成本比较高，增加了运行成本，因此把10%~40%作为混合质量百分比。同时本发明的实施效果主要依赖于超细煤粉的挥发分易析出性且煤粉燃烧初期挥发分析出阶段形成局部还原性气氛，这就要求煤粉挥发分含量不能过低，根据对现有煤种挥发分含量的比较，要求所选超细煤粉挥发分含量不能低于15%，该挥发分含量保证了在燃烧初期煤粉颗粒周围的还原气氛，从而抑制煤粉中含N物质向NO_x的转换，降低了NO_x的生成。

优选地，所述的超细煤粉的混合质量百分比为20%~30%。

优选地，所述的超细煤粉的平均粒径为5~20微米。

有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

本发明的一种提高O₂/CO₂气氛下煤粉燃烧性能且降低NO_x生成的方法，将超细煤粉与普通粒径煤粉在O₂/CO₂气氛下混合燃烧，平均粒径在20微米以下的超细煤粉与平均粒径为70~90微米的普通粒径煤粉相比，由于超细煤粉的比表面积为普通粒径煤粉比表面积的3.5~4.5倍以上，超细煤粉升温速率可以提高3.5~4.5倍以上，使得超细煤粉颗粒快速升温，其含有的挥发分快速析出燃烧，放出的热量提高了煤粉周围气氛的温度，为普通粒径煤粉稳定燃烧创造了良好的条件，提高了煤粉整体燃烧的稳定性；且超细煤粉中挥发分的快速析出和燃烧，在煤粉周围形成了较高的还原性气氛并消耗掉氧气，形成局部低氧区，从而有效抑制了煤粉燃烧过程中析出含N化合物向NO_x的生成，实现低NO_x的排放，本发明中通过工艺参数的设置，巧妙地将提高煤粉整体燃烧的稳定性和抑制煤粉燃烧NO_x生成之间的协同作用应用到混合燃烧中，其中超细煤粉的混合质量百分比为10%~40%，超细煤粉中的挥发分质量百分比为>15%，这是实现混合燃烧协同作用的必要条件，当采用本发明的混合比且控制超细煤粉中的挥发分质量百分比时，能够显著提高煤粉燃烧在O₂/CO₂气氛下着火性能，NO_x排放也较普通粒径煤粉燃烧的要低，且从运行成本来看，低于全部采用超细煤粉燃烧的运行成本。

附图说明

图1为实施例1和实施例2中超细煤粉与普通粒径煤粉不同混合比例时的着火温度关系图；

图2为实施例3和实施例4中的煤粉燃烧器的结构示意图；

图3为实施例3和实施例4中燃烧器中心轴面上出口处NO的浓度分布图。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例1

本实施例中的超细煤粉采用平均粒径为20微米的神华煤，普通粒径煤粉采用平均粒径为74微米的神华煤，采用德国耐驰公司生产的STA-449C热分析仪对神华煤的工业分析如表1所示。

表1 神华煤的工业分析（mass/%）

名称	水分	灰分	挥发分	固定碳
					神华煤（SH）	4.80	5.00	31.90	58.30

选用本实施例的超细煤粉10%（质量百分比）与普通粒径煤粉90%（质量百分比）在O₂/CO₂气氛下混合燃烧，其中O₂/CO₂气氛中O₂的质量百分比为23.3%。

实施例2

本实施例中采用的平均粒径为20微米的超细煤粉以及平均粒径为74微米的普通粒径煤粉同实施例1，不同之处在于：本实施例中超细煤粉30%（质量百分比）与普通粒径煤粉70%（质量百分比）在O₂/CO₂气氛下混合燃烧。

实施例1和实施例2的燃烧特性参数如表2所示，其中对比例采用平均粒径为74微米的普通粒径煤粉单独燃烧试验。

表2 不同混合比例下煤粉的燃烧特性参数

从表2的燃烧特性参数可以看出：当向平均粒径为74μm普通粒径煤粉加入10%（质量百分比）超细煤粉后，煤样的最大失重速率温度提前，从441℃提前到440℃，着火点从401℃提前到394℃，当超细煤粉比例增加到30%时，最大失重速率出现在438℃，着火点提前到392℃。说明在O₂/CO₂气氛下，平均粒径为74μm的普通粒径煤粉中加入平均粒径为20μm的超细煤粉后混合燃烧，其着火点降低，表明煤粉着火提前，易于达到着火温度而燃烧。

图1为平均粒径为20μm的超细煤粉与平均粒径为74μm的普通粒径煤粉不同混合比例煤粉的着火温度关系图。从图中可以看出，随着20μm超细煤粉的增加，着火温度趋于下降的趋势，当平均粒径为20μm的超细煤粉从0%增加到20%时，着火温度快速下降，而当平均粒径为20μm的超细煤粉在20%~60%比例时，着火温度变化较小，当平均粒径为20μm的超细煤粉比例继续增加时，着火温度又快速下降，所以综合运行成本与着火温度的改善问题，本发明将超细煤粉的混合质量比确定为10%~40%，同时该混合比的工艺下能够显著降低NO_x生成。

实施例1和实施例2在提高了煤粉燃烧性能的同时，煤粉燃烧污染物生成也得到了有效控制。在O₂/CO₂气氛下燃煤过程排放的NO_x主要是燃料型NO_x，超细煤粉由于比表面积大，颗粒升温快，挥发分析出快易于着火燃烧的特性，混合燃烧过程中煤粉颗粒中质量-热量传递速率和化学反应速率均有所改变，影响NO_x污染物的生成。

实施例3

本实施例对一煤粉燃烧器（如图2所示）内混合煤粉燃烧过程进行计算研究，其中一次风携带煤粉喷入燃烧室，另外有二次风助燃。本实施例以平均粒径为20μm的超细煤粉10%（质量百分比）与平均粒径为70μm的普通粒径煤粉90%（质量百分比）在O₂/CO₂气氛下混合燃烧。其中煤粉成份分析见表3。燃烧工况见表4。

表3 实施例3中煤种成份分析

表4 实施例3和实施例4的燃烧工况

实施例4

本实施例中采用的平均粒径为20微米的超细煤粉以及平均粒径为70微米的普通粒径煤粉同实施例3，不同之处在于：本实施例中超细煤粉30%（质量百分比）与普通粒径煤粉70%（质量百分比）在O₂/CO₂气氛下混合燃烧。

实施例3和实施例4中燃烧器内煤粉着火及稳定燃烧条件得以改善。通过煤粉着火快慢来反映煤粉着火性能。煤粉燃烧着火温度约在700K左右，计算表明，当只采用平均粒径为70μm普通粒径煤粉单独燃烧时，燃烧器中心轴面上入口处附近温度为353K，沿着中心轴线方向上温度慢慢上升，温度为700K时距入口距离为0.27m；实施例3中加入10%（质量百分比）的平均粒径为20μm的超细煤粉后，混煤燃烧温度场在距入口0.25m处达到700K；实施例4中加入30%（质量百分比）的平均粒径为20μm的超细煤粉后，混煤燃烧温度场在距入口0.13m处达到700K。所以，采用超细煤粉混煤燃烧后，燃烧器中心线上温度达到700K时距入口距离大大缩短，表明超细煤粉的添加有利于煤粉的着火燃烧。

对燃烧器中氧浓度分布进行分析，燃烧器入口处氧浓度值最大，并随着煤粉燃烧氧浓度降低，在温度最大值处的氧浓度值较低，氧浓度的降低是因为煤粉挥发分、残炭的燃烧所造成的。采用平均粒径为70μm的普通粒径煤粉时，沿着中心轴线方向上在距入口处0.375m处氧体积浓度达到最低值0.0012；实施例3中加入10%（质量百分比）的平均粒径为20μm的超细煤粉后，混煤燃烧氧浓度场场在距入口0.35m处达到0.0012；实施例4中加入30%（质量百分比）的平均粒径为20μm的超细煤粉后，混煤燃烧氧浓度场在距入口0.2m处达到0.0012。所以，燃烧器中心线上随着普通粒径煤粉中超细煤粉的加入，低氧浓度区也逐渐前移，则说明超细煤粉的加入使得煤粉燃烧提前。

在O₂/CO₂气氛下，采用平均粒径为70μm的普通粒径煤粉时，中心轴面上距入口0.05m处CO₂体积浓度是0.705，出口处CO₂体积浓度是0.859；实施例3中加入10%（质量百分比）的平均粒径为20μm的超细煤粉后，中心轴面上距入口0.05m处CO₂体积浓度是0.710，出口处CO₂体积浓度是0.864；实施例4中加入30%（质量百分比）的平均粒径为20μm的超细煤粉后，中心轴面上距入口0.05m处CO₂体积浓度是0.724，出口处CO₂体积浓度是0.868。所以，燃烧器中心轴面上距入口0.05m处CO₂体积浓度随着超细煤粉比例的增加逐步升高，出口处CO₂体积浓度均高于0.86，属于高CO₂浓度，CO₂作为煤粉燃烧主要产物，说明采用超细煤粉后煤粉燃烧加快、提前。

超细煤粉燃烧初期，挥发分首先受热析出燃烧，而挥发分的主要成分是CH₄，通过CH₄浓度分布来看出煤粉燃烧快慢，采用平均粒径为70μm的普通粒径煤粉时，沿着中心轴线方向上在距入口处0.254m处开始挥发析出，在0.384m处CH₄体积浓度达到最大值6.8×10^-4；实施例3中加入10%（质量百分比）的平均粒径为20μm的超细煤粉后，混煤在在距入口0.254m处开始挥发析出，在0.36m处CH₄体积浓度达到6.8×10^-4，并在0.384m处达到最大值11.8×10^-4；实施例4中加入30%（质量百分比）的平均粒径为20μm的超细煤粉后，混煤在在距入口0.115m处开始挥发析出，在0.24m处CH₄体积浓度达到最大值24.3×10^-4。所以，采用超细煤粉后，煤粉的挥发分析出提前，最大挥发浓度值增加，表明超细煤粉的加入促使煤粉着火燃烧提前，同时，挥发分的快速析出抑制了NO_x的生成。

图3是实施例3和实施例4中燃烧器中心轴面上出口处NO的浓度分布。煤粉平均粒径为70μm时燃烧器出口处NO浓度为605ppm；实施例3中加入10%（质量百分比）平均粒径为20μm的超细煤粉后，NO出口浓度由605ppm降低为590ppm；实施例4中加入30%（质量百分比）平均粒径为20μm的超细煤粉后，NO出口浓度降低为520 PPM。所以，随着超细煤粉的加入，整个区域内NO浓度逐步降低，出口处NO浓度降低，表明超细煤粉的添加有效减少煤粉污染物的生成。

实施例5

本实施例采用平均粒径为5微米的超细煤粉与平均粒径为90微米的普通粒径煤粉在O₂/CO₂气氛下混合燃烧，其中超细煤粉的质量百分比为20%，本实施例中的超细煤粉中的挥发分质量百分比为15%。

本实施例中O₂/CO₂中O₂浓度与空气中O₂的浓度基本相同，但是值得说明的是，本发明中的混煤燃烧气氛中O₂的比例不限于23.3%，混煤燃烧可适用于其它气氛下的燃烧，如：在普通空气中、在富氧后的O₂/CO₂气氛中等。

实施例6

本实施例采用平均粒径为10微米的超细煤粉与平均粒径为80微米的普通粒径煤粉在O₂/CO₂气氛下混合燃烧，其中超细煤粉的质量百分比为40%，本实施例中的超细煤粉中的挥发分质量百分比为35%。

本发明中超细煤粉和普通粒径煤粉可以是非同类型的煤粉种类，也可以是同类型的煤粉种类。且本发明中的超细煤粉也可以采用非煤粉类的超细固体燃料替代。

实施例5和实施例6在提高煤粉燃烧性能和降低NO_x生成的效果基本同实施例4所述，燃烧特性得到明显改善，如煤粉发热量为29700KJ/KG，当挥发分含量大于15%时，质量百分比为10%~40%的超细煤粉混合燃烧后，普通粒径煤粉燃烧温度可快速提高400K，从而提高煤粉燃烧的着火性能，起到稳燃效果，且NO_x排放低。

Claims

1.一种提高O₂/CO₂气氛下煤粉燃烧性能且降低NO_x生成的方法，其特征在于：将平均粒径在20微米以下的超细煤粉与平均粒径为70~90微米的普通粒径煤粉在O₂/CO₂气氛下混合燃烧，其中超细煤粉的混合质量百分比为10%~40%，超细煤粉中的挥发分质量百分比>15%。

2.根据权利要求1所述的一种提高O₂/CO₂气氛下煤粉燃烧性能且降低NO_x生成的方法，其特征在于：所述的超细煤粉的混合质量百分比为20%~30%。

3.根据权利要求2所述的一种提高O₂/CO₂气氛下煤粉燃烧性能且降低NO_x生成的方法，其特征在于：所述的超细煤粉的平均粒径为5~20微米。