在我国煤炭资源结构中, 褐煤、弱黏煤等低阶煤占比巨大。低阶煤具有煤化程度低、挥发分高、发热量低、水分高等特点, 若直接作为燃料, 不仅能耗高、而且污染物排放量大。以低阶煤为原料, 通过低温热解技术将其分解为气、液、固等三相物质, 可实现低阶煤的清洁高效梯级利用, 具有十分重要的经济价值。生物质气是由生物质在高温下热解或气化产生, 具有燃料来源广、碳排放低等优点, 是典型的清洁燃料。刘玉华等人^[1]在循环流化床预热燃烧系统中实验研究了煤粉预热气中CO/CO₂比例对后续燃烧和排放的影响。朱书骏等人^[2]研究了神木煤半焦的预热燃烧特性, 结果表明, 预热过程中焦炭氮有35%被还原成氮气, 是预热燃烧降低NO_x排放的主要原因。于旷世等人^[3]在循环流化床工业气化炉上进行了神华煤及混煤掺烧运行实验, 结果表明, 该锅炉运行稳定, 未出现结渣流失等现象, 同时氮转化率高达85.1%, 煤气热值为5.59 MJ/m³。杨章宁等人^[4]以生物质气为再燃燃料, 在50 kW下行炉上进行了生物质气与贫煤、烟煤掺烧实验, 结果表明, 生物质气与煤粉耦合掺烧可以降低NO_x排放, 且其与烟煤掺烧相比与贫煤掺烧的降氮效果要好。张小桃等人^[5]通过数值模拟研究了燃煤耦合生物质气燃烧时, 生物质气喷口位置对锅炉燃烧和NO_x排放的影响。

为了更清楚了解煤热解气和生物质气耦合煤粉在锅炉燃烧中的差异, 本文研究掺烧不同组分气体条件下锅炉NO_x的排放规律。

(1) 基于能量守恒原则, 以锅炉额定工况下的入炉燃煤热值Q_boiler为守恒标准, 按热值确定掺烧比例ω, 用煤热解气或生物质气替代, 进行煤-气混合掺烧。计算公式为

$Q_{\text {boiler }}=Q_{\text {coal }}+Q_{\text {gas }}$

(1)

$\begin{aligned} \omega=\frac{Q_{\text {gas }}}{Q_{\text {boiler }}}=\frac{Q_{\text {gas }}}{Q_{\text {coal }}+Q_{\text {gas }}}=\\ \frac{V_{\text {gas }} \cdot Q_{\text {net, ar-gas }}}{B_{\text {coal }} \cdot Q_{\text {net, ar-coal }}+V_{\text {gas }} \cdot Q_{\text {net, ar-gas }}} \end{aligned}$

(2)

式中: Q_coal——入炉煤的总热值, MJ;

Q_gas——入炉气的总热值, MJ;

Q_{net, ar-gas}——单位体积的入炉气热值, MJ/m³;

Q_{net, ar-coal}——单位质量的入炉煤热值, MJ/kg;

V_gas——入炉气体积, m³;

B_coal——入炉燃煤质量, kg/s。

(2) 设锅炉燃气喷口的总面积为S, 入炉燃气速

度为v_gas, 则

$v_{\text {gas }}=\frac{V_{\mathrm{gas}}}{S}$

(3)

采用浓淡分离直流型燃烧器和同心反切燃烧技术组织燃烧的某330 MW亚临界锅炉的结构、计算模型及相关边界条件可参考文献[6]。炉膛的宽度、深度、高度分别为14 022 mm, 13 640 mm, 54 500 mm, 坐标原点在冷灰斗底部截面中心。实际计算过程中, 掺烧比例ω=10%, 入炉燃煤质量B_coal=37.74 kg/s, 过量空气系数α=1.15。燃烧过程中, 取锅炉E层的4个喷口作为掺烧煤热解气或生物质气的入口; 入炉燃气体积及燃气喷口速度可根据燃气热值的不同计算所得。煤质分析、煤热解气组分^[7]和不同生物质组分^[8]分别见表 1、表 2和表 3。计算进行了网格无关性验证, 将实验结果和数值结果进行了比较^[6], 吻合较好。

图 1为掺混气体燃烧与原煤燃烧对比, 其中图 1(a)是原煤燃烧、掺烧煤热解气和生物质气的炉膛温度曲线。

由图 1(a)可知: 在0~12.5 m范围内, 温度迅速从950 K升高至1 350 K; 之后温度上下波动, 在25 m处达到1 425 K左右。在25~40 m范围内, 温度值较为稳定且下降速度较为缓慢。在40 m及以上高度, 温度值下降较快, 从1 275 K降至1 100 K。另外, 在10~25 m高度范围内, 原煤燃烧工况下的温度值比掺烧工况下的温度值稍微高些, 而在25~40 m高度范围内, 正好相反。原因是E层的燃气喷口位于炉膛高度Z=20 m。由图 1(b)可知, 锅炉炉膛内的挥发分主要集中在10~20 m范围内析出, 喷入燃气后, 使得该喷口之上的高度区域的炉膛温度值高于原煤燃烧工况。挥发分质量分数存在2个峰值, 第1个峰值大于第2个峰值, 这说明挥发分不是均匀、一次性地析出。由图 1(c)可知, 在20 m以下范围, 原煤燃烧工况下CO质量分数从3.75%降低至1%, 掺烧煤热解气的CO质量分数缓慢增至1%左右。在20~30 m范围内, 三者的CO质量分数都增加了约0.7%, 但原煤燃烧工况的值高于掺烧煤热解气和生物质气的工况值。煤热解气和生物质气本身就含有CO, 但相比于原煤燃烧, 掺烧煤热解气或生物质气的CO质量分数反而较低, 原因是CO本身既可以参与燃烧, 又可以促进NO_x的还原, 都会消耗CO, 而在掺烧工况下, CO更多地参与了燃烧过程。

图 2为原煤燃烧、掺烧煤热解气和生物质气的NO_x浓度变化。

由图 2(a)可知, 在20 m及以下范围内, 原煤燃烧工况下的NO_x浓度值低于掺烧工况下的NO_x浓度值; 而在20 m以上高度, NO_x浓度值正好相反。这是因为煤热解气和生物质气中含有CO, CH_i等还原性的物质, 可以促进NO_x的还原。在32.5 m以上高度, 原煤燃烧工况的NO_x值远大于掺烧工况条件下的NO_x值, 而煤热解气和生物质气掺烧条件下的NO_x值相差不大。由图 2(b)可知, 原煤燃烧工况的烟道出口处NO_x浓度值为244.2 mg/m³, 比掺烧煤热解气时的NO_x浓度值高出44.7 mg/m³, 比掺烧生物质气时的NO_x浓度值高出28.1 mg/m³。

图 3是不同组分的生物质气掺烧对NO_x排放的影响。

生物质气的组分有差异, 热值也不同, 所以入炉气的流量也不同。由图 3可知, 生物质气的组分差异对NO_x生成及排放有影响。生物质气4的NO_x浓度值最高, 约为227.5 mg/m³, 生物质气1的NO_x浓度值最低, 约199.4 mg/m³。这是因为生物质气4的组分中CH_i含量最低, 而生物质气1的组分中CH_i最高, CH_i是促进NO_x还原的主要反应基元之一。与原煤燃烧相比, 掺烧生物质气都可降低NO_x排放, 是因为掺烧生物质气不仅可直接节省锅炉燃煤量, 而且可强化对NO_x的还原作用。

本文从掺烧煤热解气和生物质气2个方面分析了锅炉燃烧NO_x排放规律, 发现与原煤燃烧相比, 掺烧煤热解气或生物质气均可降低锅炉NO_x排放量。烟道出口处, 原煤燃烧工况的NO_x浓度值为244.2mg/m³, 掺烧煤热解气时的NO_x浓度值为199.5 mg/m³, 掺烧生物质气时的NO_x浓度值为216.1 mg/m³。燃气组分中CH_i基元成分越高, NO_x排放值越低。