低阶煤热解半焦的燃烧特性和NO_x排放特性试验研究

我国已探明的煤炭储量中,低阶煤(褐煤／次烟煤)占55%以上。在过去的几十年内我国的能源利用率相对偏低,对低阶煤的利用方面主要用于燃烧或气化,效率低、污染物和碳排放量大。长期以来一直没有合适的技术手段实现低阶煤的清洁高效利用,如何实现低阶煤的梯级综合利用,成为我国迫切需要解决的重要课题。针对低阶煤的利用现状,中国科学院战略性先导科技专项提出了以低阶煤热解为先导的煤炭资源化清洁高效综合利用技术路线,煤热解产生的热解气和焦油将作为高品位原料实现利用,热解后产生的大量细颗粒半焦(0-10 mm)不适合做原料,只能通过燃烧的方式进行发电实现其高效利用。循环流化床燃烧技术具有广泛的燃料适应性,而0-10 mm粒度的燃料正适合在流化床锅炉中进行燃烧发电。为了实现半焦的清洁、高效利用,需要掌握半焦在循环流化床中的燃烧和排放特性。本文首先研究了半焦的基础理化特性,并利用热重-质谱联用对半焦的燃烧和排放特性进行初步探索。之后在不同规模的大型循环流化床试验台上研究半焦的流动、燃烧和污染物排放及脱除特性,同时,探索开展了循环流化床半焦燃烧超低NOx排放试验研究。相比原煤,半焦的孔隙结构更加发达。神木烟煤和神木半焦中有四种不同形态的氮,分别为N-6、N-5、N-Q和N-X,不含胺类物质。神木半焦中的N-X、N-Q相对含量增加,N-6和N-5相对含量减少。热重-质谱数据表明,神木烟煤和神木半焦燃烧过程中NOx前驱物主要是NH3和HCN,HCN的生成量要高于NH3。神木烟煤燃烧过程中含氮气体生成量明显高于神木半焦,气体析出时间更早,气体析出时间段对应的温度区间更宽。半焦在流化床中的流态化特性和输运特性都较好,且能在燃烧炉炉膛内形成上下均匀的温度场。随燃烧炉温度升高,密相区和稀相区表观颗粒浓度趋于均匀,床料的流态化特性增强。一／二次风配比对燃烧炉温度的影响没有很强的规律性；从温度分布均匀性看,随着一次风率增大,温度分布更均匀。与冷半焦燃烧工况相比,热半焦燃烧以及煤热解燃烧后耦合工况下时炉膛的温度分布更均匀。神木半焦相比于神木烟煤,存在着火延迟、燃烧稳定性差、燃烧效率低及燃尽性差等问题,而这些问题随着燃烧温度的升高都有明显改善。神木半焦燃烧时对温度的敏感性更强。燃用神木半焦时,燃烧温度应至少在900℃以上。在流化床燃烧温度区间内,NOx排放值随着燃烧温度的升高而降低,这是首次在中试规模循环流化床试验台上得到的结论。采用旋风分离器入口喷还原剂的选择性非催化还原(SNCR)脱硝技术,可有效的降低烟气NOx排放浓度,氨水溶液脱硝效率优于尿素溶液。探索了实现NOx超低排放的技术方案,在新型循环流化床上试验台上开展了神木半焦燃烧NOx超低排放试验研究,包括高层配风、低氧燃烧和后燃燃烧技术方案。高层配风对于NOx的减排作用有限,距离100 mg/m3达标排放还有一定距离,脱硝效率在30%左右。半焦低氧燃烧时NOx排放浓度大幅降低,但是燃烧效果很差,燃烧效率非常低。采用炉膛缺氧,后燃室后燃的技术方案可以使NOx排放值降低到100 mg/m3以下,最低可以到51 mg/m3,实现了NOx的超低排放,同时保证了较高的燃烧效率,燃烧效率在98.6%以上。焦炭N转化为NOx过程不是瞬间完成的,而是逐步释放的,最终生成的NOx是在后燃室中未燃尽飞灰中的氮与空气中的氧反应生成的。