電力用煤燃燒污染物協(xié)同析出與排放特性研究.pdf

1、能源與環(huán)境是當今社會發(fā)展的兩大問題。我國是煤炭大國，電力生產(chǎn)以燃煤火力發(fā)電為主。燃煤引起的煤煙型煙霧污染是我國大氣污染的主要來源。嚴格控制燃煤污染物排放，實現(xiàn)燃煤的高效低污染燃燒，具有重大的社會經(jīng)濟效益和環(huán)保效益。本文以山東電力用煤為研究對象，采用試驗研究、理論分析和模擬計算相結(jié)合的研究方法，結(jié)合大型電站鍋爐實際運行測試數(shù)據(jù)，對電力用煤燃燒過程中硫、氮污染物的協(xié)同析出與排放特性進行了專門研究，以指導工程實踐。 由于煤的燃燒特性直

2、接影響到燃燒過程中污染物的析出與排放特性，因此文中首先在熱重分析儀上研究了電力用煤的燃燒特性，探討了煤質(zhì)特性對煤的著火特性、穩(wěn)燃特性、燃盡特性的影響規(guī)律，并對混煤的燃燒特性進行了重點探討。結(jié)果表明：對單一組分煤種，隨著煤階的增加，煤的活性下降，揮發(fā)分初始析出溫度升高，著火溫度增大，最大燃燒失重速率對應溫度升高，固定碳燃盡率下降，穩(wěn)燃指數(shù)減小，煤的著火及燃盡性能變差。對于各組分煤種燃燒性能相近的混煤，燃燒過程參數(shù)介于各組分煤種之間，且隨著

3、組分煤種摻混比例的增加，混煤越多地表現(xiàn)出該組分煤種的燃燒特性，但不同組分煤種的影響程度不同；對于各組分煤種燃燒性能差別較大的混煤，其燃燒特性變化與組分煤種差別較大，單一煤種的穩(wěn)燃指數(shù)均高于混煤，總體上使混煤的著火燃燒特性變差?；烀旱娜紵匦耘c各組分煤種的燃燒特性之間并不是簡單的線性疊加關(guān)系。 在煤粉燃燒試驗平臺、熱重分析儀、高溫反應器上較為系統(tǒng)地研究了電力用煤燃燒過程中硫、氮污染物的生成與排放特性。詳細研究了不同煤種的煤粉在燃燒

4、過程中硫污染物(SO<,2>、H<,2>S)和氮污染物(NO、NO<,2>)的生成機理和析出特性，并進一步探討了不同煤種的煤質(zhì)特性和運行工況參數(shù)對硫、氮污染物析出排放的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，SO<,2>的析出濃度曲線呈現(xiàn)出較為明顯的“雙峰”結(jié)構(gòu)，這是由于煤中的低溫硫和高溫硫在不同階段析出形成的；對于不同的煤種，煤中低溫硫和高溫硫的析出速率并不相同。H2S的析出濃度曲線也呈現(xiàn)出“雙峰”結(jié)構(gòu)，但峰值出現(xiàn)時間提前。一般煤中含硫量越高，SO<,2

5、>的析出濃度越大，但高揮發(fā)分煤中硫的析出較低揮發(fā)分煤中硫的析出提前。煤粉粒徑增加，火焰中心H<,2>S濃度明顯增加，SO<,2>生成量減少，硫析出時間變長；增加過量空氣系數(shù)，可加快硫的析出，SO<,2>濃度較高，而H<,2>S濃度降低較大；隨氧濃度增加，硫總體析出時間縮短。一、二次風比例增加，H<,2>S濃度降低，SO<,2>濃度增大。貼壁風可消除局部區(qū)域的還原性氣氛，使H2S濃度大幅下降；CO的存在使SO<,2>的析出速率、析出量明顯

6、降低，而H<,2>S的析出速率、析出量增加，硫的總轉(zhuǎn)化率低于空氣氣氛下的數(shù)值：隨溫度升高，硫析出時間縮短，最終析出量增加。煤粉燃燒過程中氮的析出可分為前期快速生成和后期緩慢釋放兩個階段，并具有“雙峰”結(jié)構(gòu)。NOx主要在煤粉著火過程中產(chǎn)生，煤中含氮量越高，NO濃度越高，但其轉(zhuǎn)化率隨含氮量的增加而降低；在含氮量相同時，揮發(fā)分含量越大，NO排放濃度越高；隨著煤化程度加深，NO濃度降低；煤中氧氮比越大，氮析出速率越高，氮析出量也越多。煤粉越細，

7、NO轉(zhuǎn)化率越小，細煤粉可達到較低的NO排放濃度；煤的濕度增加，可降低NO的排放量；過量空氣系數(shù)增加，NO生成量增加；一、二次風比例變化對NO的生成影響非常明顯，加入貼壁風可使NO濃度降低；由于CO對NO具有還原作用，使NO的生成減少。燃料氮的析出具有中溫生成特性，在700℃～800℃時氮的析出量最大。NO<,2>的生成量與燃燒溫度及其前驅(qū)物NO的濃度密切相關(guān)，溫度升高時，NO<,2>大量分解；當NO濃度增加時，NO<,2>的濃度相應增大

8、。 綜合考慮燃燒過程中硫、氮成分的相互作用與相互影響，對煤粉燃燒過程中硫、氮污染物的協(xié)同作用規(guī)律進行了探索性研究，重點探討了煤中不同形態(tài)硫?qū)Φ龀龅挠绊懸?guī)律以及不同氣氛下SO<,2>對NO生成的影響規(guī)律，同時對煤粉燃燒過程中氮對煤中硫析出的影響規(guī)律進行了初步探討。結(jié)果表明：煤中硫的不同形態(tài)對氮的析出特性有較大影響，單質(zhì)硫主要影響NO的析出峰值和峰寬，并且這種影響與煤種有關(guān)；黃鐵礦硫?qū)Φ龀鲇酗@著影響，貧氧工況下煤中黃鐵礦可以抑制

9、煤半焦還原NO，有利于NO的生成。反應氣氛不同，SO<,2>對氮析出特性的影響差異明顯，隨著SO<,2>濃度的提高，在氧化性氣氛下NO生成量明顯減少，而在還原性氣氛下NO生成量卻明顯增加。NO影響煤中硫的析出特性，使得煤中硫的析出釋放提前，SO<,2>初始生成濃度增加。并且隨煤中揮發(fā)分含量的不同，SO<,2>析出特性表現(xiàn)出不同的規(guī)律。同時還發(fā)現(xiàn)溫度對硫、氮污染物析出過程中的協(xié)同作用也有影響。對混煤燃燒過程中硫、氮污染物的協(xié)同析出與排放特

10、性進行了試驗研究，探討了硫、氮污染物析出與排放過程中組分煤種的協(xié)同作用，以及摻入不同煤種對混煤燃燒硫、氮污染物析出與排放特性的影響規(guī)律。發(fā)現(xiàn)多組分煤種摻混燃燒可促進低溫硫的析出，在高硫煤中摻燒低硫煤能夠降低SO<,2>的最終排放量?；烀篠O<,2>的析出濃度和最終析出率基本符合各組分煤種的加權(quán)計算值，且單組分煤種在混煤中所占比例越大，其析出特性就越接近該組分煤種；而H2S的析出濃度則不同，可高于或低于組分煤種的加權(quán)計算值?；烀喝紵龝rNO

11、<,x>的生成量與煤中的氮含量基本呈線性關(guān)系；混煤氮的析出曲線一般具有“雙峰”結(jié)構(gòu)，峰值區(qū)域較寬；混煤氮的析出時間、析出濃度基本位于各組分煤種之間，但與其加權(quán)平均值有一定差異。溫度對混煤燃燒氮的析出特性有較大影響，在溫度較低時氮析出曲線只形成單峰結(jié)構(gòu)，當溫度較高時才形成雙峰結(jié)構(gòu)，并且溫度越高曲線的雙峰結(jié)構(gòu)越突出，氮析出量也越大。 利用數(shù)學模型來模擬和預測大型電站鍋爐燃煤污染物的析出與排放特性。根據(jù)煤粉燃燒特點和污染物的生成特性，

12、運用多相流動、傳熱傳質(zhì)、湍流燃燒和污染物生成等方面的有關(guān)理論和多種數(shù)學模型以及相應的數(shù)值計算方法，對不同煤種在不同工況下爐內(nèi)燃燒過程及污染物的生成排放規(guī)律進行數(shù)值模擬，得到了爐內(nèi)速度場、溫度場以及氣相濃度場等的分布規(guī)律。結(jié)果表明：在模擬的燃燒工況條件下，整個爐膛內(nèi)部湍流強度都比較強烈，煤粉氣流的混合非常好，火焰充滿度高，有利于煤粉的著火燃燒與燃盡；火焰在燃燒器區(qū)域附近爐膛中心形成最高溫度區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)生成的燃料型NOx和熱力型NO<,

13、x>濃度都最高；減少二次風量，提高燃盡風量可使爐膛內(nèi)燃燒器區(qū)域的最高溫度降低，使高溫區(qū)域向爐膛上部移動，NO<,x>的生成濃度降低。根據(jù)模擬計算的結(jié)果，結(jié)合鍋爐實際運行數(shù)據(jù)，提出了優(yōu)化燃燒、減少污染物排放的技術(shù)措施。建立軟儀表測量模型，實現(xiàn)大型電站鍋爐燃煤硫、氮污染物生成濃度的精確預估和在線測量。采用基于超閉球CMAC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的軟測量技術(shù)，在對超閉球CMAC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的原理、結(jié)構(gòu)、算法進行深入探討的基礎(chǔ)上，提出了大型電站鍋爐燃煤污染物生成

14、濃度的軟測量模型。在模型中，采用通用著火特性指標F<,z>和煤中的含硫量S<,ar>、含氮量N<,ar>，來描述煤質(zhì)特性，以反映煤質(zhì)特性對硫、氮污染物析出特性的影響；采用爐膛溫度T和爐膛出口氧濃度C<,o<,2>>(或過量空氣系數(shù)α<,l>)來反映爐內(nèi)燃燒條件對硫、氮污染物析出特性的影響；通過對樣本數(shù)據(jù)的訓練與學習，得到燃煤硫、氮污染物生成濃度的軟測量模型。對于混煤，模型中除各組分煤種的煤質(zhì)參數(shù)和爐內(nèi)燃燒條件參數(shù)外，同時包含了混煤的摻混

15、比。在模型中也體現(xiàn)了硫、氮污染物在生成過程中的協(xié)同作用。計算仿真結(jié)果表明，采用CMAC(小腦模型)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立軟儀表測量模型可實現(xiàn)大型電站鍋爐燃煤硫、氮污染物生成濃度的精確預估和在線測量，有效地指導運行人員進行燃燒調(diào)整，以控制污染物的超標排放。 綜上所述，本文從煤的燃燒特性研究入手，較為全面地研究了煤燃燒過程中硫、氮污染物的析出與排放特性以及硫、氮的協(xié)同作用規(guī)律，并對混煤燃燒硫、氮污染物析出與排放過程中組分煤種的協(xié)同作用進行