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(dāng)今社會(huì)發(fā)展的兩大問(wèn)題。我國(guó)是煤炭大國(guó)，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(guó)大氣污染的主要來(lái)源。嚴(yán)格控制燃煤污染物排放，實(shí)現(xiàn)燃煤的高效低污染燃燒，具有重大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。本文以山東電力用煤為研究對(duì)象，采用試驗(yàn)研究、理論分析和模擬計(jì)算相結(jié)合的研究方法，結(jié)合大型電站鍋爐實(shí)際運(yùn)行測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)電力用煤燃燒過(guò)程中硫、氮污染物的協(xié)同析出與排放特性進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)研究，以指導(dǎo)工程實(shí)踐。 由于煤的燃燒特性直

2、接影響到燃燒過(guò)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(duì)煤的著火特性、穩(wěn)燃特性、燃盡特性的影響規(guī)律，并對(duì)混煤的燃燒特性進(jìn)行了重點(diǎn)探討。結(jié)果表明：對(duì)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(duì)應(yīng)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(duì)于各組分煤種燃燒性能相近的混煤，燃燒過(guò)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(duì)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(jiǎn)單的線性疊加關(guān)系。 在煤粉燃燒試驗(yàn)平臺(tái)、熱重分析儀、高溫反應(yīng)器上較為系統(tǒng)地研究了電力用煤燃燒過(guò)程中硫、氮污染物的生成與排放特性。詳細(xì)研究了不同煤種的煤粉在燃燒

4、過(guò)程中硫污染物(SO<,2>、H<,2>S)和氮污染物(NO、NO<,2>)的生成機(jī)理和析出特性，并進(jìn)一步探討了不同煤種的煤質(zhì)特性和運(yùn)行工況參數(shù)對(duì)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(duì)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(shí)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(shí)間變長(zhǎng)；增加過(guò)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(shí)間縮短。一、二次風(fēng)比例增加，H<,2>S濃度降低，SO<,2>濃度增大。貼壁風(fēng)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(shí)間縮短，最終析出量增加。煤粉燃燒過(guò)程中氮的析出可分為前期快速生成和后期緩慢釋放兩個(gè)階段，并具有“雙峰”結(jié)構(gòu)。NOx主要在煤粉著火過(guò)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(shí)，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(xì)，

7、NO轉(zhuǎn)化率越小，細(xì)煤粉可達(dá)到較低的NO排放濃度；煤的濕度增加，可降低NO的排放量；過(guò)量空氣系數(shù)增加，NO生成量增加；一、二次風(fēng)比例變化對(duì)NO的生成影響非常明顯，加入貼壁風(fēng)可使NO濃度降低；由于CO對(duì)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(shí)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(shí)，NO<,2>大量分解；當(dāng)NO濃度增加時(shí)，NO<,2>的濃度相應(yīng)增大

8、。 綜合考慮燃燒過(guò)程中硫、氮成分的相互作用與相互影響，對(duì)煤粉燃燒過(guò)程中硫、氮污染物的協(xié)同作用規(guī)律進(jìn)行了探索性研究，重點(diǎn)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(duì)NO生成的影響規(guī)律，同時(shí)對(duì)煤粉燃燒過(guò)程中氮對(duì)煤中硫析出的影響規(guī)律進(jìn)行了初步探討。結(jié)果表明：煤中硫的不同形態(tài)對(duì)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(yīng)氣氛不同，SO<,2>對(duì)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(shí)還發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)硫、氮污染物析出過(guò)程中的協(xié)同作用也有影響。對(duì)混煤燃燒過(guò)程中硫、氮污染物的協(xié)同析出與排放特

10、性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，探討了硫、氮污染物析出與排放過(guò)程中組分煤種的協(xié)同作用，以及摻入不同煤種對(duì)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(jìn)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(jì)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(jì)算值?；烀喝紵龝r(shí)NO

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(shí)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(duì)混煤燃燒氮的析出特性有較大影響，在溫度較低時(shí)氮析出曲線只形成單峰結(jié)構(gòu)，當(dāng)溫度較高時(shí)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(xué)模型來(lái)模擬和預(yù)測(cè)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(diǎn)和污染物的生成特性，

12、運(yùn)用多相流動(dòng)、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(xué)模型以及相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)不同煤種在不同工況下?tīng)t內(nèi)燃燒過(guò)程及污染物的生成排放規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了爐內(nèi)速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及氣相濃度場(chǎng)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(gè)爐膛內(nèi)部湍流強(qiáng)度都比較強(qiáng)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(fēng)量，提高燃盡風(fēng)量可使?fàn)t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(dòng)，NO<,x>的生成濃度降低。根據(jù)模擬計(jì)算的結(jié)果，結(jié)合鍋爐實(shí)際運(yùn)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(cè)量模型，實(shí)現(xiàn)大型電站鍋爐燃煤硫、氮污染物生成濃度的精確預(yù)估和在線測(cè)量。采用基于超閉球CMAC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的軟測(cè)量技術(shù)，在對(duì)超閉球CMAC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的原理、結(jié)構(gòu)、算法進(jìn)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(cè)量模型。在模型中，采用通用著火特性指標(biāo)F<,z>和煤中的含硫量S<,ar>、含氮量N<,ar>，來(lái)描述煤質(zhì)特性，以反映煤質(zhì)特性對(duì)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(guò)量空氣系數(shù)α<,l>)來(lái)反映爐內(nèi)燃燒條件對(duì)硫、氮污染物析出特性的影響；通過(guò)對(duì)樣本數(shù)據(jù)的訓(xùn)練與學(xué)習(xí)，得到燃煤硫、氮污染物生成濃度的軟測(cè)量模型。對(duì)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(shí)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(guò)程中的協(xié)同作用。計(jì)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(cè)量模型可實(shí)現(xiàn)大型電站鍋爐燃煤硫、氮污染物生成濃度的精確預(yù)估和在線測(cè)量，有效地指導(dǎo)運(yùn)行人員進(jìn)行燃燒調(diào)整，以控制污染物的超標(biāo)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(guò)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(duì)混煤燃燒硫、氮污染物析出與排放過(guò)程中組分煤種的協(xié)同作用進(jìn)行