中国煤炭燃烧和NOx排放特性评价.PDF

中国煤炭燃烧和N O x 排放特性评价 目的 选择山西省的一些煤炭进行特征研究 与中国有关单位合作选派中国大学和研究所的 研究人员到英国帝国理工医学院 I C S T M 进行培 概述 了解中国煤炭的燃烧特性对英国有关工业部门 图1 粉煤在平焰喷器中燃烧 在中国开发市场很重要同时掌握中国煤炭在英国燃煤锅炉中的燃烧特征也有助于增强英 国电力公司从中国购买发电用煤的信心 我们选择了七种中国煤进行燃烧性能实验这些煤的变质程度从无烟煤至烟煤实验工作 主要根据经验进行观测采用了下列先进燃烧技术平焰湍喷器 F F T J 直管燃烧炉 D T F 热重分析仪 T G A 和高温燃烧炉 F F T J 和 D T F 技术是用于确定煤的脱挥发分性能而 F F T J 技术是用于模拟该过程开始几毫秒的状态 D T F 技术也用于制备半焦半焦的活性利用 热重分析仪测定了解半焦的活性对确定整个燃烧炉的设计和燃烧效率至关重要 研究结果表明与一些英国煤炭相比中国煤炭的氮含量低结渣性良好本研究项目对被 实验煤的燃烧性能 N O X 排放和结渣性进行了正确评价 英国向中国进行了技术转让名中国研究人员到帝国理工医学院进行了3 个月的学习协 助实验工作学习如何使用有关设备 该技术潜在的用户 粉煤发电设备的企业和制造商 费用 本项目的总费用为5 3 4 4 3 英镑其中英国贸工部出资2 2 2 7 7 英镑其余费用由本项目的 工业协作单位承担 时间 1 5 个月1 9 9 8 年7 月至1 9 9 9 年1 0 月 项目承担单位 I C S T M 帝国理工医学院 M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g D e p a r t m e n t 机械工程系 L o n d o n S W 7 2 B X U K 电话0 1 7 1 5 9 4 7 2 4 4 协作单位 英国 A B B 燃烧服务公司 英国东部发电有限公司 英国 P o w e r G e n 有限公司电力技术中心 中国太原理工大学 背景 1 9 9 7 年英国贸工部组织的一个贸易代表团到中国进行访问与中国山西省的一些院校建 立了联系在访问期间英国代表认识到对中国煤炭的燃烧特性进行研究有利于英国工业 部门在中国开发市场同时掌握中国煤炭在英国燃煤锅炉中的燃烧特征也有助于增强英国 电力公司从中国购买发电用煤的信心 对新煤种进行燃烧性能测试的最现实办法是对这些煤进行一系列实验并保证实验中煤粒 的燃烧条件与工业燃烧设备中煤粒的燃烧条件相当目前有许多研究煤的燃烧性能的成熟技 术这些技术自然可用来实验所选样的中国煤的燃烧性能 有关如何使用实验技术来确定煤炭燃烧性能的技术转让也是整个研究项目不可缺少的一部 分为此太原理工大学的一名科研人员到英国帝国理工医学院进行了为期3 个月的培训 协助实验工作学习有关设备的使用方法 煤样选择和制备 中国用于发电的高变质程度煤主要分布在山西省山东省安徽省河北省和辽宁省本 项目从山西省选择了七种煤样这些煤样煤变质程度分布范围广干燥无灰基挥发分为 6 5 63 4 0 4表1 列出了所有被实验煤的工业分析和元素分析结果英国的T h o r e s b y 煤和南非R e i t s p r u i t 煤也包括在该表中用来在结渣性实验中作参照 表1 实验用煤的工业分析和元素分析结果 注热值数据来自 J a i n 和 S u n d a r a j a n , 1 9 8 1 年 d a f 干燥无灰基; d b 干燥基; a r 分析基 将l 千克煤样在8 0 下干燥1 2 个小时在开始实验之前需要先将2 5 c m 的块煤磨碎采 用旋转式磨棒机进行煤样研磨作业将三种直径不同 1 0 m m 1 5 m m 2 0 m m 和3 0 m m 的棒和粗粒 煤放入磨煤机磨煤机转速为6 0 转分钟研磨5 分钟然后将煤样通过一个振动筛振动 筛的最大孔径为2 1 2 m 通不过振动筛的煤粒返回到磨煤机重新进行研磨然后再通过振 动筛此过程不断循环直到所有被研磨的煤样通过振动筛为止经过上述工艺处理后得到 的煤样为粉煤其中7 0 的煤粒直径小于7 5 m 研磨过后煤样可在室温条件下放置2 天然后采用M a l v e r n 设备公司制造的激光衍射仪分 析煤样的粒度分布状况 实验技术 脱挥发分研究 如图2 所示在煤样脱挥发分和燃烧实验的 早期阶段采用F F T J 装置来研究煤样的燃烧 性能和N O X 排放状况该装置可模拟煤粒加热 速率最大温度和紊流液内部反应对挥发分 析出过程的影响这些重要的模拟结果是大 规模生产设备中存在的情形采用常规的实 验室实验手段不可能获得同样的模拟效果 获得这些重要的模拟结果可以更好地解释实 验设备中不能预测的煤的燃烧性能滞留时 间较长时脱挥发分模拟过程在直管燃烧炉 中进行 直管燃烧炉可能是最常用的研究粉煤燃烧 时脱挥发分的小型实验设备一般地最高 温度和滞留时间分别达到1 5 0 0 和1 5 0 0 毫 秒挥发分产物和挥发性氮半焦氮的分离 过程可以根据总重量损失和测定的剩余半焦 中的氮含量确定直管燃烧炉也可用来制备 图2 F F T J 技术的工艺流程图 半焦进行半焦活性实验 半焦活性 半焦活性是需要确定的种半焦的重要特性可用于评价整个燃烧炉的燃烧效率半焦活 性实验是在热重分析仪中进行的将1 0 m g 半焦样品放入热重分析仪中然后在氮气环境中对 其以每分钟4 0 的升温速度加热直到半焦的温度达到9 0 0然后注入空气半焦进行燃 烧记录下半焦的重量随时间而减少的变化关系 结渣性 一般地发电企业通过利用煤的全部积渣 量来计算经验参数从而预测特定煤的积渣 程度这些预测值不完全可靠发电企业希 望利用示范厂测试设备来研究煤样并通过 肉眼来观察积渣现象这种实验成本昂贵 一种解决办法是在小型的高温燃烧炉中实验 煤样图3 显示了这种燃烧炉本研究将中国 煤炭的结渣性与英国T h o r e s b y 煤和南非 R e i t s p r u i t 煤进行了比较英国发电企业熟 悉后两种煤的燃烧性能 图3 高温燃烧炉 实验结果 中国的各种煤中神府S F 煤的研磨硬度最大而西山1 号X S 1 煤和西山2 号X S 2 煤的研磨硬度最小表2 例出了所选煤样属于的出硬度类别最容易研磨的煤划归为1 类最 难所研磨的煤划归为5 类 表2 中国煤炭的粒度分析 左表中的粒度范围定义为 脱挥发分研究 在平焰喷器中只进行了挥发分较高的 出煤样实验图4 显示了实验中获得的 挥发分脱除速度横坐标为滞留时间 毫秒纵坐标为燃尽百分比 平朔P S 煤显示出点火延迟时间为 4 毫秒而神府煤开始释放挥发分时不 存在可测量的点火延迟时间燃烧1 0 毫 秒之后神府煤开始减少重量而平朔 煤已经达到了它的最终重量这说明神 府煤煤粒在不良燃烧环境下燃烧不均 匀而平朔煤煤粒在同样燃烧条件下将 熄灭西山1 号煤的点火延迟时间约4 毫 秒但其初始的重量损失速度比平朔煤 要慢得多 图4 F F T J 实验时获得的挥发分脱除速度 初始挥发分脱除速度时决定火焰稳定性得一个因素据此神府煤和平朔煤在煤量少时将 比西山1 号煤有更好得火焰稳定性神府煤早期得重量损失可能是由于在低温时生成焦油造 成的 出于挥发分含量较低阳城 Y C 煤阳泉 Y Q 煤晋城 J C 煤和西山2 号煤不适于采用 F F T J 技术实验它们的燃烧特性而只适用在直燃烧炉中进行实验 当滞留时间较长时晋城煤西山1 号煤和平朔煤燃烧生成的挥发分较多滞留时间较短 时神府煤比平朔煤以更快的速度释放挥发性氮但当滞留时间较长时平朔煤释放挥发性 氮的速度却比神府煤快般地挥发分脱除过程中氮释放速度越慢表明半焦中剩余的氮 越多N O x 排放量也越少 另外通过对直管燃烧炉中的煤样挥发分脱除性能的分析表明根据燃烧程度煤样可以分 为三类在燃烧温度为1 3 0 0 和滞留时间为3 0 0 毫秒的同样条件下晋城煤西山1 号煤和平 朔煤属于高燃尽类 燃尽百分比为6 0 西山2 号煤和神府煤属于中等燃尽类 燃尽百分比为 4 0 阳泉煤和阳城煤为低燃尽类 半焦活性 图5 显示了不同半焦活性的煤的不同燃烧性 能图中反映的是半焦样品中总可燃物的含 量随燃烧时间而发生的标准重量损失变化关 系 研究表明神府煤平朔煤和晋城煤的半 焦性活性最高其次是西山1 号煤挥发分 含量最低的阳泉煤和阳城煤的半焦活性最 低 图5 山西省煤的半焦活性 结渣性 燃煤锅炉中发生的与灰分有关的问题决定于积渣的数量化学成分燃烧和操作条件进 行结渣性实验时所有所有被实收购煤的换作条件保持个变, 用肉眼观测到的积渣的数量 层 厚 形态 细粒或粗粒 和粘度 清除的难易程度 等被记录下来 在小型高温燃烧炉中燃烧七种中国煤和T h o r e s b y 煤R e i t s p r u i t 煤之后我们发现神府煤 的结渣性最强煤样的结渣性是根据已知的T h o r e s b y 煤和R e i t s p r u i t 煤的工业用参数进行分 级的阳泉煤和阳城煤的结渣性比T h o r e s b y 煤弱但比R e i t s p r u i t 煤强西山1 号煤和西山2 号煤的结渣性比T h o r e s b y 煤略弱但晋城煤的结渣性比T h o r e s b y 煤略强平朔煤的结渣性比 西山1 号煤和西山2 号煤弱但比阳泉煤和阳城煤强 结论 由于神府煤具有初始挥发分和氮氧化物释放速度快初始氮含量低半焦活性高等特性 因此当它在工业锅炉中燃烧时其在氮氧化物 N O x 排放火焰稳定性和燃烧效率等方面将 会表现出良好的燃烧性能但在所实验的煤样中神府煤的结渣系数最高 平朔煤的初始脱挥发分速度相当快尽管在脱挥发分的早期阶段其氮氧化物的释放速度较 慢但这可在延长滞留时间后得以改善同时平朔煤有良好的结渣性表明该种煤在N O x 排放和设备总燃烧效率之间可达到折衷效果 由于西山1 号煤比西山2 号煤的脱挥发分速度快半焦活性高和结渣性好因此西山1 号煤 比西山2 号煤的燃烧性能好 晋城煤的灰分含量高显示出良好的脱挥发分性能和高半焦活性因此其燃烧效率较高 阳城煤和阳泉煤的脱挥发分速度慢半焦活性较低因此其N O x 排放量较少燃烧效率较 低但是这两种煤存在的结渣问题最少 与英国的一些煤炭相比中国煤炭的氮含量较低结渣性较好本研究成果可用于正确评 价被实验煤的燃烧效率N O x 排放和积渣性能有利于这些煤在工业部门得到有效的利用 欲获取有关洁净煤技术项目资料和有关出版物请与以下地址联系 R o s h a n K a m a l l L o c a t i o n 1 1 2 4 D e p a r t m e n t o f T r a d e a n d I n d u s t r y 1 V i c t o r i a S t r e e t L o n d o n S W 1 H O E T T e l 4 4 0 2 0 7 2 1 5 6 2 6 1 F a x 4 4 0 2 0 7 2 1 5 2 6 7 4 E - m a i l r o s h a n . k a m a l h e n d . d t i . g o v . u k W e b h t t p / / w w w . d t i . g o v . u k / e n t / c o a l 煤炭信息研究院负责英国洁净煤技术项目资料的 翻译出版及散发欲获得本项目资料及有关出 版物或洽谈合作请联系 煤炭信息研究院 洁净能源与环境中心 胡予红 主任 北京朝阳区芍药居3 5 号中煤信息大厦1 0 0 0 2 9 T e l 0 1 0 8 4 6 5 7 8 0 6 F a x 0 1 0 8 4 6 5 7 8 0 6 E m a i l c e e c p u b l i c 3 . b t a . n e t . c n W e b h t t p / / w w w . c o a l i n f o . n e t . c n 专题 D e p a r t m e n t o f T r a d e a n d I n d u s t r y 项目概述 2 3 6 英国贸工部 2 0 0 0 年1 月