不同煤种在一维火焰燃烧过程中硫污染物排放特性研究

第29卷第5期 2004年10月

煤 炭 学 报JOURNAL OF C HINA C OAL SOCIE TY

Vol. 29 No. 5 Oct.

2004

文章编号:0253-9993(2004) 05-0594-04

不同煤种在一维火焰燃烧过程中

硫污染物排放特性研究

韩奎华, 路春美, 王永征, 刘志超, 马传利, 高 山, 杨 冬, 赵建立

250100)

11123311

(1. 山东大学能源与动力工程学院, 山东济南 250061; 2. 山东电力研究院, 山东济南 250002; 3. 山东黄台发电厂, 山东济南

摘 要:试验研究了不同煤种在一维火焰燃烧过程中硫污染物的排放特性, 发现不同煤种在相同工况下燃烧硫污染物排放特性差别很大. 燃烧温度、二次风温度、煤粉细度和过量空气系数对硫析出产物形式、浓度有较大影响. 对锅炉燃烧调整, 控制硫污染物排放, 防止水冷壁高温腐蚀有一定的指导意义.

关键词:煤; 燃烧; 硫排放; 火焰中图分类号:TQ534 文献标识码:A

Study on the characteristics of su lfurous pollutant with

different coal in one dimensional flame

HAN Kui hua 1, LU Chun mei 1, W ANG Yong zheng 1, LIU Zhi chao 2, MA Chuan li 3,

GAO Shan 3, YANG Dong 1, Z HAO Jian li 1

(1 School o f Energy and Powe r Enginee ring , Shandong U ni versity, Jinan 250061, China; 2 Shandong Electric Powe r Research Institute , Jinan 250002, China; 3 Shandong Huangtai Po wer Plant, Jinan 250100, China )

Abstract:The characteristics of sulfur release for different c oal in one dimensional flame were studied by experiments It is found that under the sa me combustion conditions obvious difference e xists in the characteristics of sulfur release in the one dimensional flame of anthracite, lean coal, bituminous coal and lignite Combustion te mperature, the temperature of the secondary air, pulverized coal fineness and e xtra air coefficient have a clear effect on the product form of sulfur re lease and concentration of sulfurous pollutant There is some action on organizing combustion in boiler, controlling the sulfur emission and preventing high temperature corrosion of water wall tubes Key words:coal; combustion; sulfur release; flame

山东电力以火力发电为主, 燃煤品种多, 质量不均一、不稳定; 受煤炭资源布局、运输条件及火电燃煤政策的影响, 许多火电机组已燃用劣质煤、混煤, 由此导致燃煤效率降低, 燃烧污染物控制难度增加, 受热面高温腐蚀[1]等问题日益突出. 因此, 研究山东各发电厂燃煤的燃烧特性、污染物排放特性, 对改燃劣质煤、混煤机组进行燃烧调整、提高机组效率、控制污染物排放、优化配煤等有重要的理论指导意义. 笔者主要研究了不同煤种在一维火焰燃烧过程中硫污染物排放特性及过量空气系数、煤粉细度对污染物排

收稿日期:2003-10-26

基金项目:山东省自然科学基金资助项目(Y2003F07); 山东电力集团公司科技项目子课题(2003A20)

作者简介:韩奎华(1978-) , 男, 山东青州人, 博士研究生. Tel:0531-8392264, E-mai l:hkh@mail sdu edu cn

第5期韩奎华等:不同煤种在一维火焰燃烧过程中硫污染物排放特性研究595

放的影响.

1 试验系统及方法

试验装置采用一维火焰燃烧试验平台(图1). 该试验平台主要由燃烧系统、数据采集和控制系统、供风制粉系统、在线烟气取样分析系统和水冷却系统等5部分构成. 燃烧系统的炉膛内径为80mm, 有效高度4m, 炉膛顶部由电阻炉加热点火, 其额定输出功率为8kW, 加热段长度1000mm, 二次风可加热温度为250~350 . 炉膛由上到下设有10个测孔, 测孔间距为0 4m, 测孔1~4装铂铑-铂热电偶, 热电偶连接仪表和控制器以测量、控制温度, 测孔5~10采用镍铬-镍硅热电偶测量温度, 通过数显仪表对各个测点温度进行实时检测. 通过取样器可从每个测孔抽取烟气, 烟气经过预处理器进行处理后再进行

成分分析. H 2S 和NO 2传感器以及MSI 或MRU 烟气分析仪分别与计算机连接, 可实现在线采集烟气分析数据. 从山东各发电厂采集入炉煤粉或入厂原煤, 包括褐煤、烟煤、贫煤、无烟煤等不同煤种(表1).

表1 煤的工业分析、元素分析及硫形态分析

Table 1 Proximate, ultimate and sulfur form analyses o f coals

工 业 分 析

煤 样梁家(LJ)北皂(BZ) 邹县(ZX) 黄台(HT)聊城(LC)峰峰(FF) 阳泉(YQ)

M ad 8 4013 012 981 141 120 691 42

A ad 22 1221 3119 5632 3127 1127 9222 63

V ad 39 7341 2433 9314 4112 746 688 91

FC ad 29 7524 4443 5352 1459 0364 7167 04

w (C a d ) 49 9148 9361 6558 9664 1864 1868 32

元 素 分 析w (Had ) 3 413 244 272 932 811 712 38

w (O ad ) 14 2311 659 991 803 213 822 61

w (N ad ) 1 381 350 870 981 201 270 76

w (S t ) 0 550 490 681 880 370 411 88

硫 组 成w (Ss ) 0 010 020 010 060 010 010 04

w (S p ) 0 130 110 381 160 220 270 84

w (S o ) 0 410 360 290 660 140 131 00

图1 一维火焰燃烧试验平台系统Fig 1 One di mensional flame experi mental sys tem

%

Q net, ar /MJ kg -118 1917 9822 5420 7023 7118 7124 62

2 试验结果分析

2 1 不同煤种燃烧过程中硫析出特性

煤中硫析出过程伴随煤热解、挥发分燃烧、焦炭燃烧经历复杂的分解与氧化反应. 燃烧温度、烟气中氧浓度、硫含量、硫的赋存形态及煤中碱性氧化物对煤燃烧硫析出过程影响较大[2, 3]. 由图2(a) 可看出, LJ 褐煤燃烧火焰中, SO 2的分布曲线没有呈现出明显的! 双峰∀结构, 而H 2S 分布却表现出较明显的! 双峰∀结构, 这与煤中硫分形态和燃烧温度有关.

两种褐煤的有机硫成分都占各自总硫分的75%左右. 根据前人的研究[4], 有机硫在低煤化度的煤中以低分子量的脂肪类有机硫为主, 而在高煤化度的煤中则以高分子量的芳香硫为主. 褐煤的煤化度较低, 所以褐煤中含有较多的脂肪硫, 该形态硫在500 以下即随挥发分大量析出, 含量较少的其它形态硫在整

596

煤 炭 学 报

2004年第29卷

图2 褐煤燃烧炉内H 2S, SO 2浓度分布曲线

Fig 2 H 2S and SO 2concentration distributions in the furnace during the li gni te combustion

火焰中心温度1200 左右; 过量空气系数 =1 2; 煤粉粒径d

个燃烧过程中陆续释放, 所以没有形成明显的! 双峰∀结构. 从图2(a) 可看出, 在火焰中心处, SO 2浓度接近最高. 由于BZ 褐煤的燃烧工况不同, 起始风粉温度比较低, 致使着火燃烧推迟, 导致入口处煤中硫以H 2S, C OS, CS 2等形式析出增多, 因而测得SO 2浓度偏低, 而后继燃烧使SO 2浓度升高(图2(b) ). 在该燃烧工况下, 燃烧初期H 2S 浓度为SO 2浓度的20%~50%.图3为烟煤、贫煤和无烟煤的SO 2浓度沿炉膛的分布情况, 由于缺少测点1, 2的数据, 使前期燃烧过程中硫的析出状

况无法比较. 但从测点3以后的数据可以看出, 黄铁矿硫含量图3 不同煤种燃烧时炉内SO 2浓度分布曲线较高的ZX 烟煤、HT 贫煤、YQ 贫煤在测点3附近和以后仍有较Fig 3 SO 2concentration distri bu tions 大量的SO 2析出, 从浓度分布曲线的峰值可以看出, ZX 烟煤由in the furnace for different coals

于受着火提前的影响, 高温硫的释放也在HT 贫煤和YQ 贫煤之火焰中心温度1300 左右; =1 2; d

2 2 燃烧工况对硫化物析出的影响

(1) 煤粉粒度的影响 煤的燃烧过程对硫的析出有重要影响. 从热力学方面分析, 煤的粒径增大, 煤粒升温速度上升较慢, 煤粒接近环境温度所需时间延长. 煤粉在炉内燃烧时, 煤粉颗粒越粗, 颗粒燃烧所需要的时间越长, 越不易燃尽, 导致火焰拖长. 当贴近水冷壁壁面燃烧时, 局部缺氧造成还原性气氛, 易促发高温腐蚀. 图4为HT 贫煤在燃烧时煤粉粒度不同对H 2S 生成的影响, 可以看出, 随粒径增加, 不仅使火焰中心处的H 2S 浓度明显增加, 也使火焰尾部依然保持较高浓度, 这与煤粉火焰分布、单个煤粒的燃烧过程以及硫的释放形式密切相关. 煤粉粒度增加, 使火焰长度增大, 燃尽时

间增加, 局部形成还原性气氛燃烧, 导致H 2S 浓度增加. 图4 不同粒径HT 贫煤燃烧时炉中H 2S 分布曲线

(2)过量空气系数的影响 过量空气系数会影响到炉内燃Fig 4 H 2S concentration di stributions in the 烧工况. 当燃烧温度较高时, 煤的燃烧反应加强, 可燃硫的燃

furnace for di fferent diameter particles of HT coal

火焰中心温度1300 左右; =1 2烧反应速度也会加快, 单位面积上氧的消耗增加. 当适当增加

氧量时, 会使硫析出反应加强, 提高氧浓度有利于煤的完全燃烧, 也可加快硫的析出[2]. 图5为过量空气系数对炉内H 2S 和SO 2浓度的影响. 当 =1 0时, SO 2和H 2S 的浓度都很高, 与同一测点相比, 可达 =1 2时的3~5倍, 除了风量增加对SO 2和H 2S 的浓度起稀释作用外, 更重要的原因是由于氧量的不足影响, 2,

第5期韩奎华等:不同煤种在一维火焰燃烧过程中硫污染物排放特性研究597

的相应浓度值相差较小, 除了风量对浓度的稀释作用外, 对硫的析出产物影响不明显

.

图5 HT 煤燃烧时过量空气系数变化对炉内S O 2, H 2S 浓度分布的影响

Fig 5 H 2S and SO 2concen tration distributions in the furnace for different extra air coefficient during HT coal combustion

火焰中心温度1300 左右; d

从实际燃烧中飞灰取样分析及测试结果表明, 一维炉内风粉混合较均匀, 但从第4测点后存在一定漏风, 致使该测点后氧浓度有明显升高. 另外, 纵观试验结果, 即使在过量空气系数 =1 2燃烧结束时也存在少量硫化氢(体积浓度为10左右) (图2, 4及图5(b) ) . 通过硫化氢分析仪测定含有SO 2的模拟烟

气试验而知, SO 2等气体对硫化氢测量存在干扰作用, 这与硫化氢传感器生产商提供的参考值相符, 试验测定干扰示数#5%(即体积浓度为100∃10-6的含SO 2烟气引起硫化氢分析仪5∃10-6的虚假指示) .

-5

3 结 论

(1) 不同煤种在一维火焰燃烧过程中硫析出特性差别较大, 这主要受煤的燃烧特性和硫的赋存形态影响. 在一维火焰燃烧、过量空气系数 =1 2、风包煤燃烧方式下, 煤燃烧初期H 2S 浓度为SO 2浓度的20%~50%.一维火焰中H 2S 分布曲线呈现! 双峰∀结构, 峰值比SO 2提前出现.

(2) 高挥发分煤硫析出较低挥发分煤中的硫提前析出. 含黄铁矿硫较高的贫煤、无烟煤在燃烧后期仍有大量硫析出, 火焰中SO 2分布曲线呈明显的! 双峰∀结构. 挥发分很低的无烟煤! 双峰∀结构不明显, 即中低温硫与高温硫析出界限不明显.

(3) 一维火焰燃烧试验表明, 煤粉粒径增加, 使燃烧火焰加长, 煤中硫以H 2S 形式析出量增加, 不仅使火焰中心H 2S 浓度明显增加, 也使火焰尾部还原性气氛加剧, 保持较高的H 2S 浓度.

(4) 试验表明, 过量空气系数 1 2时, 随 改变硫析出产物浓度变化减弱. 当 =1时, 燃烧初期的H 2S 浓度超过SO 2浓度. 参考文献:

[1] 郭鲁阳, 孙旭光, 刘志超, 等. 锅炉水冷壁高温腐蚀原因分析及预防对策[J]. 中国电力, 2000, 33(11) :17~20. [2] 岑可法, 樊建人, 池作和, 等. 锅炉和热交换器的积灰、结渣、磨损和腐蚀的防止原理与计算[M]. 北京:科学出

版社, 1994.

[3] 于洪观, 刘泽常, 王 力, 等. 煤燃烧过程中各形态硫析出规律的研究[J]. 煤炭转化, 1999, 22(3) :53~57. [4] Sinninghe J S, De Leeuw J W. Origanically bound sulphur in coal, a molecular approach [J]. Fuel Processi ng T echnology, 1992, 30

(2) :109~178.