半工业性循环流化床
1.2
6.4
80.3
小型循环流化床
67
焦炭B
小型循环流化床
0.94
4.8
81.9
小型循环流化床
46
3.2.2 氮转化率评价法 在该方法中,煤氮和焦炭氮的转化率是从两个燃烧实验中分别得出的,挥发分氮的转化率由煤氮和焦炭氮转化率的差值计算,见式(1)。但该差值是否能代表煤燃烧时煤中挥发分氮的转化率,单独制备好的焦炭能否代表煤燃烧过程中形成的焦炭,迄今的文献均未给出相关数据和论证。本文试图对此进行分析讨论。 在煤燃烧过程中,煤中氮将分成挥发分氮和焦炭氮两部分。设每100g煤中氮含量为Ncoalg,挥发分氮占煤氮量的份额为Fv,焦炭氮量占煤氮量的份额为Fc,且Fv+Fc=1,则挥发分氮量Nvg和焦炭氮量Ncg分别为
Nv=Ncoal.Fv (6) Nc=Ncoal.Fc (7)
由转化率的定义可以得出煤氮、挥发分氮和焦炭氮的转化量(转化为N2O的氮量)分别为
Ncoal′=Ncoal.fcoal (8) Nv′=Nv.fv (9) Nc′=Nc.fc (10)
式中 Ncoal′为煤氮的转化量,g;Nv′为挥发分氮的转化量,g;Nc′为焦炭氮的转化量,g。 从理论上讲,煤氮的转化量应是挥发分氮的转化量与焦炭氮的转化量之和,即
Nv′+Nc′=Ncoal′ (11)
对任何煤种进行燃烧实验,其结果都应满足式(11)。 假设由煤热解制备的焦炭可以代表煤燃烧过程中形成的焦炭,并且假定前者氮的转化率fc可以代表后者氮的转化率,挥发分氮的转化率fv也可以用式(1)计算,那么,将式(1)代入式(9),并将式(6)和式(7)分别代入式(9)和式(10),则Nv′和Nc′可以表示为
Nv′=Ncoal.Fv.(fcoal-fc) (12)
Nc′=Ncoal.Fc.fc (13)
如果利用式(8)、(12)、(13)分别计算出的Ncoal′、Nv′和Nc′能够满足式(11),则前面的假设就是合理的,否则,假设将难以成立。 表4是对两种煤及其焦炭进行燃烧实验的主要结果。利用式(8)、(12)、(13)及表4的数据,计算了燃烧100g煤(为计算方便,以100g煤为计算基准)时,煤中氮的数量及其在挥发分和焦炭中的分布以及氮的转化量,结果列于表5。由表5可见,对DE10煤来说,每100g煤中含1.4g氮,其中挥发分氮占0.074g,焦炭氮占1.326g。不难算出,焦炭氮转化量(0.154g)与挥发分氮转化量(0.016g)之和,小于煤氮的转化量(0.463g),计算结果不能满足式(11)。对DE53煤来说,也可得到类似的结果。表6为另外4个煤种的计算结果,所有煤种的焦炭氮和挥发分氮的转化量之和也都小于煤氮的转化量,与表5情况一致。这些实验数据及计算结果均不支持前面的假设。
表4 两种原煤及其焦炭的主要参数及燃料氮转化率数据① Tab.4 Main experimental data of two coals and chars
煤种
煤氮含量 /(wt%daf)
进入挥发分 的煤氮 Fv/%
留在焦炭中 的煤氮 Fc/%
氮的转化率/%
fcoal②
fc②
fv③
DE10
1.4
5.3
94.7
33.1
11.6
21.5
DE53
0.6
23.2
76.8
10.9
1.6
9.3
注:①数据取自文[4];②燃烧试验温度1073K时的转化率数据,焦炭制备(脱挥发分)温度也为1073K;③由式(1)计算。
是否对任何煤种,其挥发分氮转化量Nv′与焦炭氮转化量Nc′之和都小于煤氮转化量Ncoal′呢我们可做如下论证 将式(12)与式(13)相加,得
Nv′+Nc′=Ncoal.Fv(fcoal-fc)+Ncoal.Fc.fc= Ncoal.fcoal.[Fv(1-fc/fcoal)+Fc.fc/fcoal]
考察上式可以发现,只有当
[Fv(1-fc /fcoal)+Fc.fc /fcoal]=1
才有 Nv′+Nc′=Ncoal.fcoal=Ncoal′ 因为 0<fc/fcoal<1和 0<(1-fc/fcoal)<1 所以 [Fv(1-fc/fcoal)+Fc.fc/fcoal]<Fv+Fc=1 亦即 [Fv(1-fc/fcoal)+Fc.fc/fcoal]<1 因此 Nv′+Nc′<Ncoal′ 这表明,对任何煤种,其挥发分氮与焦炭氮的转化量之和总是小于煤氮转化量。 综合上述计算和论证的结果,可以认为,由原煤热解制备的焦炭不能代表煤燃烧过程中形成的焦炭,用式(1)计算挥发分氮的转化率是不准确的。 从表5还可看出,对DE10煤来说,煤氮转化量(0.463g)与焦炭氮转化量(0.154g)之差为0.309g,而挥发分氮量仅为0.074g,即使全部转化,其转化量也不到0.309g。所以,在这0.309g中,除了应有挥发分氮的贡献外,还应有焦炭氮的贡献,并且焦炭氮的贡献应在0.235g(0.309-0.074)以上。所以,对DE10煤来说,在煤燃烧过程中形成的焦炭,其氮的实际转化量应当远不只是0.154g,而应在0.389g(0.154+0.235)以上,其氮的转化率也并非仅是11.6%,而应在29.3%(0.389/1.326)以上。
表5 燃烧100g煤时,煤中氮在挥发分和焦炭中的分布及燃料氮转化量计算结果 Tab.5 Calculated results of distribution of coal-N between volatile-N and char-N as well as amount of fuel-N converted to N2O
煤种
煤氮量/g
煤氮的分布/g
氮转化量/g
煤氮转化量与焦炭氮 转化量的差值
焦炭氮量
挥发分氮量
煤
焦炭
挥发分
DE10
1.4
1.326
0.074
0.463
0.154
0.016
0.309
DE53
0.6
0.461
0.139
0.065
0.007
0.013
0.058
与DE10煤相似,对表6中BE30煤和GB04煤来说,煤氮和焦炭氮的转化量之差也都大于挥发分氮量,因此,在煤燃烧过程中形成的焦炭,其氮的实际转化量也应当大于表中给出的数值。
表6 燃烧100g煤时,煤氮在焦炭和挥发分中的分布及燃料氮转化量计算结果 Tab.6 Distribution of coal-N between char-N and volatile-N as well as amounts of fuel-N converted to N2O
煤种
煤氮量/g
留在焦炭中 的煤氮/%
煤氮分布/g
氮转化量/g
煤氮转化量与焦炭氮 转化量的差值
焦炭氮
挥发分氮
煤
焦炭
挥发分
BE 30
1.7
98
1.666
0.034
0.292
0.062
0.005
0.230
GB 04
0.9
96
0.864
0.036
0.189
0.138
0.002
0.051
DE 38
1.7
82
1.394
0.306
0.255
0.046
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