司 碩，譚 波，劉忠攀，王傳志，盧曉明，田原宇

(1.兗礦集團(tuán)潔凈煤技術(shù)工程研究中心，山東 濟(jì)寧 273599；2.兗礦科技有限公司，山東 濟(jì)南 250100；3.中國石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266580)

我國每年能源消費(fèi)40多億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，煤炭能耗占比下降至60%左右，其中鍋爐用燃煤(含建材窯爐和供熱供暖鍋爐等)大約7.5億t[1]。工業(yè)層燃爐因技術(shù)成熟、造價(jià)低、運(yùn)行穩(wěn)定、操作簡單等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于煤炭、化工、冶金、建材等行業(yè)，在供熱、供氣領(lǐng)域起著特別重要的作用[2]。工業(yè)層燃爐容量小，但數(shù)量多，污染物排放總量大，是造成大氣污染的重要因素之一。

為解決工業(yè)層燃爐污染物減排問題，賈靖華[3]等對熱解鏈條爐模擬計(jì)算的結(jié)果表明，在一定條件下熱解氣再燃燒可以使煙氣中的NOx排放降低約14.6%。中國科學(xué)院過程工程所提出的適用于中小型燃煤鍋爐低NOx排放的熱解氣化再燃燒技術(shù)，利用煤樣的熱解氣和部分氣化氣的還原性氣氛還原半焦燃燒過程中產(chǎn)生的NOx，以達(dá)到抑制NOx排放的目的[4-5]。王海苗[6]等研究了預(yù)燃低氮燃燒技術(shù)在工業(yè)鏈條排爐中的應(yīng)用，結(jié)果顯示該技術(shù)可降低鍋爐原始NOx排放36.7%。劉忠攀[2]等開展了工業(yè)燃煤鏈條排爐煙氣凈化的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示在120～135℃煙氣流經(jīng)催化劑后，NOx脫除率大于80%，SO2脫除率大于95%，PM脫除率大于60%。

為探索工業(yè)層燃爐節(jié)能減排新路線，中國石油大學(xué)(華東)提出了分級熱解氣化技術(shù)，基于該技術(shù)路線，兗礦集團(tuán)與中國石油大學(xué)(華東)合作，將該技術(shù)與工業(yè)層燃爐耦合。本文詳細(xì)介紹了分級熱解氣化燃燒技術(shù)耦合工業(yè)層燃爐實(shí)驗(yàn)情況，驗(yàn)證了該技術(shù)用于工業(yè)層燃爐的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

分級熱解氣化裝置原理示于圖1。由圖1可知，煤進(jìn)入該裝置后，首先進(jìn)行分級熱解，然后進(jìn)行氧化，最后進(jìn)行燃燒。煤通過干燥裂解層時(shí)進(jìn)行分級熱解，釋放出大量揮發(fā)分氣體，煤炭變?yōu)榘虢?，并伴有NH3、HCN生成；通過氧化層時(shí)，半焦燃燒生成大量CO，同時(shí)部分NH3、HCN被氧化為NO，混合可燃煙氣經(jīng)過燃燒層時(shí)，NO被CO等還原性氣體還原為N2，半焦燃燒剩余的殘?zhí)吭谌急M層燃盡后，氣化殘?jiān)懦觥?/p>

圖1 分級熱解氣化裝置原理

實(shí)驗(yàn)用工業(yè)層燃爐型號DZL1.4-85/60-M，額定熱功率1.4 MW，設(shè)計(jì)熱效率79.13%，額定燃料消耗255 kg/h。實(shí)驗(yàn)人員對該鍋爐給料系統(tǒng)進(jìn)行了分級熱解氣化與工業(yè)層燃爐耦合技術(shù)改造。

1.2 工藝流程

潔凈型煤由煤倉給料裝置輸送至分級熱解氣化裝置后，在分級熱解區(qū)位置貧氧的環(huán)境下，進(jìn)行分解熱解，熱解溫度分別控制在400～600 ℃和600～900 ℃；揮發(fā)分析出，釋放出大量還原性氣體，同時(shí)部分氮元素以NH3和HCN形式析出。熱解后的煤和釋放出的氣體同時(shí)向下進(jìn)入氣化區(qū)，保持該區(qū)域溫度在1000～1100 ℃，向氣化區(qū)內(nèi)通入氣化劑，使煤發(fā)生氣化反應(yīng)，生成大量CO，在該區(qū)域形成還原性氛圍；NH3和HCN經(jīng)過氣化區(qū)時(shí)，遇O2生成NO；NO在高溫煤焦的作用下，與CO、H2等還原性氣體發(fā)生反應(yīng)，生成N2。熱解氣化氣進(jìn)入爐膛燃燒，殘?zhí)歼M(jìn)入爐膛，在爐排上煅燒燃盡，同時(shí)為可燃?xì)怏w提供燃燒環(huán)境。

煙氣經(jīng)防火裝置、凈化裝置處理后，由引風(fēng)機(jī)抽至煙囪排出。工藝流程見圖2。

圖2 工業(yè)層燃爐實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程

1.3 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)原料采用兗礦集團(tuán)壓制的潔凈型煤，潔凈型煤工業(yè)分析見表1。

表1 潔凈型煤工業(yè)分析

1.4 煙氣監(jiān)測方法

煙囪上裝有一套北京雪迪龍科技有限公司生產(chǎn)的CEMS，包括煙氣預(yù)處理系統(tǒng)、采樣分析系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，可同時(shí)測量O2、CO、CO2、NO、NO2、SO2、煙塵等組分。為確保測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性，同時(shí)采用便攜式紅外煙氣分析儀對煙氣排放進(jìn)行不定期監(jiān)測。

2 結(jié)果及討論

2.1 增設(shè)分級熱解氣化裝置對NOx排放的影響

表2為安裝分級熱解氣化裝置前后層燃爐NOx排放質(zhì)量濃度平均值。安裝熱解氣化裝置后，NOx平均排放質(zhì)量濃度由274 mg/m3降至175 mg/m3，降低幅度達(dá)到36.1%。

表2 安裝熱解氣化裝置前后層燃爐排放NOx平均質(zhì)量濃度

大量研究[7-8]已表明，熱解氣通過高溫煤焦層時(shí)，在還原性氛圍下，NOx能夠被還原劑(H2、CO等)還原為N2?？梢姡旨墴峤鈿饣诿喝紵^程中能夠從源頭上降低NOx的生成。

2.2 氣化風(fēng)量占總風(fēng)量比例對NOx排放指標(biāo)的影響

圖3顯示氣化風(fēng)量占總風(fēng)量比例對NOx排放指標(biāo)的影響。由圖3可知，氣化風(fēng)量占總風(fēng)量5%時(shí)，分級熱解氣化裝置降氮效果最佳。這與尚校[9]的研究結(jié)果一致，即合適的氧氣濃度可以獲得最佳的脫硝效果。氧含量較低時(shí)，氧化氣化區(qū)溫度較低，不利于氣化反應(yīng)及焦油的二次裂解，且炭參加氣化的份額較低，故還原性氣體比例較低；若氧含量較高，氧化氣化區(qū)溫度高，氣化反應(yīng)強(qiáng)烈且焦油裂解產(chǎn)生的還原性氣體(CO、H2、CH4等)量增加，但還原性氣體與O2反應(yīng)生成CO2和H20，從而又降低了還原性氣體的比例。故氧含量過高或過低，均會降低脫硝效果。

圖3 不同氣化風(fēng)量對NOx排放指標(biāo)的影響

2.3 鍋爐負(fù)荷對NOx排放指標(biāo)的影響

圖4顯示鍋爐負(fù)荷對NOx排放指標(biāo)的影響。由圖4可知，層燃爐負(fù)荷越高，分級熱解氣化裝置降氮效果越好。原因分析為，爐具負(fù)荷越高，燃料煤在裝置內(nèi)氣化燃燒越劇烈，煤焦層溫度越高，且生成的還原性氣體量越多，濃度越高，越有利于提高降氮效率。

圖4 層燃爐不同負(fù)荷對NOx排放指標(biāo)的影響

2.4 分級熱解氣化裝置對燃盡率的影響

圖5為安裝分級熱解氣化裝置前后底渣燒失量對比。安裝分級熱解氣化裝置后，底渣燒失量平均值由22.23%降至3.81%，降幅達(dá)82.86%。未安裝分級熱解氣化前，爐門處觀測火勢，火焰位置在第二風(fēng)室中部位置，第三風(fēng)室處仍有大量紅炭存在；如提高負(fù)荷，火焰位置會隨之向后拱推移，紅炭在爐排上的停留時(shí)間縮短，造成底渣燒失量高。安裝分級熱解氣化裝置后，火焰位置在第一風(fēng)室前端前拱處，煤在分級熱解氣化裝置內(nèi)揮發(fā)分已析出進(jìn)入爐膛燃燒，部分固定碳在該區(qū)域內(nèi)氣化生成可燃?xì)怏w進(jìn)入爐膛燃燒，剩余炭在爐排上燃盡，殘?zhí)吭跔t排上的停留時(shí)間大大延長，是底渣燒損量低的主要原因。

圖5 安裝分級熱解氣化裝置前后層燃爐底渣燒失量

3 結(jié) 論

(1)分級熱解氣化技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)層燃爐，選擇合適的氣化風(fēng)量，能達(dá)到最佳NOx排放效果，氣化風(fēng)量增大或降低均會影響NOx排放效率；最佳時(shí)NOx原始排放對比改造前可降低36.1%。

(2)分級熱解氣化技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)層燃爐，可提高燃料煤燃盡率，相比改造前，底渣燒失量可降低82.86%，利用率更高，更經(jīng)濟(jì)。