蔡玲，畢克剛*，畢永江，耿衛(wèi)東

(1. 昆明市節(jié)能監(jiān)察支隊(duì)，云南昆明 650031；2. 楚雄州質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督綜合檢測(cè)中心，云南楚雄 675000)

隨著社會(huì)的發(fā)展，社會(huì)工業(yè)化程度逐漸加快，經(jīng)濟(jì)發(fā)展取得了較大的發(fā)展與進(jìn)步，但由此帶來的環(huán)境問題也成為了社會(huì)發(fā)展的重要問題之一[1-2]。目前，環(huán)境大氣污染問題尤為嚴(yán)重，氮氧化物(NOx)、可吸入顆粒、酸性氣體及重金屬等均會(huì)對(duì)大氣環(huán)境帶來嚴(yán)重危害[3]。NOx是一種可以直接影響人體健康的環(huán)境污染物，極易引發(fā)溫室效應(yīng)；更為嚴(yán)重的是，NOx可與空氣中的其他污染物結(jié)合，形成光化學(xué)煙霧，對(duì)環(huán)境帶來更加嚴(yán)重的危害[4]。由鍋爐排放產(chǎn)生的NOx占環(huán)境中NOx總量的40%左右[5]。因此，若要減少環(huán)境中的NOx的總量，需要嚴(yán)格控制鍋爐的NOx排放量。

大型燃?xì)忮仩t的應(yīng)用較為廣泛，燃?xì)忮仩t在油田勘探、居民取暖、城市用電等方面均發(fā)揮了重要作用，對(duì)人們的正常生活以及工業(yè)發(fā)展影響較大[6]。現(xiàn)階段我國(guó)工業(yè)中大部分鍋爐運(yùn)行的時(shí)間較長(zhǎng)，部分鍋爐超負(fù)荷運(yùn)行[7]。隨著我國(guó)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格，運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)的鍋爐已無法滿足當(dāng)前環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的要求[8]。基于環(huán)境與經(jīng)濟(jì)因素的雙重考慮，對(duì)鍋爐進(jìn)行低氮燃燒改造尤為重要[9-10]。

筆者采用理論分析與實(shí)際計(jì)算方法相結(jié)合的方式，考察了目標(biāo)燃?xì)忮仩t采用煙氣再循環(huán)技術(shù)后的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，并根據(jù)指標(biāo)對(duì)鍋爐低氮燃燒的煙氣再循環(huán)技術(shù)進(jìn)行分析，旨在為后續(xù)燃?xì)忮仩t的低氮燃燒提供科學(xué)有效的借鑒。

1 研究概況

1.1 鍋爐燃燒中NOx的生成機(jī)理

鍋爐燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生的大量的NOx，NOx是含氮化合物的總稱，常見的NOx主要包括NO、NO2、N2O以及N2O3等[11]。在實(shí)際應(yīng)用中將NOx按照生成途徑的不同主要分為3種：熱力型NOx(又稱為溫度型NOx)、快速型NOx及燃料型NOx[12]。N2與O2在高溫條件下發(fā)生氧化反應(yīng)而形成的NOx被稱為熱力型NOx[13]。通過燃料產(chǎn)生的CH原子團(tuán)撞擊N2分子，形成HCN類化合物，隨即再與空氣中的氧氣反應(yīng)生成NOx，經(jīng)該途徑生成的NOx被稱為快速型NOx[14]。燃料中的氮化合物在燃燒過程中發(fā)生熱分解，并進(jìn)一步氧化生成的NOx則被稱為燃料型NOx[15]。由于燃?xì)忮仩t在應(yīng)用時(shí)燃料中不存在氮化合物，因此實(shí)際運(yùn)行中燃?xì)忮仩t的NOx主要為熱力型NOx及快速型NOx。

快速型NOx產(chǎn)生時(shí)的環(huán)境溫度較低，一般為900～1 300 ℃，并且產(chǎn)生時(shí)間較短，在燃?xì)忮仩t的NOx中占比較少，φ約占10%[16]。在燃?xì)忮仩t的實(shí)際應(yīng)用中，熱力型NOx占比最大，φ約為90%。

大量研究表明，熱力型NOx的生成主要受溫度的影響，當(dāng)環(huán)境溫度低于1 500 ℃時(shí)，熱力型NOx的生成量較少，當(dāng)環(huán)境溫度高于1 500 ℃時(shí)，NOx的生產(chǎn)量會(huì)逐漸增多，并且溫度每升高100 ℃，熱力型NOx的生成速率會(huì)提高約6倍[17]。在燃?xì)忮仩t的實(shí)際運(yùn)行中，鍋爐內(nèi)部燃燒程度不一，爐內(nèi)溫度分布不均，因此較易出現(xiàn)局部區(qū)域熱力型NOx產(chǎn)生量較多的情況。

1.2 燃?xì)忮仩t主要結(jié)構(gòu)

該研究中燃?xì)忮仩t的主要結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 燃?xì)忮仩t結(jié)構(gòu)示意

由圖1可見：該燃?xì)忮仩t主要可以分為燃?xì)獠糠?、煙氣部分及給水部分等。煙氣主要在輻射段產(chǎn)生，經(jīng)過渡段、過熱段、對(duì)流段，最后經(jīng)煙氣出口排出。燃?xì)鈴娜細(xì)庀到y(tǒng)輸入，之后與氧化劑在鍋爐爐膛內(nèi)燃燒。給水部分則主要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行換熱，以免環(huán)境溫度過高而影響鍋爐構(gòu)筑物的安全運(yùn)行。

1.3 改造方案

常用的鍋爐分級(jí)低氮燃燒技術(shù)有煙氣再循環(huán)技術(shù)、空氣分級(jí)低氮燃燒技術(shù)、燃料分級(jí)低氮燃燒技術(shù)、鍋爐低氮燃燒技術(shù)、旋流燃燒技術(shù)及富氧燃燒技術(shù)等[18-24]。結(jié)合所研究的燃?xì)忮仩t實(shí)際情況，對(duì)比分析了不同分級(jí)燃燒方法的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)果見表1。

表1 不同分級(jí)低氮燃燒技術(shù)的對(duì)比分析

由表1可見：空氣分級(jí)低氮燃燒技術(shù)雖然應(yīng)用范圍廣泛，結(jié)構(gòu)也相對(duì)簡(jiǎn)單，但具體的減排效果較差；低氮燃燒器的減排效果較好，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，應(yīng)用條件的要求也較高，不適用于該燃?xì)忮仩t的實(shí)際情況；煙氣再循環(huán)技術(shù)的減排效果高于空氣分級(jí)低氮燃燒技術(shù)，且造價(jià)及使用成本也明顯低于低氮燃燒器技術(shù)[25-26]。綜上分析，采用煙氣再循環(huán)技術(shù)進(jìn)行煙氣低氮燃燒研究。

2 結(jié)果與討論

2.1 燃?xì)忮仩t氧化劑及煙氣體積的變化

在進(jìn)行煙氣計(jì)算時(shí)，假定燃料得到了充分燃燒，燃燒裝置采用常壓臥式燃?xì)忮仩t，額定功率350 kW，通過調(diào)節(jié)閥門保持煙氣中氧體積分?jǐn)?shù)為3.5%，使過量空氣系數(shù)維持在1.1左右。氧化劑以及煙氣中的有效成分均為O2、N2、CO2以及H2O。分別考察了在不同煙氣循環(huán)率下的氧化劑以及煙氣中有效成分的體積分?jǐn)?shù)分布情況，具體結(jié)果見圖2～3。

圖2 氧化劑中有效成分體積分?jǐn)?shù)的變化情況

由圖2可見：當(dāng)煙氣再循環(huán)率為0時(shí)，CO2以及H2O的體積分?jǐn)?shù)均為0，N2以及O2的體積分?jǐn)?shù)分別為0.745以及0.255。隨著煙氣再循環(huán)率的逐漸增加，CO2以及H2O的體積分?jǐn)?shù)逐漸升高，N2以及O2的體積分?jǐn)?shù)逐漸下降。煙氣再循環(huán)率為20%時(shí)，CO2以及H2O的體積分?jǐn)?shù)分別為0.020以及0.04，N2以及O2的體積分?jǐn)?shù)分別為0.729以及0.211。

由圖3可見：當(dāng)煙氣再循環(huán)率為0時(shí)，煙氣中CO2以及H2O的體積分?jǐn)?shù)分別為0.081和0.184；N2以及O2的體積分?jǐn)?shù)分別為0.713以及0.022；當(dāng)煙氣再循環(huán)率為20%時(shí)，CO2以及H2O的體積分?jǐn)?shù)分別為0.083和0.187；N2以及O2的體積分?jǐn)?shù)分別為0.714以及0.016。由此可知隨著煙氣再循環(huán)率的上升，在煙氣中，CO2以及H2O的體積分?jǐn)?shù)逐漸升高，但是升高幅度較小。

圖3 煙氣中有效成分體積分?jǐn)?shù)的變化情況

圖2及圖3中有效成分體積分?jǐn)?shù)產(chǎn)生變化的主要原因是煙氣的引入改變了氧化劑的組成和預(yù)混氣體的成分，進(jìn)而影響化學(xué)反應(yīng)過程，使得反應(yīng)熱釋放率發(fā)生變化，從而影響了有效成分的變化。

2.2 燃?xì)忮仩t的燃料使用量的變化

在鍋爐負(fù)荷值為50%，75%，100%，煙氣再循環(huán)率分別為0，10%，20%的條件下，分析了在使用煙氣再循環(huán)技術(shù)后燃?xì)膺^濾燃料使用量的變化，具體結(jié)果見圖4。

圖4 鍋爐燃料使用量的變化情況

由圖4可見：當(dāng)煙氣再循環(huán)率為0時(shí)(沒有使用煙氣再循環(huán)技術(shù))，3種鍋爐負(fù)荷條件下的燃煤使用量分別為931.43，1 397.15，1 862.86 m3/h；當(dāng)煙氣再循環(huán)率為20%時(shí)，3種鍋爐負(fù)荷條件下的燃煤使用量分別為926.56，1 587.48，1 851.21 m3/h。該結(jié)果表明在同一鍋爐負(fù)荷條件下，隨著煙氣再循環(huán)率的提高，鍋爐的燃料使用量整體呈逐漸減少的趨勢(shì)，同時(shí)也可證明煙氣再循環(huán)技術(shù)的優(yōu)越性。

2.3 煙氣鍋爐燃燒性質(zhì)分析

考察了不同煙氣再循環(huán)率及不同鍋爐負(fù)荷與排煙溫度的關(guān)系，結(jié)果見圖5。

圖5 不同煙氣再循環(huán)率及鍋爐負(fù)荷與排煙溫度的關(guān)系

由圖5可見：當(dāng)鍋爐負(fù)荷為50%時(shí)，煙氣再循環(huán)率分別為0，10%，20%時(shí)的排煙溫度分別為103.98，105.81，107.66 ℃，表明當(dāng)鍋爐負(fù)荷相同時(shí)，煙氣再循環(huán)率越高，煙氣的溫度也越高，這主要是由于煙氣循環(huán)率升高后，煙氣的流速也會(huì)顯著升高，在鍋爐內(nèi)的停留時(shí)間縮短，吸熱減少，由此導(dǎo)致煙道出口處的煙氣溫度升高。

當(dāng)煙氣再循環(huán)率為0時(shí)，鍋爐負(fù)荷分別為50%，75%，100%時(shí)，排煙溫度分別為103.98，126.24，152.78 ℃，表明鍋爐負(fù)荷越大，煙氣溫度越高，這主要是由于鍋爐負(fù)荷增加后，煙氣流速增大，進(jìn)而導(dǎo)致排煙溫度升高。

在鍋爐運(yùn)行負(fù)荷為100%，過量空氣系數(shù)為1.1的條件下，考察了鍋爐燃燒效率與煙氣再循環(huán)率的關(guān)系，結(jié)果見圖6。

圖6 不同煙氣再循環(huán)率對(duì)燃燒效率的影響

由圖6可見：當(dāng)煙氣再循環(huán)率為0時(shí)，煙氣燃燒效率為90.31%，當(dāng)煙氣再循環(huán)率為20%時(shí)，煙氣燃燒效率為90.80%，隨著煙氣再循環(huán)率升高，煙氣的燃燒效率也逐漸升高，但燃燒效率升高的速率逐漸降低，這主要是由于隨著煙氣再循環(huán)率的升高，煙氣排煙溫度也會(huì)上升，進(jìn)而影響了燃燒效率的升高速率。

綜上分析，鍋爐燃燒溫度與NOx的產(chǎn)生量的關(guān)系較大，鍋爐燃燒溫度降低，NOx產(chǎn)生量會(huì)明顯降低。因此，該研究也考察了使用煙氣再循環(huán)技術(shù)后煙氣再循環(huán)率對(duì)理論燃燒溫度的影響，結(jié)果見圖7。

圖7 理論燃燒溫度的變化情況

由圖7可見：當(dāng)煙氣再循環(huán)率為0時(shí)，鍋爐內(nèi)的理論燃燒溫度為1 950.34 ℃，當(dāng)煙氣再循環(huán)率為20%時(shí)，鍋爐內(nèi)的理論燃燒溫度為1 748.39 ℃，降低了201.95 ℃，表明隨著煙氣再循環(huán)率的逐漸升高，鍋爐的理論燃燒溫度逐漸下降，進(jìn)而降低NOx產(chǎn)生量，達(dá)到低氮燃燒的目的。

3 結(jié)論

通過理論分析與實(shí)際計(jì)算相結(jié)合的方法，對(duì)目標(biāo)燃?xì)忮仩t進(jìn)行了研究，主要考察了使用煙氣再循環(huán)技術(shù)對(duì)燃?xì)忮仩t燃燒特性的影響，得出以下結(jié)論。

1)隨著煙氣再循環(huán)率的增大，氧化劑中的CO2以及H2O的體積分?jǐn)?shù)逐漸升高，但升高幅度較低；煙氣中的CO2以及H2O的體積分?jǐn)?shù)升高幅度較小。

2)在相同鍋爐負(fù)荷條件下，煙氣再循環(huán)率升高，燃料的使用量也逐漸減少，煙氣排放的溫度有小幅提升。

3)對(duì)于鍋爐的燃燒性質(zhì)而言，隨著煙氣再循環(huán)率提高，煙氣的燃燒效率也逐漸升高，但是增幅較小。當(dāng)煙氣再循環(huán)率為20%時(shí)，理論燃燒溫度下降了201.95 ℃，表明使用煙氣再循環(huán)技術(shù)可以有效降低鍋爐燃燒溫度，進(jìn)而減少NOx的排放量。

該研究對(duì)燃?xì)忮仩t燃燒的各項(xiàng)指標(biāo)均進(jìn)行了考察，具有較好的實(shí)際參考價(jià)值，但沒有對(duì)鍋爐改造后的長(zhǎng)期運(yùn)行情況進(jìn)行對(duì)比分析，在后續(xù)研究中將重點(diǎn)針對(duì)該問題進(jìn)行討論。