賈彥兵 周 托 王志寧 郭學(xué)茂 黃 中 蔡 晉

(1.國(guó)電電力發(fā)展股份有限公司，100101 北京；2.清華大學(xué)能源與動(dòng)力工程系，100084 北京；3.清華大學(xué)山西清潔能源研究院，030032 太原；4.太原鍋爐集團(tuán)有限公司，030032 太原)

0 引 言

煤作為一次能源，其主要利用方式是燃燒，但燃煤產(chǎn)生的大量氮氧化物(NOx)是主要的大氣污染物之一。燃料再燃技術(shù)尤其是氣體燃料再燃技術(shù)，以其脫氮效率高、改造費(fèi)用低、不存在爐膛結(jié)渣和高溫腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是十分有效、最具前途的脫氮方法之一[1-4]。氣體再燃燃料的選擇范圍很廣，可以是氣態(tài)烴類燃料、煤或生物質(zhì)氣化氣，也可以是某些工廠產(chǎn)生的可燃廢氣，對(duì)這些氣體燃料的再燃特性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都做了大量的研究和報(bào)道[5-13]，并將一些成果進(jìn)行了工業(yè)應(yīng)用，取得了一定的改造效果[14-16]。徐瑩等[8]通過模擬計(jì)算研究了CH4，CO，H2作為再燃燃料的還原效率，結(jié)果表明CH4的還原效率最優(yōu)。張勁松等[9]研究了等離子體煤制氣再燃過程中多個(gè)因素對(duì)爐內(nèi)NOx排放的影響。但關(guān)于工業(yè)可燃廢氣對(duì)NOx的還原研究尚不夠系統(tǒng)全面，同時(shí)結(jié)合工程試驗(yàn)的報(bào)道也較少。

工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的可燃廢氣主要成分為N2和CO，由于其熱值較低，得不到很好的利用，而直接放散又會(huì)造成環(huán)境污染，因此，大部分工業(yè)可燃廢氣是通過在鍋爐中摻燒的方式來處理的[17]。某集團(tuán)下屬有冶金廠和化工廠，有大量的工業(yè)可燃廢氣產(chǎn)生源，對(duì)于這些工業(yè)可燃廢氣，主要利用熱電廠的130 t/h煤粉鍋爐摻燒進(jìn)行處理。如果通過鍋爐改造，利用工業(yè)可燃廢氣再燃降低鍋爐的NOx排放，不僅可以很好地利用廢氣資源，而且可以降低污染物排放，是一舉兩得的解決方案。筆者通過建立氣體再燃實(shí)驗(yàn)臺(tái)，研究了工業(yè)可燃廢氣再燃的NOx脫除特性，并將研究結(jié)果用于實(shí)際鍋爐采用的再燃技術(shù)改造，取得了良好的運(yùn)行效果。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由高溫管式爐本體、給粉系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)及取樣分析系統(tǒng)組成。如圖1所示，煤粉由給粉機(jī)(7)供給，并使其與一次風(fēng)混合后通過水冷給粉管(8)送入爐膛；工業(yè)可燃廢氣(N2，CO，CO2和H2)由配氣系統(tǒng)模擬，鋼瓶(4)出來的氣體經(jīng)減壓閥(2)減壓后，調(diào)節(jié)各組分流量在氣體混合器(5)內(nèi)混合均勻，通過剛玉管(9)噴入爐膛，以實(shí)現(xiàn)再燃；同樣燃盡風(fēng)通過剛玉管(10)送入爐膛，使未燃成分充分燃盡。

圖1 氣體再燃低NOx排放實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

高溫管式爐中剛玉管內(nèi)徑為70 mm，剛玉管長(zhǎng)度為2 400 mm，實(shí)驗(yàn)過程中煤粉給入量為4 g/min。主燃區(qū)停留時(shí)間和再燃區(qū)停留時(shí)間，分別根據(jù)主燃區(qū)和再燃區(qū)的爐膛軸向長(zhǎng)度及不同區(qū)域內(nèi)的燃?xì)饬魉贈(zèng)Q定。通過改變?cè)偃細(xì)怏w噴管的插入深度來改變主燃區(qū)停留時(shí)間，通過改變?nèi)急M風(fēng)噴管的插入深度來調(diào)節(jié)再燃區(qū)停留時(shí)間。最終煙氣采用德圖公司生產(chǎn)的TESTO350型煙氣分析儀(12)進(jìn)行分析。高溫管式爐采用上、下兩段電加熱，分別控制加熱溫度，最高溫度可達(dá)1 873 K，為了保證實(shí)驗(yàn)過程中的恒溫區(qū)域，再燃?xì)怏w和燃盡風(fēng)在進(jìn)入爐膛前通過預(yù)熱爐(6)預(yù)熱至650 ℃，同時(shí)保持高溫管式爐的電加熱系統(tǒng)一直開啟，維持整個(gè)燃燒區(qū)的溫度在設(shè)定值。

2 實(shí)驗(yàn)工況

本實(shí)驗(yàn)的目的是研究工業(yè)可燃廢氣再燃過程中各主要因素對(duì)NOx排放的影響。表1所示為工業(yè)可燃廢氣的成分，表2所示為實(shí)驗(yàn)煤樣的工業(yè)分析和元素分析結(jié)果。本研究選擇了主燃區(qū)過量空氣系數(shù)、主燃區(qū)停留時(shí)間、再燃燃料熱量比例、再燃區(qū)溫度及再燃區(qū)停留時(shí)間共5個(gè)因素，并采取輪回實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)這些因素進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)條件見表3。

表1 工業(yè)可燃廢氣的成分

表2 煤樣的工業(yè)分析和元素分析

表3 實(shí)驗(yàn)條件

3 結(jié)果與討論

3.1 主燃區(qū)過量空氣系數(shù)對(duì)NOx排放的影響

再燃燃料熱量比例為15%，再燃區(qū)停留時(shí)間為0.8 s，爐膛溫度為1 673 K條件下，主燃區(qū)過量空氣系數(shù)對(duì)NOx排放的影響見圖2。由圖2可以看出，無再燃工況(原始工況)下，隨主燃區(qū)過量空氣系數(shù)的增大，煙氣中NOx的質(zhì)量濃度也隨之增大，這是由主燃區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)的增加引起的，在主燃區(qū)過量空氣系數(shù)大于1.0時(shí)，由于主燃區(qū)的高溫使得熱力型NOx大量生成，其排放質(zhì)量濃度迅速上升，主燃區(qū)過量空氣系數(shù)為0.9時(shí)的NOx排放質(zhì)量濃度大約為主燃區(qū)過量空氣系數(shù)為1.3時(shí)NOx排放質(zhì)量濃度的60%。

圖2 主燃區(qū)過量空氣系數(shù)對(duì)NOx排放的影響

3.2 主燃區(qū)停留時(shí)間對(duì)NOx排放的影響

主燃區(qū)停留時(shí)間對(duì)最終NOx排放也有著很大的影響，實(shí)驗(yàn)過程中通過調(diào)節(jié)再燃噴口的位置來改變停留時(shí)間。圖3所示為主燃區(qū)停留時(shí)間對(duì)NOx排放的影響。由圖3可以看出，隨著主燃區(qū)停留時(shí)間的增加，最終NOx排放質(zhì)量濃度逐漸下降。分析認(rèn)為增加主燃區(qū)停留時(shí)間，即增加再燃?xì)怏w噴口與主燃燒器的距離，有利于在主燃區(qū)消耗更多的一次風(fēng)的氧氣，避免了更多的氧量進(jìn)入再燃區(qū)，從而增強(qiáng)了再燃區(qū)的還原性氣氛，這樣NOx的還原效果更佳，這與文獻(xiàn)[2，18]采用天然氣再燃降低NOx排放得到的結(jié)論是一致的。在主燃區(qū)停留時(shí)間大于1.0 s后，NOx排放質(zhì)量濃度趨于穩(wěn)定，而且實(shí)際工程應(yīng)用中主燃區(qū)停留時(shí)間受到爐膛結(jié)構(gòu)的限制，因此要綜合考慮各種因素的影響。

圖3 主燃區(qū)停留時(shí)間對(duì)NOx排放的影響

3.3 再燃燃料熱量比例對(duì)NOx排放的影響

在再燃區(qū)內(nèi)必須送入足夠量的再燃燃料，以保證再燃區(qū)內(nèi)還原NOx所必需的還原介質(zhì)濃度。如果再燃?xì)怏w量過少則達(dá)不到理想的降低NOx的效果，而過多的再燃?xì)怏w進(jìn)入爐膛會(huì)影響爐內(nèi)燃燒狀態(tài)[19]。圖4所示為再燃燃料熱量比例對(duì)NOx排放的影響。在一般情況下，再燃燃料熱量比例在15%～20%比較合適。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同主燃區(qū)過量空氣系數(shù)下隨著再燃燃料體積分?jǐn)?shù)的增加，NOx排放量均降低，脫氮率均增加。在再燃燃料熱量比例為15%時(shí)能取得較好的脫氮效果。

3.4 再燃區(qū)溫度對(duì)NOx排放的影響

研究[20-21]表明，再燃區(qū)溫度越高，NOx的還原率越高。圖5所示為再燃區(qū)溫度對(duì)NOx排放的影響。由圖5可以看出，無再燃條件下，爐膛溫度范圍在1 573 K～1 773 K時(shí)，隨著溫度的升高，NOx的生成量也隨之增大；在相同再燃量的情況下，隨著溫度升高，NOx排放量減小。這主要是由于高溫有利于提高還原介質(zhì)還原NOx的能力，提高再燃區(qū)溫度，不僅能提高NOx的還原率，而且能促使含氮中間產(chǎn)物轉(zhuǎn)變?yōu)镹2。雖然隨著溫度的升高，在主燃燒區(qū)中產(chǎn)生的NOx質(zhì)量濃度也升高，但是再燃區(qū)中的還原作用加強(qiáng)，NOx質(zhì)量濃度降低很快。

圖5 再燃區(qū)溫度對(duì)NOx排放的影響

3.5 再燃區(qū)停留時(shí)間對(duì)NOx排放的影響

再燃區(qū)停留時(shí)間對(duì)NOx排放的影響見圖6。由圖6可知，再燃區(qū)停留時(shí)間越長(zhǎng)，再燃?xì)怏w與NOx接觸反應(yīng)的時(shí)間也越長(zhǎng)，使得NOx的還原反應(yīng)進(jìn)行得越充分，有利于提高脫氮效率。當(dāng)再燃區(qū)停留時(shí)間為0.8 s時(shí)，NOx降低率最大可達(dá)35%，但繼續(xù)增加再燃區(qū)停留時(shí)間對(duì)降低NOx幫助不大[22]。同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，由于受到鍋爐燃燒方式和燃盡度要求的限制，同時(shí)還要保證主燃區(qū)停留時(shí)間，因此，再燃區(qū)停留時(shí)間不宜過長(zhǎng)。

圖6 再燃區(qū)停留時(shí)間對(duì)NOx排放的影響

4 工程應(yīng)用

某集團(tuán)下屬熱電分廠有2臺(tái)130 t/h煤粉鍋爐，鍋爐采用四角切圓燃燒方式，燃用當(dāng)?shù)睾置?煤質(zhì)分析見表2)，正常運(yùn)行情況下?lián)綗龔S區(qū)內(nèi)的工業(yè)可燃廢氣，鍋爐NOx的原始排放質(zhì)量濃度在250 mg/m3～300 mg/m3。由于現(xiàn)階段當(dāng)?shù)丨h(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求燃煤鍋爐的煙氣必須滿足超低排放，因此對(duì)鍋爐進(jìn)行了超低排放改造，其中針對(duì)NOx超低排放改造，采用爐內(nèi)氣體再燃結(jié)合尾部SCR的技術(shù)方案。

依據(jù)實(shí)驗(yàn)研究獲得的結(jié)果，確定了鍋爐采用工業(yè)可燃廢氣再燃低NOx排放改造的關(guān)鍵參數(shù)，將爐內(nèi)的燃燒過程分為三個(gè)區(qū)域：主燃區(qū)、再燃區(qū)和燃盡區(qū)。具體改造的方案為：將原有的工業(yè)廢氣噴口由最下層移到主燃燒器上部，形成再燃?xì)怏w噴口；在再燃?xì)怏w噴口上部4 m的水冷壁上開設(shè)燃盡風(fēng)噴口；同時(shí)，調(diào)整主燃燒器的過量空氣系數(shù)為1.0，保證主燃區(qū)停留時(shí)間為1.0 s左右，再燃區(qū)停留時(shí)間為0.8 s左右。鍋爐基本參數(shù)和運(yùn)行結(jié)果見表4。鍋爐通過采用工業(yè)廢氣再燃降低NOx排放的改造后，由于過熱蒸汽溫度略有升高，通過適當(dāng)減少噴水量滿足了設(shè)計(jì)要求，鍋爐飛灰含碳量由未改造前的3.2%略微升高到3.4%。經(jīng)熱態(tài)測(cè)試，鍋爐NOx原始排放質(zhì)量濃度為193 mg/m3，再燃脫氮率為29.8%，結(jié)合尾部的SCR，最終實(shí)現(xiàn)了NOx排放質(zhì)量濃度低于50 mg/m3的超低排放要求，改造取得了良好的運(yùn)行效果。

表4 鍋爐基本參數(shù)和運(yùn)行結(jié)果

5 結(jié) 論

1) 主燃區(qū)過量空氣系數(shù)和主燃區(qū)停留時(shí)間是影響再燃效果的重要因素。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)主燃區(qū)過量空氣系數(shù)為1.0時(shí)，能保證較高的脫氮效率；同時(shí)，主燃區(qū)停留時(shí)間大于1.0 s時(shí)，再燃還原NOx的效率較高。

2) 再燃區(qū)停留時(shí)間是影響再燃區(qū)NOx還原的關(guān)鍵因素。再燃區(qū)停留時(shí)間越長(zhǎng)，再燃降低NOx排放的效果越好，當(dāng)再燃區(qū)停留時(shí)間為0.8 s時(shí)，NOx排放量最大可降低達(dá)35%。

3) 在一定范圍內(nèi)，再燃燃料熱量比例越高，NOx排放質(zhì)量濃度越低。一般來說，對(duì)燃煤鍋爐而言，再燃?xì)怏w熱量比例維持在15%～20%比較合適。

4) 采用工業(yè)可燃廢氣作為再燃?xì)怏w，對(duì)130 t/h煤粉鍋爐進(jìn)行再燃技術(shù)改造，鍋爐NOx原始排放平均質(zhì)量濃度由改造前的275 mg/m3降低至改造后的193 mg/m3，再燃脫氮率為29.8%，結(jié)合尾部的SCR，最終NOx排放質(zhì)量濃度滿足了低于50 mg/m3的超低排放要求，取得了良好的改造效果。