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        工業(yè)可燃廢氣再燃低NOx排放實(shí)驗(yàn)研究及工程應(yīng)用*

        2022-05-16 01:47:42賈彥兵王志寧郭學(xué)茂
        煤炭轉(zhuǎn)化 2022年3期
        關(guān)鍵詞:過量爐膛廢氣

        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。

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