吳國(guó)強(qiáng)，張永生

(1．北方民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2．華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206)

再燃對(duì)NOx污染物排放影響研究

吳國(guó)強(qiáng)1,2，張永生2

(1．北方民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2．華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206)

NOx是燃煤電廠的重要污染物，論文在滴管爐內(nèi)研究再燃對(duì)這種污染物排放的影響規(guī)律。結(jié)果表明，針對(duì)選用的再燃燃料，CH4脫硝率最高，H2脫硝率次之，CO脫硝率最低，不同碳?xì)浔群铣蓺庠偃济撓跣孰S碳?xì)浔鹊脑龃笙壬仙笙陆担細(xì)浔?/3時(shí)，脫硝效率較好，但低于甲烷再燃脫硝效率。當(dāng)再燃區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)為0.7～0.9、溫度在1200℃左右時(shí)，合成氣再燃可以獲得比較理想的再燃脫硝效果。該結(jié)論可為鍋爐煤粉燃燒過(guò)程中，NOx脫除提供理論基礎(chǔ)。

煤粉燃燒；合成氣；再燃；脫硝

燃料分級(jí)燃燒是有效降低NOx的排放和設(shè)備投資較低的低NOx燃燒技術(shù)，可以使NOx排放量降低50%以上[1]，根據(jù)NOx的還原原理，NOx在遇到CH4、CO和H2等還原性氣體時(shí)會(huì)發(fā)生還原反應(yīng)被還原為N2[2-4]。煤粉、合成氣、天然氣、生物質(zhì)等都可作為再燃燃料，其中天然氣再燃有最佳的還原效果，而且天然氣本身不含硫、氮，是清潔能源，燃盡率高[5-6]，但我國(guó)天然氣資源較為缺乏。我國(guó)合成氣資源相對(duì)豐富，高爐煤氣、煤制氣、焦?fàn)t煤氣、生物質(zhì)氣、地下煤層氣等都屬于合成氣。

國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者的研究表明合成氣作為再燃燃料時(shí)，能有效降低NOx的排放[2-3,7-8]。合成氣中的有效成分是H2、CO和CH4，其中CH4的還原能力相對(duì)較強(qiáng)，但是含量很少，因此合成氣中起主要還原作用的是CO和H2。P.Glarborg[9]等通過(guò)建立動(dòng)力學(xué)模型指出，H2和CO在一定的再燃條件中，可以達(dá)到20%～30%的脫硝率，而且NO的降低速率隨著溫度和再燃燃料比例的提高而增加，當(dāng)增加到一定比例時(shí)，H2和CO的脫硝效率能接近于CH4等碳?xì)浠衔锏拿撓跣?。Chen[10]等的研究表明，在900℃～1500℃溫度范圍內(nèi)H2和CO對(duì)NOx有一定的脫除能力。

本文通過(guò)在滴管爐中開(kāi)展再燃實(shí)驗(yàn)探討甲烷、合成氣等再燃過(guò)程中再燃區(qū)不同碳?xì)浔?、再燃區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)、再燃區(qū)溫度對(duì)降低NOx排放的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)以滴管爐為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，整個(gè)裝置由爐膛本體、給煤機(jī)、空氣系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、再燃系統(tǒng)、燃盡風(fēng)系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)及取樣分析系統(tǒng)組成。通過(guò)提前增壓預(yù)熱的一次風(fēng)將給煤機(jī)中的煤粉攜帶送入爐膛；再燃?xì)庠诿悍酃┙o處的下方送入，以實(shí)現(xiàn)再燃；燃盡風(fēng)在再燃?xì)庀路剿腿?，提高燃料的燃燒效率，如圖1所示。爐膛內(nèi)采用內(nèi)徑為120 mm，高2000 mm的95剛玉管作為反應(yīng)器。

圖1 合成氣再燃低 NOx排放試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

圖2是取樣系統(tǒng)，由取樣槍、旋風(fēng)分離器、飛灰過(guò)濾器、干燥箱、煙氣分析儀、真空泵和外加的連接管組成。將取樣槍固定在圖1所示的排煙口進(jìn)行取樣。再通過(guò)真空泵和外加的連接管使煙氣依次通過(guò)旋風(fēng)分離器、飛灰過(guò)濾器和干燥箱，進(jìn)入煙氣分析儀實(shí)現(xiàn)在線分析。

圖2 取樣系統(tǒng)

本文采用美國(guó)德圖testo350加強(qiáng)型連續(xù)在線煙氣分析儀，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析煙氣中O2、NO和CO等氧化物。

實(shí)驗(yàn)采用的原煤是內(nèi)蒙古京隆褐煤，煤粉細(xì)度大于200目。給煤量為4g/min，再燃燃料量占爐內(nèi)總熱負(fù)荷的20%，再燃區(qū)內(nèi)煙氣的停留時(shí)間為0.9s，滴管爐內(nèi)總的過(guò)量空氣系數(shù)為1.2。其煤質(zhì)分析見(jiàn)表1和表2。

表1 工業(yè)分析

表2 元素分析

實(shí)驗(yàn)所采用的氣體燃料有H2、CO和CH4，純度都為99.9%。

實(shí)驗(yàn)測(cè)得的NO濃度，統(tǒng)一換算成(φ(O2)=6%)狀態(tài)下NO濃度。NO脫除率定義為：

式中：φ(NO)為無(wú)再燃基本工況下?tīng)t膛出口NO濃度值；φ(NO)′為再燃工況下?tīng)t膛出口NO濃度值。

每個(gè)實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行3次平行實(shí)驗(yàn)，最終結(jié)果取3次實(shí)驗(yàn)值的平均值。

燃盡率是衡量煤粉燃盡程度的參數(shù)，主要受燃燒環(huán)境和反應(yīng)的難易等因素的影響。無(wú)再燃的條件下，收集煤粉燃燒過(guò)程中3個(gè)灰樣，通過(guò)元素分析儀分別測(cè)得碳元素的含量，并求平均值。如表3所示，煤粉燃盡率的公式如下：

其中，B表示燃盡率，A0-表示灰樣碳元素含量平均值，A表示原煤碳元素含量。

表3 灰中碳含量Table 3 The carbon content in the ash

把數(shù)值代入上式得煤粉燃盡率B為93.6%。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 合成氣不同成分的影響

實(shí)驗(yàn)中分別以CH4、H2、CO和不同碳?xì)浔鹊暮铣蓺庾鳛樵偃既剂?，其中合成氣是按CO和H2輸入爐內(nèi)的熱量比的混合氣體，包括9種混合氣體，摩爾比分別是1/9、2/8、3/7、4/6、5/5、6/4、7/3、8/2、9/1，在滴管爐上進(jìn)行了以CH4、H2、CO和合成氣作為再燃燃料的實(shí)驗(yàn)研究。爐膛壁溫控制在1200℃左右，再燃區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)約為0.8，爐膛頂部一次風(fēng)量約0.41Nm3/h，二次風(fēng)量約1.43 Nm3/h，燃盡風(fēng)量約0.20 Nm3/h。

圖3是脫硝率隨再燃區(qū)碳?xì)浔鹊淖兓膱D中可以看出，CH4再燃時(shí)脫硝率可達(dá)到50%左右；CO再燃時(shí)脫硝率約為22%；H2再燃時(shí)脫硝率約為38%；合成氣再燃時(shí)，其中碳?xì)浔?/3時(shí)脫硝率最高，約為40%；碳?xì)浔?/1時(shí)脫硝率最低，約為29%。

圖3 脫硝率隨再燃區(qū)碳?xì)浔鹊淖兓?/p>

從圖3中還可以看出，碳?xì)浔葟?/9增加到2/8，脫硝率降低，是因?yàn)楹铣蓺庵械闹饕煞质荋2，而H2容易燃燒生成大量H2O，H2O與CO相互作用生成中間產(chǎn)物OH，OH可將CO氧化生成CO2[9]，因此部分合成氣未參與NO的還原反應(yīng)直接被消耗，從而降低了脫硝效率；碳?xì)浔葟?/8增加到7/3，脫硝率提升，是因?yàn)楹铣蓺庵械腍2含量降低，中間產(chǎn)物OH的濃度降低，主要與NO進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)，減少了對(duì)CO的消耗，從而提升了脫硝效率；碳?xì)浔葟?/3增加到9/1，脫硝率降低，是因?yàn)楹铣蓺庵蠬2含量很低，生成的OH濃度很低，減小了對(duì)NO的還原作用，此時(shí)起還原作用主要是CO。

2.2 再燃區(qū)過(guò)量空氣的影響

實(shí)驗(yàn)中以碳?xì)浔葹?/3的合成氣為再燃燃料，爐膛壁溫控制在1 200℃左右，再燃區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)分別為0.6、0.7、0.8、0.9、1.0和1.1，爐膛頂部一次風(fēng)量約為0.41 Nm3/h，改變二次風(fēng)量(1.23～1.53 Nm3/h)，研究了再燃區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)再燃脫除NO的影響。

圖4是脫硝率隨再燃區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)的變化。從圖中可以看出，當(dāng)從0.6增加到0.9時(shí)，脫硝率下降24%左右，而當(dāng)從0.9增加到1.1時(shí)，脫硝率下降達(dá)55%左右，說(shuō)明過(guò)量空氣越小越有利于NO的脫除，但并不是越小越好，還需考慮實(shí)際鍋爐的燃燒效率和結(jié)渣問(wèn)題。從本實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，過(guò)量空氣系數(shù)小于0.9時(shí)，可獲得40%以上的脫硝率。

圖4 脫硝率隨再燃區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)的變化

圖5是CO的排放濃度隨再燃區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)的變化。從圖中可以看出，當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)低于0.8時(shí)，CO的排放濃度明顯增加，當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)減小到0.6時(shí)，增加47%左右。當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)高于0.8時(shí)，CO的排放濃度變化很小。因此并不是過(guò)量空氣系數(shù)越小越好，綜合考慮再燃脫硝率和燃料的燃燒效率，根據(jù)實(shí)際情況將過(guò)量空氣系數(shù)控制在0.7～0.9。

圖5 CO排放濃度隨再燃區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)的變化

2.3 再燃區(qū)溫度的影響

實(shí)驗(yàn)中以碳?xì)浔葹?/3的合成氣為再燃燃料，再燃區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)為0.8，爐膛頂部一次風(fēng)量約為0.41 Nm3/h，二次風(fēng)量約為1.43 Nm3/h，燃盡風(fēng)量為0.20 Nm3/h，通過(guò)圖3所示的取樣系統(tǒng)取樣分析，研究了再燃區(qū)爐膛壁溫從1000℃增加到1400℃時(shí)對(duì)再燃脫除NO的影響。

圖6是脫硝率隨再燃區(qū)溫度的變化。從圖中可以看出，溫度從1000℃增加到1300℃時(shí)，脫硝效率快速增加，1300℃時(shí)脫硝效率達(dá)到最大值，但溫度大于1300℃時(shí)再燃脫硝率減小。主要是因?yàn)闇囟却笥?300℃時(shí)，在再燃區(qū)被還原的NO，在燃盡區(qū)富氧環(huán)境中又生成大量的熱力型NO。因此并不是溫度越高越好，需要綜合考慮再燃區(qū)和燃盡區(qū)溫度對(duì)NO的脫除與生成的影響，再燃區(qū)和燃盡區(qū)的溫度控制在1200℃左右時(shí)，就可獲得比較理想的脫硝效率。

圖6 脫硝率隨再燃區(qū)溫度的變化

3 結(jié)論

(1)在溫度、過(guò)量空氣系數(shù)和再燃燃料比例相同的條件下，CH4再燃脫硝效果最好，H2脫硝效果次之，CO脫硝效果最差。隨著碳?xì)浔鹊脑龃?，合成氣再燃脫硝率先增大后減小，當(dāng)碳?xì)浔冗_(dá)到7/3時(shí)，脫硝效果相對(duì)較好，但低于甲烷再燃脫硝效果。

(2)當(dāng)再燃區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)為0.7～0.9、再燃區(qū)溫度在1200℃左右，碳?xì)浔葹?/3的合成氣再燃時(shí)，不僅可以獲得較為理想的再燃脫硝效率，同時(shí)對(duì)煤粉燃盡率的影響很小。

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(本文文獻(xiàn)格式：吳國(guó)強(qiáng)，張永生.再燃對(duì)NOx污染物排放影響研究[J].山東化工,2017,46(13):164-166,169.)

Study of the Impact on NOxEmission Caused by Reburning

WuGuoqiang1,2，ZhangYongsheng2

(1.School of Electrical and Information Engineering,North Minzu University,Yinchuan 750021,China；2.School of Energy,Power and Mechanical Engineering,North China Elcetric Power University,Beijing 102206,China)

NOxis the important pollutants in the coal-fired power plants．This paper focuses on the impact of these pollutant caused by reburning in the drop-tube furnace．The results show that for denitration， the rate t of CH4reburning denitration is the highest，the next is the H2and CO is the lowest，the reburning denitration rate of syngas with the different carbon hydrogen ratio increases firstly，and then decreases along with the increase of the carbon hydrogen ratio．When the carbon hydrogen ratio reaches to 7/3，the reburning denitration rate is higher，but lower than that of the methane. When the excess air coefficient of reburing zone is between 0.7 and 0.9，and the temperature is about 1200℃，the reburning process of the syngas can obtain ideal reburning denitration effect．This conclusion can provideprovide the theoretical foundation for NOxremoval in the coal combustion of power station boile.

pulverized coal combustion；syngas；reburning；denitration

2017-05-04

國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2015BAA05B02)；北方民族大學(xué)校級(jí)科研項(xiàng)目(基于合成氣再燃的電廠煙氣脫硝新技術(shù)研究)

吳國(guó)強(qiáng)(1986—)，男，碩士，助教，主要研究方向燃燒及污染物控制；通訊作者：張永生(1976—)，男，博士，副教授。

X511

A

1008-021X(2017)13-0164-03