基于多層煙氣再循環(huán)技術(shù)的鏈條鍋爐NOx排放研究

杜 時(shí)，樊俊杰，張忠孝，郭欣維，張樂宇

(上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093)

0 引 言

我國是世界上煤炭消耗量最大的國家。2016年，我國煤炭生產(chǎn)量和消耗量分別占全球總量的47.6%和49.8%，等同于其他國家生產(chǎn)消耗量總和[1]。燃煤過程產(chǎn)生的NOx是大氣的主要污染物之一，我國2014年頒布了GB 13271—2014《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[2]:2017年2月1日起，在用和新建的工業(yè)鍋爐的NOx排放要求小于300 mg/m3，重點(diǎn)地區(qū)小于200 mg/m3。長期以來，我國對鏈條爐NOx生成機(jī)理缺乏深入研究，所以研究降低鏈條爐NOx技術(shù)重要并急迫。

煙氣再循環(huán)(FGR)是鏈條爐低氮燃燒改造的常用技術(shù)，核心在于利用尾部煙氣低溫低氧的特點(diǎn)，將煙氣噴入爐膛合適的部分，降低爐膛局部溫度產(chǎn)生還原性氣氛，進(jìn)而抑制NOx的生成[3]。近年來國內(nèi)眾多學(xué)者對煙氣再循環(huán)技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究。楊博[4]研究發(fā)現(xiàn)，采用煙氣再循環(huán)對高溫空氣平焰燃燒可以有效降低一次風(fēng)氧含量，平焰燃燒的中心回流相延遲了燃燒器內(nèi)部火焰局部高溫區(qū)的出現(xiàn)，降低爐內(nèi)火焰的局部高溫，從而抑制了熱力型NOx的生成。Eric等[5]和Yu等[6]在燃煤鍋爐和鐵礦石燒結(jié)過程中利用煙氣再循環(huán)技術(shù)對NOx的還原進(jìn)行研究。陳偉鵬等[7]研究發(fā)現(xiàn)，采用煙氣再循環(huán)技術(shù)后，鍋爐內(nèi)煙氣氧含量下降，NOx濃度在爐膛中均勻整體下降，而不是局部區(qū)域的下降，這對于中小型燃煤鍋爐NOx的減排有理論指導(dǎo)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

本文在1臺70 MW的鏈條爐排熱水鍋爐上采用多級配風(fēng)式煙氣再循環(huán)技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)改造，并分析了煙氣再循環(huán)量、煙氣再循環(huán)投入位置等因素對NOx排放的影響，這對于煙氣再循環(huán)技術(shù)在鏈條爐實(shí)際工程上的應(yīng)用有重要意義。

1 鏈條爐煙氣再循環(huán)試驗(yàn)裝置及方法

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)介紹

某70 MW熱水鍋爐是雙鍋筒角管式燃煤鏈條爐，爐排尺寸為11.2 m×10.1 m，爐膛高度為12.6 m，鍋爐設(shè)計(jì)效率81.50%，煤種低位熱值21.68 MJ/kg，額定出水、進(jìn)水溫度分別為150、90 ℃，設(shè)計(jì)排煙溫度160 ℃。

改造中，從引風(fēng)機(jī)出口附近抽出部分煙氣進(jìn)行煙氣再循環(huán)，循環(huán)煙氣量約占總煙氣量10%～20%。循環(huán)煙氣經(jīng)循環(huán)風(fēng)機(jī)引入后經(jīng)過總進(jìn)風(fēng)管引入爐膛，進(jìn)入爐膛前分成兩路，分別與沿鍋爐左/右側(cè)墻對稱布設(shè)的左/右側(cè)墻進(jìn)風(fēng)管連接相通；左/右側(cè)墻進(jìn)風(fēng)管又分支為上層、中層、下層支管，各支管朝向爐膛中心一側(cè)的管壁上置有多個(gè)再循環(huán)風(fēng)噴射頭，通過爐墻進(jìn)入爐膛，上層支管向喉口上方爐膛中心供風(fēng)；中層支管向鏈條爐排和喉口之間供風(fēng)；下層支管噴射頭深入各分區(qū)送風(fēng)室，向分區(qū)送風(fēng)室送風(fēng)。通過分層布風(fēng)控制降低燃燒時(shí)的氧含量和燃燒溫度，并增強(qiáng)鏈條爐中氣流的擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)減少NOx排放和改善燃燒的雙重目的[8]。

煙氣再循環(huán)風(fēng)機(jī)為變頻風(fēng)機(jī)，通過DCS在線系統(tǒng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)控制煙氣循環(huán)總量。每個(gè)入爐的噴嘴前設(shè)置有手動(dòng)蝶閥，通過閥門開度調(diào)節(jié)不同煙氣再循環(huán)位置和煙氣再循環(huán)率對NOx濃度排放的影響。試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 某70 MW鍋爐試驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of a 70 MW boiler test system

1.2 工況與測試方法

研究表明[9]，煤燃燒過程中NOx生成量受到焦炭層和氧含量的影響，揮發(fā)分析出區(qū)、主燃區(qū)、焦炭燃燒區(qū)和燃盡區(qū)NOx生成量分別占整體NOx生成量的 40%、10%和 50%(焦炭燃燒區(qū)和燃盡區(qū)合并為一個(gè)分區(qū))，所以應(yīng)在這些特定區(qū)域降低溫度和氧含量來達(dá)到降低NOx排放的目的。

在不同工況分別測試煙氣再循環(huán)率及煙氣再循環(huán)位置對NOx排放的影響，見表1。

表1試驗(yàn)工況
Table1Testconditions

工況煙氣再循環(huán)率/%煙氣再循環(huán)位置10—210、15、20僅開下層支管310、15、20開下、中2層支管410、15、20開下、中、上3層支管

整個(gè)工況均在鍋爐安全運(yùn)營的條件下進(jìn)行，每10 min測試2組數(shù)據(jù)區(qū)平均值，每組工況和背景值均測試1 h，排放煙氣測點(diǎn)位置在鍋爐頂端出口預(yù)留的探測孔，利用線煙氣分析儀測試，煙氣分析儀型號為德圖350，O2測試精度為0.2%，NO測試精度為5%。結(jié)果采用測量數(shù)據(jù)的加權(quán)平均值。

在線分析儀測得排放值單位為10-6，轉(zhuǎn)化計(jì)算公式為

其中，α1(NOx)、α2(NOx)為NOx排放值，單位分別為mg/Nm3和10-6;α(O2)為O2含量。此公式是將NO的單位10-6折算為NO2的濃度(mg/m3),并將煙氣中的O2含量折算到9%。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 爐排上方溫度場及組分場測試

采用煙氣再循環(huán)技術(shù)對低NOx排放改造前，首先要確定爐內(nèi)各燃燒區(qū)域的具體位置，然后針對目標(biāo)區(qū)域通入循環(huán)煙氣。主要在鍋爐的觀火孔處測試爐內(nèi)火焰的溫度、氣體組成、NOx排放等。在鏈條爐排附近有3個(gè)觀火孔，在觀火孔的左、中、右分別測試數(shù)據(jù)。由于第1個(gè)觀火孔靠近粉煤器，煤剛落下進(jìn)入爐排幾乎未燃燒，所以靠近分煤器一側(cè)不需測試，第3個(gè)觀火孔靠近爐排末端，煤幾乎已經(jīng)燃盡沒有火焰，故只測靠近爐排前方的一點(diǎn)，得到了6個(gè)點(diǎn)位置的數(shù)據(jù)。測試過程中，鍋爐負(fù)荷穩(wěn)定在35 MW，將熱電偶和煙氣分析儀探槍深入爐排上方0.5 m處進(jìn)行溫度及組分測試，結(jié)果如圖2、3所示。

圖2 爐內(nèi)各區(qū)域煙溫和氧含量Fig.2 Oxygen content in each area of the furnace

圖3 爐內(nèi)各區(qū)域氣體組分含量Fig.3 Gas components in each area of the furnace

由圖2、3看出，工況1條件下沿著爐排前進(jìn)方向氧含量先降低后升高，煙氣溫度先升高后降低，距離前墻位置0.6 m處氧含量為15%，主要原因在于在燃燒初始階段，上部煤燃燒產(chǎn)生的熱量還未傳到底部，煤層主要處于預(yù)熱干燥狀態(tài)，煤中N隨揮發(fā)分析出，生成N、CN、HCN等化合物，由于氧過量，發(fā)生氧化生成大量NO，導(dǎo)致?lián)]發(fā)分析出區(qū)NO濃度偏大；沿爐排方向1～3 m后，氧含量迅速衰減至幾乎為0，主要原因?yàn)檫M(jìn)入主燃區(qū)煤大量消耗氧，煤由于缺氧生成大量不完全燃燒產(chǎn)物CO，產(chǎn)生了還原氣氛，抑制了NO生成同時(shí)也將含N化合物還原為氮?dú)?，?dǎo)致NO濃度下降。距前墻位置3.0～4.5 m內(nèi)氧含量為0，煙溫達(dá)到最大值1 150 ℃，CO濃度達(dá)到最大值，NO濃度達(dá)最小值。距前墻位4.5 m后氧含量迅速生高，CO濃度下降，NO濃度迅速升高，主要原因在于進(jìn)入焦炭區(qū)和燃盡區(qū)，煤中的焦炭穩(wěn)定燃燒，該區(qū)域氧化性強(qiáng)，將焦炭N氧化為NO，在高氧條件下持續(xù)生成 NO,NO濃度上升。但該區(qū)域NO濃度最大值低于揮發(fā)分區(qū)NO濃度最大值，這是由于焦炭N反應(yīng)的活化能比C燃燒的反應(yīng)活化能大，導(dǎo)致該區(qū)域NO濃度最大值低于揮發(fā)分區(qū)。因此可以看出主燃區(qū)和焦炭區(qū)燃燒劇烈，但NO濃度卻大幅度減少，所以在對該爐進(jìn)行煙氣再循環(huán)改造時(shí)考慮將再循環(huán)煙氣主要投入這2個(gè)區(qū)域，延長燃燒時(shí)間，大幅度減少NO的生成。

2.2 全程及局部對煙氣再循環(huán)NOx排放的影響

工況2僅開啟鏈條爐左右2側(cè)連入風(fēng)室的下支管，研究全程及局部煙氣再循環(huán)條件下鏈條爐生成NOx特性，確定合適的通入循環(huán)煙氣的位置。將低溫的循環(huán)煙氣分別通入風(fēng)室是為了降低進(jìn)入爐排的一次風(fēng)溫度和氧含量，使?fàn)t內(nèi)產(chǎn)生局部低溫低氧的環(huán)境，在爐排產(chǎn)生大量CO等還原氣體參與對NOx的還原，進(jìn)而抑制NOx生成并降低NOx排放。由于鏈條爐會(huì)從觀火孔、各級煙道及尾部排渣區(qū)域不密封處泄入冷空氣，導(dǎo)致爐內(nèi)實(shí)際過量空氣系數(shù)偏大，循環(huán)煙氣的通入可以控制過量空氣系數(shù)，提高一次風(fēng)進(jìn)入爐排速度，促進(jìn)氧向煤表面擴(kuò)散，提高燃燒效率。各區(qū)域通入循環(huán)煙氣后氧含量和NOx排放濃度的變化如圖4、5所示。

圖4 全程及局部煙氣再循環(huán)對氧含量的影響Fig.4 Effects of full and partial flue gas recirculation on oxygen content

圖5 全程及局部煙氣再循環(huán)對NOx排放的影響Fig.5 Effects of full and partial flue gas recirculation on NOx emission

結(jié)果表明，連入下風(fēng)室的煙氣再循環(huán)技術(shù)可以有效降低NOx排放量和煙氣氧含量。原始工況下NOx排放濃度為380 mg/m3，氧含量11.2%，隨著全程及局部再循環(huán)煙氣的加入，氧含量和NOx排放量明顯降低。在主燃區(qū)、焦炭區(qū)、燃盡區(qū)通入循環(huán)煙氣NOx降低效果比全程煙氣再循環(huán)效果好，說明在揮發(fā)分析出區(qū)通入循環(huán)煙氣會(huì)使NOx排放量升高，原因是循環(huán)煙氣降低了一次風(fēng)溫和氧含量，在揮發(fā)分析出區(qū)煤層表面升溫有不利影響，揮發(fā)分析出和煤層著火推遲，導(dǎo)致了NO析出推遲，延長了揮發(fā)分析出區(qū)的停留時(shí)間，所以揮發(fā)分析出區(qū)不宜通入循環(huán)煙氣。由于爐排較長，燃盡區(qū)后段及后面灰區(qū)較長，火焰及煙溫微弱，燃盡區(qū)后段不通入循環(huán)煙氣，發(fā)現(xiàn)只在燃盡區(qū)前段通入循環(huán)煙氣降低NOx效果比在整個(gè)燃盡區(qū)通入循環(huán)煙氣效果好，原因是主燃區(qū)貧氧條件下，氧氣達(dá)不到碳表面會(huì)發(fā)生Boudouard反應(yīng)，同時(shí)循環(huán)煙氣含有大量CO2，促進(jìn)Boudouard反應(yīng)從而生成大量CO、CH4等還原氣體[10]，同時(shí)一次風(fēng)速提高可以促進(jìn)煤表面灰分離，延長主燃區(qū)停留時(shí)間，使NO排放濃度下降。在主燃區(qū)、焦炭區(qū)和燃盡區(qū)前段采取煙氣在循環(huán)技術(shù)可使氧含量從原始工況下11.2%降至8.8%，NOx排放量從380 mg/m3降至341 mg/m3，較原始工況下降了10.2%。

2.3 煙氣再循環(huán)率對NOx排放的影響

根據(jù)全程及局部對煙氣再循環(huán)NOx排放的影響可知，鏈條爐在主燃區(qū)、焦炭區(qū)和燃盡區(qū)前段下風(fēng)室通入循環(huán)煙氣技術(shù)可以最大減少NOx排放量，過高過低的循環(huán)煙氣量都會(huì)影響NOx排放濃度，所以要確定最佳再循環(huán)率降低NOx。在僅開下風(fēng)室支管通入主燃區(qū)、焦炭區(qū)和燃盡區(qū)前段條件下，研究循環(huán)率分別在10%、15%、20%時(shí)NOx排放濃度的變化，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同煙氣再循環(huán)率對NOx排放的影響Fig.6 Effects of different flue gas recirculation on NOx emission

煙氣再循環(huán)率在10%、15%、20%時(shí)都可以使NOx排放濃度大幅度降低，但煙氣再循環(huán)率20%時(shí)NOx排放反而比15%時(shí)上升，打開鍋爐兩側(cè)觀火孔發(fā)現(xiàn)爐排后端拉火嚴(yán)重。CMES數(shù)據(jù)顯示此時(shí)排放煙氣氧含量大于再循環(huán)率15%時(shí)煙氣氧含量，左右兩墻水冷壁溫度下降明顯，鍋爐負(fù)荷明顯降低，原因在于隨著煙氣再循環(huán)率的升高，導(dǎo)致進(jìn)入爐排的一次風(fēng)速過大，該爐用煤是細(xì)顆粒煤，氧穿透煤層，形成溝流通道，氧未燃燒就隨煙氣流入鍋爐尾部煙道，造成了爐內(nèi)溫度下降和出口氧含量升高；此外隨著煙氣再循環(huán)率的增大，進(jìn)入爐內(nèi)NO循環(huán)量升高，產(chǎn)生了NO蓄集現(xiàn)象，NOx排放量升高。所以煙氣再循環(huán)率為15%時(shí)NOx降低效率最高，從原始工況380 mg/m3降至333 mg/m3。

2.4 多層煙氣再循環(huán)對NOx排放的影響

根據(jù)煙氣再循環(huán)率對NOx排放的影響可知，該鏈條爐在主燃區(qū)、焦炭區(qū)和燃盡區(qū)前段下風(fēng)室通入循環(huán)煙氣，煙氣再循環(huán)率在15%時(shí)可以最大減少NOx排放量，改造在爐膛兩側(cè)裝置設(shè)置中、上2層輔助煙氣：① 可以降低爐內(nèi)局部高溫，減少熱力型NOx生成，增加了主燃區(qū)和焦炭區(qū)的停留時(shí)間；② 有助于煤中灰層表面剝離，提高氧向焦炭表面的擴(kuò)散速率，促進(jìn)焦炭燃燒，對煤層有良好的引燃作用；③ 循環(huán)煙氣含有大量的CO2三原子氣體，可以增加爐內(nèi)的輻射傳熱，有助于燃煤質(zhì)量的提高。多層煙氣再循環(huán)對NOx排放的影響如圖7所示。

圖7 多層煙氣再循環(huán)對NOx排放的影響Fig.7 Effects of multilayer flue gas recirculation on NOx emission

由圖7看出，開下、中、上支管的NOx排放濃度最低，脫氮效率最高，NOx排放量從380 mg/m3降至303 mg/m3，較原始工況下降了20.3%；與傳統(tǒng)的煙氣再循環(huán)下部風(fēng)室噴入相比，脫氮效率從12.3%提高至20.3%，與下部風(fēng)室及側(cè)墻同時(shí)噴入相比，脫氮效率從15.2%提高至20.3%。原因在于外加兩側(cè)煙氣射流可以使?fàn)t內(nèi)煙氣中未還原的N和還原性氣體充分混合，延長了煙氣在爐內(nèi)的停留時(shí)間，改善了爐內(nèi)的煙氣動(dòng)力場，使之在主燃區(qū)、焦炭區(qū)、燃盡區(qū)前段停留時(shí)間加長，進(jìn)一步降低了NOx排放量。此外還增加了燃煤消耗質(zhì)量，降低了過?？諝饬浚刂屏巳紵齾^(qū)位置，防止了局部水冷壁結(jié)焦現(xiàn)象，鍋爐傳熱效率提高。

3 結(jié) 論

1)在揮發(fā)分析出區(qū)及燃盡區(qū)后段通入循環(huán)煙氣不利于NOx的去除，在主燃區(qū)、焦炭區(qū)和燃盡區(qū)前段采取煙氣再循環(huán)技術(shù)可使氧含量從原始工況下11.2%降至8.8%，NOx排放量從380 mg/m3降至341 mg/m3。

2)過低過高的再循環(huán)率會(huì)對脫氮效率產(chǎn)生反作用，煙氣再循環(huán)率為15%時(shí)，NOx降低效率最高，從原始工況380 mg/m3降至333 mg/m3，較原始工況下降了12.3%。

3)采用多層側(cè)墻輔助煙氣與傳統(tǒng)的煙氣再循環(huán)下部風(fēng)室噴入的脫氮效率效果好，脫氮效率從12.6%提高至20.3%，脫硝效率優(yōu)化了7.7%；與使用側(cè)墻輔助煙氣與下部風(fēng)箱同時(shí)噴入的下、中2層煙氣再循環(huán)模式相比，脫氮效率從15.2%提高至20.3%，脫硝效率優(yōu)化了5.1%。

4)多級煙氣再循環(huán)配風(fēng)方式明顯優(yōu)于僅底部噴風(fēng)，可以有效提高NOx爐內(nèi)脫除效率。

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