煙氣再循環(huán)脫硝技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用

陳 黎，李 哲，彭 杰，任魯軍，文午琪

(1.武漢博世天元熱能設(shè)備有限公司，湖北 武漢 430000；2.武漢藍(lán)穎新能源有限公司，湖北 武漢 430000；3.武漢安和節(jié)能新技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430000)

煙氣再循環(huán)(簡(jiǎn)稱(chēng)FGR)技術(shù)是從鍋爐尾部抽取部分低溫?zé)煔?，引到燃燒器進(jìn)風(fēng)口，與助燃空氣混合后一起送入爐內(nèi)，參與輔助燃燒和熱動(dòng)力流場(chǎng)整合[1-2]。其核心是利用煙氣所具有的低溫低氧特點(diǎn)，將部分煙氣再次噴入爐膛，使火焰溫度降低，抑制燃燒速度從而抑制熱力型NOx的生成。同時(shí)也能形成局部還原性氣氛，將燃料型NOx還原，煙氣再循環(huán)是目前使用較多的低氮燃燒技術(shù)，特別是在氣體燃料鍋爐里[3]。常用的氣體燃料中不含氮元素，人們?cè)趹?yīng)用煙氣再循環(huán)時(shí)只注意到降低熱力型NOx的生成，往往忽略了煙氣再循環(huán)對(duì)燃料型NOx的脫硝作用。

除了常用的脫硝劑氨水、尿素外，氣體燃料中常見(jiàn)的H2、CH4、CO都是還原性氣體，CO作為一種廣泛存在于炭黑尾氣中的還原性氣體，還原煙氣中NOx，以廢治廢，可大大節(jié)約采用其他脫硝方式的成本[4]。

1 炭黑尾氣的特點(diǎn)

炭黑尾氣除了含有極少量的炭黑外，氣體還含有CO、H2、N2、CO2、O2、CmHn、NOx、SOx及H2S 等，其主要成分的含量(%)如表1所示。

表1 炭黑尾氣成分 %

炭黑尾氣中的CO、H2和 CH4均屬于可燃?xì)怏w，同時(shí)也是脫硝過(guò)程的還原劑。燃料中NOx含量約在1 200 mg/m3(標(biāo)準(zhǔn))，燃燒后NOx的原始排放濃度在600～700 mg/m3(標(biāo)準(zhǔn))。

2 煙氣再循環(huán)脫硝技術(shù)

2.1 煙氣再循環(huán)的幾種方式

煙氣再循環(huán)率：再循環(huán)的煙氣量與未循環(huán)時(shí)的鍋爐煙氣量之比稱(chēng)為煙氣再循環(huán)率。在采用煙氣再循環(huán)法時(shí)，由于煙氣量的增加，將引起燃燒狀態(tài)不穩(wěn)定，從而增加未完全燃燒熱損失。

對(duì)于正壓運(yùn)行的鍋爐，只有鼓風(fēng)機(jī)，煙氣再循環(huán)方式比較簡(jiǎn)單，主要有以下幾種方式：

(1)鍋爐煙氣出口至鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)口煙氣再循環(huán)，如圖1所示。

圖1 正壓燃燒無(wú)再循環(huán)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)圖

這種方式煙氣再循環(huán)管道安裝在鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)口和煙氣出口之間，不增加額外的風(fēng)機(jī)，僅僅增加電動(dòng)調(diào)風(fēng)閥，因此成本較低。煙道風(fēng)壓高于風(fēng)機(jī)進(jìn)口風(fēng)壓，煙氣依靠系統(tǒng)的壓力就可以自然流動(dòng)?？諝夂蜔煔庹{(diào)節(jié)閥可以精確控制各個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的煙氣再循環(huán)量。這種方式前提是鼓風(fēng)機(jī)有一定的余量，且再循環(huán)煙氣量較低。

(2)鍋爐煙氣出口至鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)口煙氣再循環(huán)(帶煙氣再循環(huán)風(fēng)機(jī))如圖2所示。

圖2 帶煙氣再循環(huán)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)圖

這種方式煙氣再循環(huán)管道安裝在鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)口和煙氣出口之間，并在該管道上安裝煙氣再循環(huán)風(fēng)機(jī)和電動(dòng)調(diào)風(fēng)閥。這種方式煙氣再循環(huán)量較大大，依靠系統(tǒng)的壓力無(wú)法克服大煙氣量的阻力，必須安裝煙氣再循環(huán)風(fēng)機(jī)。這種方式前提是鼓風(fēng)機(jī)有一定的余量。

(3)鍋爐煙氣出口至鼓風(fēng)機(jī)出口煙氣再循環(huán)如圖3所示。

圖3 從出風(fēng)口煙氣再循環(huán)系統(tǒng)圖

這種方式是在鼓風(fēng)機(jī)出風(fēng)口和煙氣出口之間安裝煙氣再循環(huán)管道，并在管道上安裝煙氣再循環(huán)風(fēng)機(jī)和電動(dòng)調(diào)風(fēng)閥。鼓風(fēng)機(jī)出口壓力大于排煙處壓力，煙氣無(wú)法依靠系統(tǒng)的壓力流動(dòng)到鼓風(fēng)機(jī)出口，必須安裝煙氣再循環(huán)風(fēng)機(jī)。這種方式對(duì)鼓風(fēng)機(jī)不要求有過(guò)多的余量，但是選擇再循環(huán)風(fēng)機(jī)功率較大。

對(duì)于微負(fù)壓運(yùn)行的鍋爐，既有鼓風(fēng)機(jī)，也有引風(fēng)機(jī)，煙氣再循環(huán)的方式較多。

(1)引風(fēng)機(jī)出口至鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)口煙氣再循環(huán)如圖4所示。

圖4 負(fù)壓燃燒無(wú)再循環(huán)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)圖

這種方式煙氣再循環(huán)管道安裝在引風(fēng)機(jī)出口側(cè)和鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)側(cè)，不增加額外的風(fēng)機(jī)，僅增加電動(dòng)調(diào)風(fēng)閥，因此成本較低。引風(fēng)機(jī)出口為正壓，鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)口為負(fù)壓，煙氣依靠系統(tǒng)的壓力就可以自然流動(dòng)，這種方式前提是引風(fēng)機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)都有一定的余量，且再循環(huán)煙氣量較低。

(2)引風(fēng)機(jī)出口至鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)口煙氣再循環(huán)(帶煙氣再循環(huán)風(fēng)機(jī))如圖5所示。

圖5 引風(fēng)機(jī)出口至鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)口循環(huán)系統(tǒng)圖

這種方式煙氣再循環(huán)管道安裝在引風(fēng)機(jī)出口、鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)口，并增加煙氣再循環(huán)風(fēng)機(jī)、電動(dòng)調(diào)風(fēng)閥，成本較上一種方式有所增加。這種方式煙氣再循環(huán)量更大，依靠系統(tǒng)的壓力無(wú)法克服大煙氣量的阻力，必須增加煙氣再循環(huán)風(fēng)機(jī)。這種方式前提是引風(fēng)機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)都有較大的余量，再循環(huán)風(fēng)機(jī)功率小。

(3)引風(fēng)機(jī)進(jìn)口至鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)口煙氣再循環(huán)如圖6所示。

圖6 從引風(fēng)進(jìn)口至鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)口循環(huán)系統(tǒng)圖

這種方式煙氣再循環(huán)管道安裝在引風(fēng)機(jī)進(jìn)口與鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)口之間，并增加煙氣再循環(huán)風(fēng)機(jī)和電動(dòng)調(diào)風(fēng)閥，與第一種方式相比，成本有所增加。鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)口壓力大于引風(fēng)機(jī)進(jìn)口處壓力，煙氣無(wú)法依靠系統(tǒng)的壓力流動(dòng)到鼓風(fēng)機(jī)出口，這種方式前提是不需要引風(fēng)機(jī)有余量，只要求鼓風(fēng)機(jī)都有一定的余量，煙氣再循環(huán)量對(duì)引風(fēng)機(jī)沒(méi)有什么影響。

(4)引風(fēng)機(jī)出口至鼓風(fēng)機(jī)出口煙氣再循環(huán)如圖7所示。

這種方式煙氣再循環(huán)管道安裝在引風(fēng)機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)出口之間，同時(shí)在再循環(huán)管道上安裝煙氣再循環(huán)風(fēng)機(jī)和電動(dòng)調(diào)風(fēng)閥，成本有所增加。鼓風(fēng)機(jī)出口壓力大于引風(fēng)機(jī)出口處壓力，煙氣無(wú)法依靠系統(tǒng)的壓力流動(dòng)到鼓風(fēng)機(jī)出口，必須安裝煙氣再循環(huán)風(fēng)機(jī)。這種方式前提是不需要鼓風(fēng)機(jī)有余量，只要求引風(fēng)機(jī)都有一定的余量，煙氣再循環(huán)量對(duì)鼓風(fēng)機(jī)沒(méi)有什么影響。

圖7 引風(fēng)機(jī)出口至鼓風(fēng)機(jī)出口循環(huán)系統(tǒng)圖

(5)引風(fēng)機(jī)進(jìn)口至鼓風(fēng)機(jī)出口煙氣再循環(huán)如圖8所示。

圖8 引風(fēng)機(jī)進(jìn)口至鼓風(fēng)機(jī)出口循環(huán)系統(tǒng)圖

這種方式煙氣再循環(huán)管道安裝在引風(fēng)機(jī)進(jìn)口和鼓風(fēng)機(jī)出口間，并在其上安裝煙氣再循環(huán)風(fēng)機(jī)和電動(dòng)調(diào)風(fēng)閥。鼓風(fēng)機(jī)出口壓力大于引風(fēng)機(jī)進(jìn)口處壓力，煙氣無(wú)法依靠系統(tǒng)的壓力流動(dòng)到鼓風(fēng)機(jī)出口，必須安裝煙氣再循環(huán)風(fēng)機(jī)。這種方式前提是不需要鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)有余量，運(yùn)行中煙氣再循環(huán)量對(duì)鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)沒(méi)有什么影響。這種方式比較適合老系統(tǒng)改造。

煙氣再循環(huán)需注意再循環(huán)煙氣的溫度和助燃空氣的溫度，煙氣與空氣混合后溫度過(guò)低會(huì)產(chǎn)生冷凝水。混合后氣體溫度過(guò)高，會(huì)提高爐膛燃燒溫度，減弱脫硝的效果。此外煙氣再循環(huán)比例需要流量計(jì)、氧量計(jì)、熱電阻等儀表進(jìn)行合理控制。

2.2 煙氣再循環(huán)脫硝的原理

煙氣再循環(huán)率對(duì)NOx排放具有重要影響，其中包括 4個(gè)因素，一是溫度的影響，增加煙氣再循環(huán)率相當(dāng)于氣體稀釋空氣，尤其再循環(huán)煙氣中的H2O和CO2等比熱較大的三原子分子，當(dāng)煙氣再循環(huán)率為 10%時(shí)，燃燒絕熱溫度降低150 ℃，從而減少了熱力型NOx排放；二是含氧量的影響，增加煙氣再循環(huán)率降低了助燃空氣中的氧分壓，當(dāng)煙氣再循環(huán)率為 10%、過(guò)?？諝庀禂?shù)為1.2時(shí)，助燃空氣中的氧含量為19.3%，將降低反應(yīng)速率，在一定程度上抑制熱力型 NOx的生成；三是流速的增加在一定程度上加速了混合，減少了快速型 NOx的生成；四是燃料中的CO，H2，CH4等還原性氣體在950 ℃且適當(dāng)O2濃度情況下，表現(xiàn)出活躍的還原特性，與煙氣中NOx發(fā)生還原反應(yīng)，主要反應(yīng)如下：

研究發(fā)現(xiàn)，可燃?xì)鉂舛?、O2濃度、溫度、初始NO濃度、停留時(shí)間對(duì)燃料型還原氣還原NO能力有一定影響。經(jīng)過(guò)測(cè)試，當(dāng)煙氣再循環(huán)率在50%時(shí)，NOx排放濃度穩(wěn)定在100 mg/m3左右，此時(shí)熱力型NOx幾乎為零，大部分燃料型NOx發(fā)生還原。當(dāng)煙氣再循環(huán)比例提高，燃燒會(huì)變得不穩(wěn)定，CO不完全燃燒損失增加。

圖9顯示了在某炭黑廠尾氣烘干窯煙氣再循環(huán)率與NOx排放濃度的試驗(yàn)結(jié)果。

圖9 煙氣再循環(huán)與NOx排放濃度

3 結(jié) 論

煙氣再循環(huán)技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在氣體燃料燃燒的鍋爐上，對(duì)熱力型NOx有非常好的抑制效果，隨著再循環(huán)煙氣量的增加，熱力型NOx可以降低到零。爐膛溫度的降低，CO、H2、CH4等還原性氣體表現(xiàn)出活躍的還原特性，進(jìn)一步與燃料型NOx發(fā)生還原，達(dá)到脫硝的目的。為了在高溫情況下表現(xiàn)出CO、H2、CH4等氣體的還原性，需要控制好爐膛燃燒溫度和爐膛中O2的含量。溫度越低，O2含量越少，還原性氣體更易與NOx反應(yīng)；溫度越高，O2含量越高，還原性氣體更易與O2反應(yīng)。

炭黑尾氣、燒結(jié)煙氣、高爐煤氣等常見(jiàn)的工業(yè)廢氣中均普遍存在燃料型NOx，如果能優(yōu)化改進(jìn)燃燒過(guò)程，用燃料中自身的還原氣體脫硝，以廢治廢將會(huì)達(dá)到更好的效果。