利用液态碳氢燃料优化再燃过程脱硝实验研究

利用液态碳氢燃料优化再燃过程脱硝实验研究

通过燃烧过程中形成的氮氧化物（nox）是世界上的主要污染物，其中约67%是通过燃煤锅炉产生的。过去,由于我国对环保要求较低和技术经济上的考虑,对SO2的脱除重视较多,而对电厂及其它大型工业锅炉的NOx脱除还不普遍。据调查,我国燃煤电站锅炉的NOx排放量普遍超标,随着我国环保要求提高和经济技术发展,对电站锅炉NOx排放施行更严格限制的新国家标准已经颁布和实施(GB13223-2003)。因此,开发适合我国国情的低NOx燃烧技术具有重要意义。1再燃技术是煤粉锅炉nox排放的主要补救措施目前,控制NOx排放的技术主要可分为燃烧前处理,燃烧中的低NOx燃烧技术和燃烧后的烟气净化技术。从技术和经济的角度出发,低NOx燃烧技术一直是应用最广泛的控制NOx排放的措施。其原理是通过各种技术手段抑制或还原燃烧过程中生成的NOx,以降低NOx排放量。即便是为满足排放标准的要求不得不使用投资和运行成本巨大的燃烧后的烟气净化技术,仍须采用低NOx燃烧技术来降低净化装置入口的NOx浓度,以达到节省运行费用的目的。低NOx燃烧技术主要包括低NOx燃烧器、浓淡偏差燃烧、烟气再循环法以及空气分级燃烧技术等。其中只有低NOx燃烧器技术最大可降低60%的NOx排放量,应用于煤粉锅炉后可使NOx达到排放标准,但该技术同时也带来了燃烧效率下降、炉膛结渣和高温腐蚀等问题。据有关报道,由于存在上述缺点,美国已不再继续推广使用低NOx燃烧器,并且目前正在已安装了低NOx燃烧器的煤粉锅炉上广泛采取补救措施,克服上述缺点。再燃烧技术是一般采取的主要补救措施之一。再燃烧(Reburning)技术又称为燃料分级技术,是一种能够大幅度降低NOx排放量的燃烧技术,一般可降低NOx的排放量达50%以上。其原理如图1所示。它将炉内分成主燃烧区、再燃烧区和燃尽区。80%~90%左右的一次燃料在过量空气系数α>1的条件下喷入主燃烧区进行燃烧,同时生成大量NOx;其余10%~20%左右的再燃燃料则由再燃区喷入,形成富燃料条件(α<1),再燃区域中由于氧量不足,再燃燃料形成大量的碳氢基团等还原性物质将主燃烧区形成的NOx还原,同时还可抑制新的NOx生成;最后燃烧产物进入燃尽区,由送入的燃尽风(OFA)燃尽未燃尽的燃料(主要为一氧化碳及未燃尽的碳氢化合物)。燃尽过程中会重新生成少量的NOx,但总的来看,采用再燃烧技术后,NOx的排放量可在主燃烧区采用低NOx燃烧器降低NOx生成量的基础上,再减少50%~70%的NOx排放量。再燃烧这一概念最早由Wendt等人于1973年提出,直到1983年日本三菱公司将再燃技术应用于实际的锅炉并降低了大于50%的NOx排放量,这一方法才得以确立并实际应用。再燃技术中再燃燃料可以是各类燃料,包括气态碳氢化合物(天然气)、煤粉、油、生物质、水煤浆甚至沥青。气态碳氢化合物在燃烧时由于能产生大量的烃类而又不含有氮类物质,同时又易与烟气充分混合和反应,是普遍认为较理想的再燃燃料。采用再燃技术不但可以降低煤粉锅炉的NOx排放量,而且也不存在炉内结渣、高温腐蚀等其它低NOx燃烧技术带来的不良现象,已成为最有效的低NOx燃烧技术之一。再燃技术在美国的电站煤粉锅炉中已有成功的工业示范,该技术是美国能源部(DOE)洁净煤技术计划的一项重要成果,已在工业发达国家进行大面积的工业推广应用,但是,其技术关键处如再燃气体的喷口位置、几何尺寸、气流参数等均保密。目前,在国内利用气体燃料再燃技术降低煤粉锅炉NOx排放的系统研究报道极少。因此,进行这方面的研究工作对开发适合我国国情的高效低NOx再燃技术具有重要意义。2卧式单角炉上的再燃实验本文利用气态碳氢燃料作为再燃燃料,在1台93kW的卧式单角炉上进行了再燃实验。实验通过改变再燃燃料的喷入量和喷入位置,以及改变燃尽风的喷入位置,考察了不同工况下再燃技术降低NOx排放量的效果。2.1燃烧侧墙的检测孔布置实验以卧式单角炉为实验台架,如图2所示。卧式单角炉燃烧室设计热负荷为93kW,燃烧室横截面积为0.35×0.5(m2),长约4m。单角炉燃烧室一侧水平轴线上布置有11个测量孔,分布方式如图3所示。各测孔与燃烧器出口之间距离如表1所示。实验通过单角炉燃烧器喷口送入煤粉燃烧,由燃烧室侧墙测量孔在不同位置喷入再燃燃料及燃尽风,在尾部测定烟气中NOx浓度的变化。实验中尾部烟气测量采用英国制造KM900型烟气分析仪,其NOx测量范围为0~5000mg/kg,分辨率为1mg/kg。2.2材料及再燃燃料高位发热量实验所用主燃料(煤)的煤质分析如表2所示。实验再燃燃料为碳氢化合物,主要成分为丙烷、丙烯、丁烷和丁烯,约占总体积的90%以上,其余成分为少量其它碳氢化合物和空气,再燃燃料低位发热量约为110000kJ/Nm3。2.3实验仪器和方法实验中主燃烧区各风管风量保持不变,燃尽风量保持不变,因此喷入炉膛的总风量保持不变。主燃烧区风源由大型离心鼓风机提供,冷风经电加热器加热到约150°C,然后由分配器经各风管分别送往一、二次风喷口,风量由微压计来测量。燃尽风源由小型鼓风机提供,燃尽风由与风机连接的喷管从侧墙测量孔喷入炉膛。实验中煤粉给粉率保持为13kg/h不变,给粉率由滑动调节电阻控制的给粉绞龙控制。再燃燃料从气瓶中经减压阀减压后,通过喷管从侧墙测量孔喷入炉膛燃烧,再燃燃料流量由浮子流量计控制。实验过程中,炉膛主体平均温度保持在1200°C左右。实验工况如表3所示。再燃燃料量按4.8v/min,7.6l/min和10l/min进行了实验,对应于每一种再燃燃料流量,改变再燃燃料和燃尽风在侧墙测量孔(图3)的喷入位置,同时在炉膛出口处(图3中11号孔)测定烟气中NOx浓度的变化,从而确定最佳工况。3燃气碳氢燃料+nx排放量实验中各工况下测得的脱硝效率如表4所示。由表4可知:当再燃燃料的流量达到一定数值时,在8号测孔喷入燃尽风,同时在3号或4号测孔喷入再燃燃料时的脱硝效率可以达到50%以上,这表明利用气态碳氢燃料降低NOx排放量是切实可行的。我们同时也发现,再燃燃料喷入位置和喷入量以及燃尽风喷入位置等因素对脱硝效率有较大影响,不同的实验条件下,再燃脱硝效率有较大的差别。3.1再燃燃料喷入点间距在再燃过程中,再燃燃料和燃尽风的喷入位置共同决定了再燃区的长度,再燃区域的长度对降低NOx的排放量有很大影响。图4表示了燃尽风由8号测孔喷入,同时再燃燃料分别由2~5号测孔(如图4中数字所示)喷入时脱硝效率的比较。从图中可以发现,当燃尽风的喷入位置一定时,随着再燃燃料喷入点逐渐靠近主燃烧区(由5~2号测孔),再燃区域长度增大,但脱硝效率并没用单调增加,而是在4号测孔喷入再燃燃料时达到了最大值。实验结果表明:再燃区的长度对降低NOx的排放量有很大影响。再燃过程中增大再燃区的长度,可以增加停留时间,使NOx的还原反应充分进行,有利于提高脱硝效率;但当燃尽风喷入位置一定时,这势必会使再燃燃料喷口靠近主燃烧区,从而减少主燃料在主燃烧区的停留时间,这不仅会降低燃尽率,而且会使过多的氧量进入再燃区消耗再燃燃料分解形成的CHi等还原性基团,从而减弱NOx被还原的效果。因此,再燃过程中再燃燃料和燃尽风的喷入点存在着最佳位置,它们共同决定了最佳的再燃区域长度。在实际再燃过程中,再燃区域长度通常会受到不同程度的限制,对于不同的燃烧设备和燃烧状态,应根据具体情况确定合适的再燃区域长度,从而优化再燃过程。3.2再燃区域长度对脱硝效率的影响根据表4的实验结果,(4,8)工况((4,8)表示在4号测孔喷入再燃燃料,同时在8号测孔喷入燃尽风的工况,下同)具有与(3,7)工况相同的再燃区域长度,其再燃区域均比(3,8)工况的要小,但(4,8)工况的脱硝效率要比(3,8)工况的略好。这一方面说明再燃区域的长度存在较优值(本实验中为1.4m左右),另一方面也说明当再燃区域的长度合适时,再燃燃料的喷入位置对脱硝效率有重要影响。若再燃燃料的喷入位置选择的不合适,如实验中(3,7)工况,就需要增大再燃区域的长度(增大至(3,8)工况的长度)来获得较高的脱硝效率(达到与(4,8)工况相近的脱硝效率)。另外,如表5所示,(3,6),(4,7),(5,8)3种工况的再燃区域长度相同,但比较实验结果,在4号测孔喷入再燃燃料时的脱硝效率相对较好。这也证明了即使在相同的再燃区长度的条件下,要得到较高的再燃脱硝效率,还应选择较佳的再燃燃料喷入位置。再燃燃料通常的喷入位置应该温度比较高,NOx浓度较大,可以形成较好的还原性气氛,以有利于再燃燃料与NOx充分反应。在实际再燃过程中,再燃燃料的最佳喷入位置应由具体实验确定。3.3气体再燃燃料投入量实验中随着再燃燃料流量的增大,脱硝效率提高;但再燃燃料流量由7.6l/min增加到10l/min时,各工况下脱硝效率提高的并不明显。这说明通过增加气态再燃燃料量来降低NOx排放存在一个优化值,再燃燃料投入量达到一定值时,继续增加再燃燃料量对提高脱硝效率的作用并不明显。季俊杰等人在层燃炉上进行的气体再燃实验也得到了相似的结果。实际上,利用气态碳氢燃料作为再燃燃料时,再燃燃料的投入量与具体的碳氢燃料种类有关。有研究表明:气态碳氢燃料还原NOx的能力能够随着烃分子中碳原子数目的增加而增加,但清华大学钟北京等人的研究结果却与之相悖,详细的规律还需进一步的研究。在一般情况下,再燃燃料的发热量为总热量的10%~20%时即可获得较高的脱硝效率。3.4再燃过程的优化在实验中,随着再燃燃料流量的加大,再燃区过量空气系数αR由0.92减小为0.87(如表3所示),脱硝效率有明显提高;但当αR由0.87减小为0.83时,脱硝效率并没有明显提高。这说明αR的减小对提高脱硝效率的作用是有限的。从再燃还原NOx的机理可知,再燃区中喷入的再燃燃料分解和反应形成的HCN和NHi等基团是还原NOx的主要物质。再燃区中如果αR过小,将会有大量的未反应的HCN和NHi离开再燃区,并在燃尽区中被氧化为NOx,从而降低了NOx的还原率;如果αR过大,由于再燃区中氧含量较大,得不到足够的HCN和NHi与NOx反应,也不利于NOx的还原。因此,再燃区中的过量空气系数αR存在着一个最佳值,对再燃区的优化,需要使离开再燃区的含氮物质总量(TFN=HCN+NHi+NOx)达到最小。实际上,影响再燃脱硝效率的各种因素是相互联系的,不是单变量因素,这些因素之间存在一定的耦合关系。建立精确的模型对再燃过程进行模拟和优化是必要的,同时采用实验手段对影响再燃过程的因素进行研究,以优化再燃过程也尤其重要。实际的再燃设计中应充分考虑这些影响因素,并结合具体情况进行合理调整。4氮气再燃燃料时间及用量本文对在卧式单角炉上利用气态碳氢燃料作为再燃燃料降低NOx排放量的实验进行了分析,研究了实际再燃过程中影响再燃脱硝效率的几个关键因素,得到了以下结论:(1)实验中获得的再燃脱硝效率达到了50%以上,这证明利用气态碳氢燃料再燃技术能够有效降低燃煤锅炉的NOx排放