利用液態(tài)碳氫燃料優(yōu)化再燃過程脫硝實驗研究

利用液態(tài)碳氫燃料優(yōu)化再燃過程脫硝實驗研究

通過燃燒過程中形成的氮氧化物（nox）是世界上的主要污染物，其中約67%是通過燃煤鍋爐產(chǎn)生的。過去,由于我國對環(huán)保要求較低和技術(shù)經(jīng)濟上的考慮,對SO2的脫除重視較多,而對電廠及其它大型工業(yè)鍋爐的NOx脫除還不普遍。據(jù)調(diào)查,我國燃煤電站鍋爐的NOx排放量普遍超標,隨著我國環(huán)保要求提高和經(jīng)濟技術(shù)發(fā)展,對電站鍋爐NOx排放施行更嚴格限制的新國家標準已經(jīng)頒布和實施(GB13223-2003)。因此,開發(fā)適合我國國情的低NOx燃燒技術(shù)具有重要意義。1再燃技術(shù)是煤粉鍋爐nox排放的主要補救措施目前,控制NOx排放的技術(shù)主要可分為燃燒前處理,燃燒中的低NOx燃燒技術(shù)和燃燒后的煙氣凈化技術(shù)。從技術(shù)和經(jīng)濟的角度出發(fā),低NOx燃燒技術(shù)一直是應(yīng)用最廣泛的控制NOx排放的措施。其原理是通過各種技術(shù)手段抑制或還原燃燒過程中生成的NOx,以降低NOx排放量。即便是為滿足排放標準的要求不得不使用投資和運行成本巨大的燃燒后的煙氣凈化技術(shù),仍須采用低NOx燃燒技術(shù)來降低凈化裝置入口的NOx濃度,以達到節(jié)省運行費用的目的。低NOx燃燒技術(shù)主要包括低NOx燃燒器、濃淡偏差燃燒、煙氣再循環(huán)法以及空氣分級燃燒技術(shù)等。其中只有低NOx燃燒器技術(shù)最大可降低60%的NOx排放量,應(yīng)用于煤粉鍋爐后可使NOx達到排放標準,但該技術(shù)同時也帶來了燃燒效率下降、爐膛結(jié)渣和高溫腐蝕等問題。據(jù)有關(guān)報道,由于存在上述缺點,美國已不再繼續(xù)推廣使用低NOx燃燒器,并且目前正在已安裝了低NOx燃燒器的煤粉鍋爐上廣泛采取補救措施,克服上述缺點。再燃燒技術(shù)是一般采取的主要補救措施之一。再燃燒(Reburning)技術(shù)又稱為燃料分級技術(shù),是一種能夠大幅度降低NOx排放量的燃燒技術(shù),一般可降低NOx的排放量達50%以上。其原理如圖1所示。它將爐內(nèi)分成主燃燒區(qū)、再燃燒區(qū)和燃盡區(qū)。80%~90%左右的一次燃料在過量空氣系數(shù)α>1的條件下噴入主燃燒區(qū)進行燃燒,同時生成大量NOx;其余10%~20%左右的再燃燃料則由再燃區(qū)噴入,形成富燃料條件(α<1),再燃區(qū)域中由于氧量不足,再燃燃料形成大量的碳氫基團等還原性物質(zhì)將主燃燒區(qū)形成的NOx還原,同時還可抑制新的NOx生成;最后燃燒產(chǎn)物進入燃盡區(qū),由送入的燃盡風(OFA)燃盡未燃盡的燃料(主要為一氧化碳及未燃盡的碳氫化合物)。燃盡過程中會重新生成少量的NOx,但總的來看,采用再燃燒技術(shù)后,NOx的排放量可在主燃燒區(qū)采用低NOx燃燒器降低NOx生成量的基礎(chǔ)上,再減少50%~70%的NOx排放量。再燃燒這一概念最早由Wendt等人于1973年提出,直到1983年日本三菱公司將再燃技術(shù)應(yīng)用于實際的鍋爐并降低了大于50%的NOx排放量,這一方法才得以確立并實際應(yīng)用。再燃技術(shù)中再燃燃料可以是各類燃料,包括氣態(tài)碳氫化合物(天然氣)、煤粉、油、生物質(zhì)、水煤漿甚至瀝青。氣態(tài)碳氫化合物在燃燒時由于能產(chǎn)生大量的烴類而又不含有氮類物質(zhì),同時又易與煙氣充分混合和反應(yīng),是普遍認為較理想的再燃燃料。采用再燃技術(shù)不但可以降低煤粉鍋爐的NOx排放量,而且也不存在爐內(nèi)結(jié)渣、高溫腐蝕等其它低NOx燃燒技術(shù)帶來的不良現(xiàn)象,已成為最有效的低NOx燃燒技術(shù)之一。再燃技術(shù)在美國的電站煤粉鍋爐中已有成功的工業(yè)示范,該技術(shù)是美國能源部(DOE)潔凈煤技術(shù)計劃的一項重要成果,已在工業(yè)發(fā)達國家進行大面積的工業(yè)推廣應(yīng)用,但是,其技術(shù)關(guān)鍵處如再燃氣體的噴口位置、幾何尺寸、氣流參數(shù)等均保密。目前,在國內(nèi)利用氣體燃料再燃技術(shù)降低煤粉鍋爐NOx排放的系統(tǒng)研究報道極少。因此,進行這方面的研究工作對開發(fā)適合我國國情的高效低NOx再燃技術(shù)具有重要意義。2臥式單角爐上的再燃實驗本文利用氣態(tài)碳氫燃料作為再燃燃料,在1臺93kW的臥式單角爐上進行了再燃實驗。實驗通過改變再燃燃料的噴入量和噴入位置,以及改變?nèi)急M風的噴入位置,考察了不同工況下再燃技術(shù)降低NOx排放量的效果。2.1燃燒側(cè)墻的檢測孔布置實驗以臥式單角爐為實驗臺架,如圖2所示。臥式單角爐燃燒室設(shè)計熱負荷為93kW,燃燒室橫截面積為0.35×0.5(m2),長約4m。單角爐燃燒室一側(cè)水平軸線上布置有11個測量孔,分布方式如圖3所示。各測孔與燃燒器出口之間距離如表1所示。實驗通過單角爐燃燒器噴口送入煤粉燃燒,由燃燒室側(cè)墻測量孔在不同位置噴入再燃燃料及燃盡風,在尾部測定煙氣中NOx濃度的變化。實驗中尾部煙氣測量采用英國制造KM900型煙氣分析儀,其NOx測量范圍為0~5000mg/kg,分辨率為1mg/kg。2.2材料及再燃燃料高位發(fā)熱量實驗所用主燃料(煤)的煤質(zhì)分析如表2所示。實驗再燃燃料為碳氫化合物,主要成分為丙烷、丙烯、丁烷和丁烯,約占總體積的90%以上,其余成分為少量其它碳氫化合物和空氣,再燃燃料低位發(fā)熱量約為110000kJ/Nm3。2.3實驗儀器和方法實驗中主燃燒區(qū)各風管風量保持不變,燃盡風量保持不變,因此噴入爐膛的總風量保持不變。主燃燒區(qū)風源由大型離心鼓風機提供,冷風經(jīng)電加熱器加熱到約150°C,然后由分配器經(jīng)各風管分別送往一、二次風噴口,風量由微壓計來測量。燃盡風源由小型鼓風機提供,燃盡風由與風機連接的噴管從側(cè)墻測量孔噴入爐膛。實驗中煤粉給粉率保持為13kg/h不變,給粉率由滑動調(diào)節(jié)電阻控制的給粉絞龍控制。再燃燃料從氣瓶中經(jīng)減壓閥減壓后,通過噴管從側(cè)墻測量孔噴入爐膛燃燒,再燃燃料流量由浮子流量計控制。實驗過程中,爐膛主體平均溫度保持在1200°C左右。實驗工況如表3所示。再燃燃料量按4.8v/min,7.6l/min和10l/min進行了實驗,對應(yīng)于每一種再燃燃料流量,改變再燃燃料和燃盡風在側(cè)墻測量孔(圖3)的噴入位置,同時在爐膛出口處(圖3中11號孔)測定煙氣中NOx濃度的變化,從而確定最佳工況。3燃氣碳氫燃料+nx排放量實驗中各工況下測得的脫硝效率如表4所示。由表4可知:當再燃燃料的流量達到一定數(shù)值時,在8號測孔噴入燃盡風,同時在3號或4號測孔噴入再燃燃料時的脫硝效率可以達到50%以上,這表明利用氣態(tài)碳氫燃料降低NOx排放量是切實可行的。我們同時也發(fā)現(xiàn),再燃燃料噴入位置和噴入量以及燃盡風噴入位置等因素對脫硝效率有較大影響,不同的實驗條件下,再燃脫硝效率有較大的差別。3.1再燃燃料噴入點間距在再燃過程中,再燃燃料和燃盡風的噴入位置共同決定了再燃區(qū)的長度,再燃區(qū)域的長度對降低NOx的排放量有很大影響。圖4表示了燃盡風由8號測孔噴入,同時再燃燃料分別由2~5號測孔(如圖4中數(shù)字所示)噴入時脫硝效率的比較。從圖中可以發(fā)現(xiàn),當燃盡風的噴入位置一定時,隨著再燃燃料噴入點逐漸靠近主燃燒區(qū)(由5~2號測孔),再燃區(qū)域長度增大,但脫硝效率并沒用單調(diào)增加,而是在4號測孔噴入再燃燃料時達到了最大值。實驗結(jié)果表明:再燃區(qū)的長度對降低NOx的排放量有很大影響。再燃過程中增大再燃區(qū)的長度,可以增加停留時間,使NOx的還原反應(yīng)充分進行,有利于提高脫硝效率;但當燃盡風噴入位置一定時,這勢必會使再燃燃料噴口靠近主燃燒區(qū),從而減少主燃料在主燃燒區(qū)的停留時間,這不僅會降低燃盡率,而且會使過多的氧量進入再燃區(qū)消耗再燃燃料分解形成的CHi等還原性基團,從而減弱NOx被還原的效果。因此,再燃過程中再燃燃料和燃盡風的噴入點存在著最佳位置,它們共同決定了最佳的再燃區(qū)域長度。在實際再燃過程中,再燃區(qū)域長度通常會受到不同程度的限制,對于不同的燃燒設(shè)備和燃燒狀態(tài),應(yīng)根據(jù)具體情況確定合適的再燃區(qū)域長度,從而優(yōu)化再燃過程。3.2再燃區(qū)域長度對脫硝效率的影響根據(jù)表4的實驗結(jié)果,(4,8)工況((4,8)表示在4號測孔噴入再燃燃料,同時在8號測孔噴入燃盡風的工況,下同)具有與(3,7)工況相同的再燃區(qū)域長度,其再燃區(qū)域均比(3,8)工況的要小,但(4,8)工況的脫硝效率要比(3,8)工況的略好。這一方面說明再燃區(qū)域的長度存在較優(yōu)值(本實驗中為1.4m左右),另一方面也說明當再燃區(qū)域的長度合適時,再燃燃料的噴入位置對脫硝效率有重要影響。若再燃燃料的噴入位置選擇的不合適,如實驗中(3,7)工況,就需要增大再燃區(qū)域的長度(增大至(3,8)工況的長度)來獲得較高的脫硝效率(達到與(4,8)工況相近的脫硝效率)。另外,如表5所示,(3,6),(4,7),(5,8)3種工況的再燃區(qū)域長度相同,但比較實驗結(jié)果,在4號測孔噴入再燃燃料時的脫硝效率相對較好。這也證明了即使在相同的再燃區(qū)長度的條件下,要得到較高的再燃脫硝效率,還應(yīng)選擇較佳的再燃燃料噴入位置。再燃燃料通常的噴入位置應(yīng)該溫度比較高,NOx濃度較大,可以形成較好的還原性氣氛,以有利于再燃燃料與NOx充分反應(yīng)。在實際再燃過程中,再燃燃料的最佳噴入位置應(yīng)由具體實驗確定。3.3氣體再燃燃料投入量實驗中隨著再燃燃料流量的增大,脫硝效率提高;但再燃燃料流量由7.6l/min增加到10l/min時,各工況下脫硝效率提高的并不明顯。這說明通過增加氣態(tài)再燃燃料量來降低NOx排放存在一個優(yōu)化值,再燃燃料投入量達到一定值時,繼續(xù)增加再燃燃料量對提高脫硝效率的作用并不明顯。季俊杰等人在層燃爐上進行的氣體再燃實驗也得到了相似的結(jié)果。實際上,利用氣態(tài)碳氫燃料作為再燃燃料時,再燃燃料的投入量與具體的碳氫燃料種類有關(guān)。有研究表明:氣態(tài)碳氫燃料還原NOx的能力能夠隨著烴分子中碳原子數(shù)目的增加而增加,但清華大學(xué)鐘北京等人的研究結(jié)果卻與之相悖,詳細的規(guī)律還需進一步的研究。在一般情況下,再燃燃料的發(fā)熱量為總熱量的10%~20%時即可獲得較高的脫硝效率。3.4再燃過程的優(yōu)化在實驗中,隨著再燃燃料流量的加大,再燃區(qū)過量空氣系數(shù)αR由0.92減小為0.87(如表3所示),脫硝效率有明顯提高;但當αR由0.87減小為0.83時,脫硝效率并沒有明顯提高。這說明αR的減小對提高脫硝效率的作用是有限的。從再燃還原NOx的機理可知,再燃區(qū)中噴入的再燃燃料分解和反應(yīng)形成的HCN和NHi等基團是還原NOx的主要物質(zhì)。再燃區(qū)中如果αR過小,將會有大量的未反應(yīng)的HCN和NHi離開再燃區(qū),并在燃盡區(qū)中被氧化為NOx,從而降低了NOx的還原率;如果αR過大,由于再燃區(qū)中氧含量較大,得不到足夠的HCN和NHi與NOx反應(yīng),也不利于NOx的還原。因此,再燃區(qū)中的過量空氣系數(shù)αR存在著一個最佳值,對再燃區(qū)的優(yōu)化,需要使離開再燃區(qū)的含氮物質(zhì)總量(TFN=HCN+NHi+NOx)達到最小。實際上,影響再燃脫硝效率的各種因素是相互聯(lián)系的,不是單變量因素,這些因素之間存在一定的耦合關(guān)系。建立精確的模型對再燃過程進行模擬和優(yōu)化是必要的,同時采用實驗手段對影響再燃過程的因素進行研究,以優(yōu)化再燃過程也尤其重要。實際的再燃設(shè)計中應(yīng)充分考慮這些影響因素,并結(jié)合具體情況進行合理調(diào)整。4氮氣再燃燃料時間及用量本文對在臥式單角爐上利用氣態(tài)碳氫燃料作為再燃燃料降低NOx排放量的實驗進行了分析,研究了實際再燃過程中影響再燃脫硝效率的幾個關(guān)鍵因素,得到了以下結(jié)論:(1)實驗中獲得的再燃脫硝效率達到了50%以上,這證明利用氣態(tài)碳氫燃料再燃技術(shù)能夠有效降低燃煤鍋爐的NOx排放