煤粉再燃的工業(yè)爐試驗(yàn)和一維試驗(yàn)對(duì)比

賈建華　梁繼武

摘 要：從系統(tǒng)NOx還原效果，主燃區(qū)、再燃區(qū)和燃燼區(qū)內(nèi)NOx的降解幾方面對(duì)煤粉再燃在燃煤四角爐和一維試驗(yàn)臺(tái)上的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)照分析，給出了適合燃煤四角爐再燃評(píng)價(jià)的NOx還原率計(jì)算公式。通過比較認(rèn)為，一維煤粉再燃試驗(yàn)結(jié)果與四角爐試驗(yàn)基本相符，但是，四角爐可以讓工作人員更全面地了解鍋爐煙氣行程內(nèi)NOx的降解情況。四角爐試驗(yàn)與一維試驗(yàn)的結(jié)果相互補(bǔ)充，為實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用提供了有益的參考。

關(guān)鍵詞：煤粉；燃煤四角爐；一維試驗(yàn)；NOx

中圖分類號(hào)：TK229.6+3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）13-0025-02

燃煤電站鍋爐煙氣中的NOx是一種污染物，它會(huì)破壞臭氧層，引發(fā)光化學(xué)煙霧，進(jìn)而影響動(dòng)、植物的生長(zhǎng)?；趯?duì)環(huán)境的保護(hù)，對(duì)多種電站鍋爐低NOx排放技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，從經(jīng)濟(jì)性和適用性的角度考慮，煤粉再燃得到了重視。電站鍋爐燃燒過程是復(fù)雜的，在一維試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行煤粉再燃的研究，有利于參數(shù)調(diào)節(jié)，可以確定反應(yīng)影響因素，但其試驗(yàn)工況與爐內(nèi)實(shí)際過程存在一定的差異，未涉及鍋爐各區(qū)域間的相互影響。在1臺(tái)2.11 MW的燃煤四角爐上進(jìn)行煤粉再燃試驗(yàn)，將試驗(yàn)得出的結(jié)果與一維試驗(yàn)得出的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比、分析，獲取再燃技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用特性。

1 試驗(yàn)裝置

一維試驗(yàn)臺(tái)一般采用柱塞流燃燒形式，以模擬單一燃燒區(qū)為主要目的，其系統(tǒng)布置如圖1所示。

2.2.1 主燃區(qū)內(nèi)NOx的變化

NOx主要生成在主燃區(qū)內(nèi)，影響NOx生成量和系統(tǒng)對(duì)NOx還原效果的主要因素是過量空氣系數(shù)α1. 圖4給出了四角爐在不同α1工況下主燃區(qū)NOx的生成情況，圖5反映了相應(yīng)工況系統(tǒng)NOx的還原率。如圖4所示，在相同燃料供給情況下，α1較大時(shí)，NOx生成量較多，系統(tǒng)NOx的還原率較低。這是因?yàn)橹魅紖^(qū)高氧濃度易于含N物質(zhì)氧化，促進(jìn)NO、NO2的形成，而未消耗的殘余氧將進(jìn)入再燃區(qū)，削弱了NOx的還原，使NOx降解效果變差。圖3顯示，主燃區(qū)同樣存在NOx的降解。一維試驗(yàn)僅討論α1變化對(duì)系統(tǒng)脫硝的影響，并不涉及主燃區(qū)NOx的變化。HAO LIU等人的一維試驗(yàn)結(jié)果與四角爐試驗(yàn)一致，即再燃燃料量固定時(shí)，NOx的還原效率隨α1的增大而降低。

2.2.2 再燃區(qū)內(nèi)NOx的降解

一維試驗(yàn)對(duì)再燃區(qū)NOx的變化進(jìn)行了詳盡的研究。四角爐試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，再燃區(qū)NOx還原效果與α2成反比，當(dāng)α2高于一定值后，改變?cè)偃紖^(qū)過量的空氣系數(shù)，NOx在該區(qū)域的還原效果變化不大。再燃區(qū)的反應(yīng)機(jī)理包括煤粉受熱揮發(fā)的CHi等與NOx間的同相反應(yīng)和焦炭與NOx間的異相反應(yīng)，貧氧有利于進(jìn)行還原。鄭守中發(fā)現(xiàn)，煤焦再燃時(shí)的類似性質(zhì)，并將富氧條件異相作用的強(qiáng)化歸結(jié)為煤焦表面含氧官能團(tuán)富積，在高溫條件下，官能團(tuán)脫吸附能力增強(qiáng)，使煤焦表面活性點(diǎn)增多，從而促進(jìn)還原。由于氧化氛圍抑制同相還原，富氧條件下NOx還原能力的增強(qiáng)可以認(rèn)為是異相還原的貢獻(xiàn)。通過四角爐試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了弱氧氛圍下再燃區(qū)NOx的還原現(xiàn)象，但對(duì)富氧還原現(xiàn)象還待深入研究。

2.2.3 燃燼區(qū)內(nèi)NOx的降解

在四角爐燃燼區(qū)后，測(cè)取NOx的濃度并進(jìn)行整理，發(fā)現(xiàn)爐內(nèi)NOx還原率呈現(xiàn)“V”字型。在圖7中，當(dāng)α2=0.88，α2=1.01時(shí)，爐內(nèi)NOx還原率高；當(dāng)α2=0.95時(shí)，爐內(nèi)NOx還原率低。在試驗(yàn)中，燃燼區(qū)過量空氣系數(shù)保持在1.10.Per G. Kristensen等人曾對(duì)燃燼區(qū)特性進(jìn)行研究，他們認(rèn)為，在富氧條件下，燃燼區(qū)的化學(xué)變化與氧濃度關(guān)系不大。由此可見，上述工況NOx還原效果的差異源于再燃區(qū)的影響和NOx在燃燼區(qū)的進(jìn)一步降解。當(dāng)α2=0.88時(shí)，NOx在再燃區(qū)內(nèi)已得到了充分降解，燃燼區(qū)內(nèi)NOx受到的影響是有限的。當(dāng)α2=1.01時(shí)，弱氧再燃區(qū)的NOx降解率有限，但燃燼區(qū)內(nèi)煤焦的異相還原作用彌補(bǔ)了這一不足，使該工況下NOx的還原效率提高。當(dāng)α2=0.95時(shí)，同相和異相機(jī)制都不顯著，NOx降解效果最差。

2.3 燃燒方式對(duì)NOx還原效果的影響

鍋爐燃燒方式有旋流燃燒（cyclone-firing）和切向燃燒（tangential-firing）等幾種類型。不同的燃燒方式爐內(nèi)溫度和煙氣混合情況會(huì)有所不同，會(huì)對(duì)再燃效果造成一定的影響。一維試驗(yàn)火焰多為柱塞流形式，不適用于對(duì)燃燒方式進(jìn)行研究，而工業(yè)爐試驗(yàn)結(jié)果可以用來進(jìn)行不同燃燒方式脫硝效果的對(duì)照。美國(guó)加州電力研究所和芝加哥燃?xì)庋芯克M(jìn)行過1.75 MW旋風(fēng)爐煤粉再燃試驗(yàn)，再燃比為21%，α2在0.85～0.95之間，爐膛出口過量空氣系數(shù)為1.15，NOx還原效率為42%. 上述旋風(fēng)爐試驗(yàn)條件與本文闡述相近，雖然旋風(fēng)爐的爐內(nèi)溫度高，混合充分，有利于煤粉對(duì)NOx的還原，但是數(shù)據(jù)顯示，燃燒方式對(duì)再燃脫硝效果影響不大。

3 結(jié)論

四角爐試驗(yàn)和一維試驗(yàn)都可以研究煤粉再燃技術(shù)，但是，四角爐由于具備系統(tǒng)的完整性和連續(xù)性，其研究?jī)?nèi)容比一維試驗(yàn)爐更豐富，NOx在整個(gè)煙氣流程中的不同變化得到較為完整的考察。

在四角爐煤粉再燃試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，NOx的降解發(fā)生在系統(tǒng)的各個(gè)區(qū)域，影響因素眾多。其中，主燃區(qū)α1與NOx的產(chǎn)生成正比，與NOx的降解效果成反比；再燃區(qū)還原性氣氛有助于NOx降解，貧氧氛圍也可實(shí)現(xiàn)NOx的還原；燃燼區(qū)依然存在NOx的降解，且異相還原機(jī)制起主要作用。相比之下，一維試驗(yàn)對(duì)NOx還原的研究著重點(diǎn)在于再燃區(qū)，且內(nèi)容單一。

文中提出的NOx還原率定義公式可以合理地評(píng)價(jià)四角爐應(yīng)用再燃的NOx還原效果，并可將其進(jìn)行推廣，應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)過程中，而一維試驗(yàn)公式僅適用于對(duì)單一燃燒區(qū)內(nèi)的再燃情況進(jìn)行研究。

四角爐試驗(yàn)可以方便進(jìn)行燃燒方式對(duì)再燃脫硝影響的研究，一維試驗(yàn)多為柱塞流的燃燒方式，未能計(jì)及這種影響。

參考文獻(xiàn)

[1]唐志國(guó)，朱全利，賈祥，等.煤燃燒一維熱態(tài)試驗(yàn)爐的研制[J].鍋爐技術(shù)，2003，34（4）：16-18.

[2]鄭守中.煤粉再燃燒技術(shù)中煤焦異相還原高溫?zé)煔庵蠳O的試驗(yàn)和理論研究[D].南京：東南大學(xué)，1999.

[3]李戈，師東波，池作和，等.煤粉再燃還原NO的實(shí)驗(yàn)研究[J].電站系統(tǒng)工程，2004，20（1）：44-46.

[4]HAO LIU，EDWARD HAMPATRSOUMIAN，BERNARD M，et al. Evaluation of the optimal fuel characteristics for efficient NO reduction by coal reburning[J].FUEL，1997，76（11）：985-993.

[5]PER G.KRISTENSEN，PETER GLARBORG，KIM DAM- JOHANSEN.Nitrogen chemistry during burnout in fuel-staged combustion[J].COMBUSTION AND FLAME，1996，107（3）：211-222.

[6]鐘北京，傅維標(biāo).再燃燃料中HCN對(duì)NOx還原的影響[J].熱能動(dòng)力工程，2000，85（15）：4-8.

[7]Kokk·A，趙虹.旋風(fēng)鍋爐NOx控制的再燃燒技術(shù)[J].環(huán)保科技情報(bào)，1990（3）：22-23.

〔編輯：白潔〕

Abstract： NOx reduction effect from the system， the main combustion zone， reburn zone and burnout zone NOx degradation of several aspects of the coal reburning test results in the four corners of the furnace and fired a one-dimensional test rig were compared， given suitable coal-fired furnace reburn corners evaluate NOx reduction rate calculation formula. By comparison believes that a one-dimensional coal reburning test result is basically consistent with the four corners of the furnace test， however， the four corners of the furnace can allow staff more comprehensive understanding of the boiler flue gas NOx degradation of the trip. Corners furnace test and one-dimensional test results complement each other to provide a useful reference for practical application.

Key words： coal； coal-fired furnace corners； one-dimensional test； NOx

[2]鄭守中.煤粉再燃燒技術(shù)中煤焦異相還原高溫?zé)煔庵蠳O的試驗(yàn)和理論研究[D].南京：東南大學(xué)，1999.

[3]李戈，師東波，池作和，等.煤粉再燃還原NO的實(shí)驗(yàn)研究[J].電站系統(tǒng)工程，2004，20（1）：44-46.

[4]HAO LIU，EDWARD HAMPATRSOUMIAN，BERNARD M，et al. Evaluation of the optimal fuel characteristics for efficient NO reduction by coal reburning[J].FUEL，1997，76（11）：985-993.

[5]PER G.KRISTENSEN，PETER GLARBORG，KIM DAM- JOHANSEN.Nitrogen chemistry during burnout in fuel-staged combustion[J].COMBUSTION AND FLAME，1996，107（3）：211-222.

[6]鐘北京，傅維標(biāo).再燃燃料中HCN對(duì)NOx還原的影響[J].熱能動(dòng)力工程，2000，85（15）：4-8.

[7]Kokk·A，趙虹.旋風(fēng)鍋爐NOx控制的再燃燒技術(shù)[J].環(huán)?？萍记閳?bào)，1990（3）：22-23.

〔編輯：白潔〕

Abstract： NOx reduction effect from the system， the main combustion zone， reburn zone and burnout zone NOx degradation of several aspects of the coal reburning test results in the four corners of the furnace and fired a one-dimensional test rig were compared， given suitable coal-fired furnace reburn corners evaluate NOx reduction rate calculation formula. By comparison believes that a one-dimensional coal reburning test result is basically consistent with the four corners of the furnace test， however， the four corners of the furnace can allow staff more comprehensive understanding of the boiler flue gas NOx degradation of the trip. Corners furnace test and one-dimensional test results complement each other to provide a useful reference for practical application.

Key words： coal； coal-fired furnace corners； one-dimensional test； NOx

[2]鄭守中.煤粉再燃燒技術(shù)中煤焦異相還原高溫?zé)煔庵蠳O的試驗(yàn)和理論研究[D].南京：東南大學(xué)，1999.

[3]李戈，師東波，池作和，等.煤粉再燃還原NO的實(shí)驗(yàn)研究[J].電站系統(tǒng)工程，2004，20（1）：44-46.

[4]HAO LIU，EDWARD HAMPATRSOUMIAN，BERNARD M，et al. Evaluation of the optimal fuel characteristics for efficient NO reduction by coal reburning[J].FUEL，1997，76（11）：985-993.

[5]PER G.KRISTENSEN，PETER GLARBORG，KIM DAM- JOHANSEN.Nitrogen chemistry during burnout in fuel-staged combustion[J].COMBUSTION AND FLAME，1996，107（3）：211-222.

[6]鐘北京，傅維標(biāo).再燃燃料中HCN對(duì)NOx還原的影響[J].熱能動(dòng)力工程，2000，85（15）：4-8.

[7]Kokk·A，趙虹.旋風(fēng)鍋爐NOx控制的再燃燒技術(shù)[J].環(huán)?？萍记閳?bào)，1990（3）：22-23.

〔編輯：白潔〕

Abstract： NOx reduction effect from the system， the main combustion zone， reburn zone and burnout zone NOx degradation of several aspects of the coal reburning test results in the four corners of the furnace and fired a one-dimensional test rig were compared， given suitable coal-fired furnace reburn corners evaluate NOx reduction rate calculation formula. By comparison believes that a one-dimensional coal reburning test result is basically consistent with the four corners of the furnace test， however， the four corners of the furnace can allow staff more comprehensive understanding of the boiler flue gas NOx degradation of the trip. Corners furnace test and one-dimensional test results complement each other to provide a useful reference for practical application.

Key words： coal； coal-fired furnace corners； one-dimensional test； NOx