新型工業(yè)煤粉鍋爐運(yùn)行及排放特性試驗(yàn)研究

李明浩++李國(guó)俊++劉傳鵬++董凌云++郁鴻凌

摘要： 為了改善工業(yè)煤粉鍋爐的NOx排放特性并保證其燃燒效率，對(duì)某新型空氣分級(jí)燃燒器進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn).通過(guò)改變煤種、過(guò)量空氣系數(shù)及三次風(fēng)開(kāi)度，分析了鍋爐NOx及CO排放質(zhì)量濃度的變化規(guī)律，同時(shí)采用反平衡法對(duì)鍋爐的熱效率進(jìn)行了測(cè)算.試驗(yàn)結(jié)果表明，工業(yè)煤粉鍋爐能達(dá)到較高的熱效率；煤中氮含量及揮發(fā)分含量與NOx的生成具有一定的相關(guān)性，氮含量越高，NOx排放質(zhì)量濃度越高，揮發(fā)分含量越低，NOx排放質(zhì)量濃度越高；過(guò)量空氣系數(shù)和三次風(fēng)開(kāi)度不僅影響鍋爐燃燒效率，而且對(duì)NOx排放的影響也較為顯著.研究發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)鍋爐的排煙氧含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）應(yīng)控制在2.5%～2.6%之間較為合理，三次風(fēng)開(kāi)度為39%時(shí)NOx排放質(zhì)量濃度最低.

關(guān)鍵詞： 工業(yè)鍋爐； 煤粉； 分級(jí)燃燒； 過(guò)量空氣系數(shù)； 三次風(fēng)； 氮氧化物

中圖分類(lèi)號(hào)： TK 227 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Abstract： To improve the nitrogen oxides （NOx） emission characteristics of industrial pulverized coal boiler and guarantee its combustion efficiency，field test was carried out on a model of air staged burner newly developed by a company in Shanghai.The emission characteristics of NOx and carbon monoxide （CO） were analyzed by changing the coal type，excess air coefficient and opening of the tertiary air.At the same time，Thermal efficiency of the boiler was calculated by antibalance method.Experimental results showed that high thermal efficiency of this industrial boiler could be achieved.The nitrogen content and volatile content in the coal samples had some correlations with NOx generation.The higher the nitrogen content，the higher the NOx emission was.The lower the volatile content，the higher the NOx emission was.The excess air coefficient and opening of the tertiary air not only had influences on the combustion efficiency of the boiler，but also had significant influence on the NOx emission.It was reasonable to control oxygen content in the flue gas between 2.5%and 2.6%.The lowest NOx emission was achieved when the opening of the tertiary air was 39%.

Keywords： industrial boiler； pulverized coal； staged combustion； excess air coefficient； tertiary air； nitrogen oxides

中國(guó)燃煤工業(yè)鍋爐總量約為57萬(wàn)臺(tái)，年耗燃料約4億t標(biāo)準(zhǔn)煤，污染物排放總量接近電站鍋爐，在許多城市甚至超過(guò)電站鍋爐的排放[1]，在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的NOx更直接危害了人類(lèi)賴(lài)以生存的環(huán)境.上海等重點(diǎn)地區(qū)燃煤鍋爐的NOx排放極限值為200 mg·m-3[2]，而目前的工業(yè)鍋爐大多沒(méi)有達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)，因此對(duì)燃燒器進(jìn)行研發(fā)及改造就變得十分緊迫.本文通過(guò)對(duì)某新型空氣分級(jí)燃燒器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，測(cè)算鍋爐運(yùn)行效率并研究不同煤種、過(guò)量空氣系數(shù)及三次風(fēng)開(kāi)度對(duì)氮氧化物的生成和燃燒效率的影響，為燃燒器的平穩(wěn)運(yùn)行和進(jìn)一步改造提供依據(jù).

1NOx生成機(jī)理及空氣分級(jí)燃燒技術(shù)

1.1NOx生成機(jī)理

燃煤煙氣中的NOx大部分是在燃料的燃燒過(guò)程中生成.在燃燒過(guò)程中，NOx的生成途徑主要有三種，溫度型NOx、快速型NOx及燃料型NOx[3].溫度型NOx的生成速率與反應(yīng)溫度直接相關(guān)，與溫度T大致呈指數(shù)關(guān)系.當(dāng)溫度低于1 500 ℃時(shí)，溫度型NOx的生成量極少，只有當(dāng)溫度高于1 500 ℃時(shí)才開(kāi)始生成[4].快速型NOx是燃料中的碳?xì)浠衔锓纸夂蟮闹虚g產(chǎn)物CmHn （CH2、CH3、C2）撞擊燃燒空氣中的N2生成HCN、CN，再與火焰中產(chǎn)生的大量O、OH反應(yīng)生成NCO，NCO又被進(jìn)一步氧化成NO，快速型NOx在不含氮的碳?xì)淙剂虾驮谳^低溫度下燃燒時(shí)才重點(diǎn)考慮[5].燃料型NOx在生成的NOx中占主要部分，約占整個(gè)NOx排放的75%～95% （體積分?jǐn)?shù)），控制燃料型NOx的生成是控制NOx的關(guān)鍵所在.燃料型NOx的生成機(jī)理非常復(fù)雜，其反應(yīng)機(jī)理現(xiàn)在還不能被完全掌握，其中包括了一系列化學(xué)反應(yīng).燃料中的氮元素完全氧化的化學(xué)過(guò)程是由兩個(gè)相互競(jìng)爭(zhēng)的過(guò)程決定的，即燃料中的氮元素高溫分解生成含有氮原子的中間產(chǎn)物，包括N、CN、HCN、NH3等，然后中間產(chǎn)物和含有氧原子的反應(yīng)物（包括O、OH、O2）反應(yīng)生成NO；另一方面如果在缺氧環(huán)境下則與NO反應(yīng)，使NO還原為N2，最終的NO生成量也就由競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果決定[6-7].

1.2空氣分級(jí)燃燒技術(shù)

空氣分級(jí)燃燒是通過(guò)調(diào)整燃燒器及附近區(qū)域或整個(gè)爐膛區(qū)域內(nèi)空氣和燃料的混合狀態(tài)，使燃料經(jīng)過(guò)富燃料燃燒和富氧燃燒兩個(gè)階段，實(shí)現(xiàn)NOx生成量下降的燃燒控制技術(shù).在富燃料燃燒階段，由于氧氣濃度較低，抑制了熱力型NOx生成，同時(shí)，不完全燃燒使部分已生成的NOx還原成N2，減少了燃料型NOx生成.在富氧燃燒階段，燃料燃盡，但由于此區(qū)域溫度已降低，新生成的NOx數(shù)量有限，因此，總體上NOx的排放量減少[8].工業(yè)煤粉鍋爐內(nèi)部爐膛空間有限，煤粉停留時(shí)間短，因此在工業(yè)煤粉鍋爐上選擇空氣分級(jí)燃燒技術(shù)較為合理.

2鍋爐運(yùn)行效率測(cè)算及試驗(yàn)燃燒器簡(jiǎn)介

2.1鍋爐運(yùn)行效率測(cè)算

我國(guó)燃煤工業(yè)鍋爐以鏈條爐居多，其實(shí)際運(yùn)行效率只有65%左右[9]，能源利用率低，而工業(yè)煤粉鍋爐則有較高的燃燒效率.本文首先采用反平衡法對(duì)本次試驗(yàn)煤粉鍋爐的熱效率進(jìn)行測(cè)算，以便與鏈條爐進(jìn)行直觀的比較.

鍋爐型號(hào)為T(mén)QDHMF201.25AIII高溫低NOx液體排渣煤粉鍋爐，試驗(yàn)工況鍋爐出力為21.19 t·h-1；試驗(yàn)工況排煙溫度為170.1 ℃.

式中：q2為排煙熱損失；q3、q4分別為氣體未完全燃燒熱損失、固體未完全燃燒熱損失；q5為散熱損失，可查表獲得；q6為灰渣物理熱損失；Hpy為排煙處煙氣焓；Hlk為入爐冷空氣焓；Kq4為修正系數(shù)；Qr為輸入熱量；Vgy為排煙處干煙氣體積；CCO為排煙處CO體積分?jǐn)?shù)；Aar為收到基灰分；Clz為爐渣可燃物含量；Cfh為飛灰可燃物含量；（ct）fh為飛灰焓；（ct）lz為爐渣焓；αlz、αfh分別為爐渣含灰量、飛灰含灰量占入爐煤總灰量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；q為總損失；η2為總效率.

由計(jì)算可知，本次試驗(yàn)的煤粉鍋爐的熱效率達(dá)到90.64%，而工業(yè)鏈條爐的效率只有65%左右.因此，若使工業(yè)煤粉鍋爐的污染物排放能較好地達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)并全面推廣，將會(huì)為企業(yè)節(jié)約大量的資金，使資源得到更有效的利用.

2.2試驗(yàn)燃燒器簡(jiǎn)介

在工業(yè)鍋爐上使用煤粉，燃燒器的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵.由于工業(yè)鍋爐的爐膛空間較小，這就要求燃燒器應(yīng)能較好地組織爐內(nèi)的流場(chǎng)，使煤粉高效穩(wěn)定地燃燒，避免結(jié)渣，同時(shí)產(chǎn)生較少的污染物.本次試驗(yàn)用的新型燃燒器采用空氣分級(jí)燃燒技術(shù)，在燃燒過(guò)程中形成3個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分：初始燃燒區(qū)、NOx還原區(qū)和燃料燃盡區(qū).這種改進(jìn)的空氣分級(jí)方法通過(guò)優(yōu)化每個(gè)區(qū)域的過(guò)量空氣系數(shù)，在有效降低NOx排放的同時(shí)可最大限度地提高燃燒效率.燃燒器共有四次風(fēng)，一次風(fēng)用來(lái)將煤粉輸送到燃燒器內(nèi)，二次風(fēng)、三次風(fēng)和四次風(fēng)則先經(jīng)空氣預(yù)熱器加熱后再送入燃燒器.二、三次風(fēng)在進(jìn)入燃燒器前均先通過(guò)固定葉柵，從而產(chǎn)生旋流，增強(qiáng)與煤粉的混合.由于三次風(fēng)風(fēng)量對(duì)NOx生成的影響較為顯著，在設(shè)計(jì)時(shí)，三次風(fēng)共留有六個(gè)均分開(kāi)度，可以通過(guò)改變閥門(mén)開(kāi)度來(lái)控制三次風(fēng)在總風(fēng)量中所占的比例.四次風(fēng)在三次風(fēng)的后部送入，通過(guò)送入充足的氧氣使煤粉完全燃燒.燃燒器的尾部留有凹槽，以此來(lái)排出液態(tài)渣.為延長(zhǎng)燃燒器的使用壽命，在燃燒器外部安裝有水冷套，通過(guò)循環(huán)水對(duì)其進(jìn)行冷卻降溫.

3試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1試驗(yàn)前準(zhǔn)備

本試驗(yàn)使用德國(guó)ECOMJ2KN便攜式多功能煙氣分析儀對(duì)鍋爐尾部的NOx及CO質(zhì)量濃度進(jìn)行檢測(cè)，每個(gè)試驗(yàn)工況取 4～5 組數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，并根據(jù)GB 13271—2014[2]將含氧量（體積分?jǐn)?shù)）修正到9%.煤粉在煤倉(cāng)上方的取樣口取得，所取樣品立即進(jìn)行工業(yè)分析和元素分析，以保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和及時(shí)性.

3.2測(cè)點(diǎn)布置及試驗(yàn)方法

測(cè)點(diǎn)布置在爐膛尾部與空氣預(yù)熱器之間.系統(tǒng)概況及測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示.

試驗(yàn)方法為：

① 保持相同的給煤量及配風(fēng)量，且煤粉均由同一磨煤機(jī)在相同條件下磨得，改變煤種測(cè)量NOx排放質(zhì)量濃度；

② 使用伊泰3煙煤且保持送煤量恒定，改變配風(fēng)量（即過(guò)量空氣系數(shù)），測(cè)得NOx及CO排放質(zhì)量濃度；

③ 使用伊泰3煙煤且保持送煤量、配風(fēng)量恒定，改變?nèi)物L(fēng)開(kāi)度（即三次風(fēng)率），測(cè)得NOx及CO排放質(zhì)量濃度.

3.3試驗(yàn)結(jié)果及分析

表1為煤樣工業(yè)分析與元素分析數(shù)據(jù)；其中：Mad、Aad、Vad分別為煤樣的水分、灰分和揮發(fā)分；FCad為固定碳；Qar，net為發(fā)熱量；Cado、Had、Nad、Sad分別為碳含量、氫含量、氮含量、硫含量.

圖2（a）為NOx排放質(zhì)量濃度與揮發(fā)分含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的關(guān)系.從圖中可以看出，隨著揮發(fā)

分含量的增加，NOx生成量呈下降趨勢(shì).揮發(fā)分

對(duì)NOx轉(zhuǎn)化率的影響與過(guò)量空氣系數(shù)α有關(guān).在

〖CM（78mm〗α>1的氧化性氣氛中，煤的揮發(fā)分越多，NOx轉(zhuǎn)化率越高；但在α<1的還原性氣氛中，高揮發(fā)分煤種的燃料型NOx轉(zhuǎn)化率反而降低，因?yàn)楦邠]發(fā)分的煤在迅速著火后，局部氧含量進(jìn)一步降低，增強(qiáng)了煤粉氣流低溫燃燒階段的還原性氣氛，不僅抑制了燃料氮向NOx的轉(zhuǎn)化，而且還會(huì)使生成的NOx部分被還原，因此煤中的揮發(fā)分含量越高，其生成的NOx質(zhì)量濃度越低.本試驗(yàn)中燃燒器在揮發(fā)分燃燒階段正處于還原性氣氛，因此隨著煤中揮發(fā)分含量的增加，NOx最終生成量會(huì)減少.

圖2（b）為NOx排放質(zhì)量濃度和煤中氮含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的關(guān)系.

從圖中可以看出，隨著煤中氮含量的增加，NOx生成量逐漸增加，但并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系.在燃燒時(shí)，煤中的氮一部分隨揮發(fā)分析出，一部分留在焦炭中.揮發(fā)分氮隨著其燃燒而形成中間產(chǎn)物HCN、NH3和焦油等，這些中間產(chǎn)物的燃燒產(chǎn)物是NO或N2；焦炭中的氮元素在燃燒過(guò)程中以CN的基團(tuán)形式與O、NO等反應(yīng)，同時(shí)在焦炭的催化作用下形成NO、N2 等[10].所以揮發(fā)分燃燒階段生成的NO可以在后一階段的焦炭的燃燒過(guò)程中得到還原，但焦炭的燃燒依然有NO的生成.總的NO的轉(zhuǎn)換率是由揮發(fā)分、焦炭?jī)蓚€(gè)階段的NO生成量和焦炭表面上NO的還原量決定的[11]，因此煤中氮含量對(duì)NOx生成的影響并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系.

圖3（a）為NOx和CO排放質(zhì)量濃度與氧含量的關(guān)系.

隨著配風(fēng)量的增加，鍋爐出口處的氧含量開(kāi)始增加，與此同時(shí)，NOx的生成量也開(kāi)始增加，但出口處的CO質(zhì)量濃度迅速減少，直至為零.產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是隨著入爐氧含量的增加，燃燒加強(qiáng)，使?fàn)t內(nèi)局部火焰溫度上升，為

燃料氮轉(zhuǎn)化為燃料型NOx提供了條件.同時(shí)，入爐生成量迅速增加，因此，總的NOx生成量隨著入爐氧含量的增加而增加.但還應(yīng)注意的是，若配風(fēng)量過(guò)少，CO的生成質(zhì)量濃度會(huì)急劇增加.CO的增加會(huì)使灰熔點(diǎn)大大降低，導(dǎo)致?tīng)t膛結(jié)焦，且過(guò)高的CO質(zhì)量濃度會(huì)在相應(yīng)的區(qū)域產(chǎn)生強(qiáng)烈的還原性氣氛，引起高溫腐蝕；同時(shí)，隨著CO質(zhì)量濃度的增大，不完全燃燒損失增加，使鍋爐效率降低.因此應(yīng)選取合適的過(guò)量空氣系數(shù).從所測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，本試驗(yàn)中燃燒器的鍋爐出口氧含量應(yīng)控制在2.5%～2.6%之間，此時(shí)不僅NOx的排放可達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，CO的生成量也較少.

圖3（b）為NOx及CO 排放質(zhì)量濃度與三次風(fēng)開(kāi)度的關(guān)系.當(dāng)三次風(fēng)的開(kāi)度在33.3%和50.0%時(shí)，NOx生成量較低，而在16.7%和66.7%開(kāi)度時(shí)，NOx生成量則明顯增加.由圖可以看出，三次風(fēng)存在一個(gè)最佳開(kāi)度，使NOx的生成量最小.但由于燃燒器在設(shè)計(jì)時(shí)共有六個(gè)均分開(kāi)度，所以無(wú)法通過(guò)試驗(yàn)找出.擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到NOx生成量y與三次風(fēng)開(kāi)度x的關(guān)系為

由此可知，當(dāng)三次風(fēng)開(kāi)度在39%左右時(shí)NOx生成量將達(dá)到最小，此時(shí)CO排放質(zhì)量濃度也在合理范圍內(nèi)，燃燒器運(yùn)行狀況良好.在燃燒器下一步改造時(shí)可考慮增加三次風(fēng)39%開(kāi)度，然后再次進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量，并與擬合數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比.

4結(jié)論

（1） 本試驗(yàn)中工業(yè)煤粉爐熱效率達(dá)到90.64%，而鏈條爐實(shí)際運(yùn)行效率只有65%左右.再次證明了煤粉爐在資源有效利用上的優(yōu)勢(shì).

（2） 不同煤種對(duì)煤粉爐的NOx排放有很大影響，尤其是煤的揮發(fā)分和氮含量.在污染物排放要求較高的重點(diǎn)地區(qū)，煤粉鍋爐應(yīng)燃燒揮發(fā)分含量相對(duì)較高的煙煤，從而降低NOx排放.

（3） 過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)煤粉鍋爐的燃燒效率和污染物排放影響很大.在保證NOx排放達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的前提下，盡量使煤粉充分燃燒.本試驗(yàn)中燃燒器應(yīng)將鍋爐出口氧含量控制在2.5%～2.6%之間較為合理.

（4） 三次風(fēng)開(kāi)度對(duì)NOx排放的影響較為明顯.應(yīng)合理選擇三次風(fēng)在總配風(fēng)量中所占的比例.由測(cè)得數(shù)據(jù)可知，本試驗(yàn)中燃燒器的三次風(fēng)開(kāi)度為39%時(shí)較為合理.

參考文獻(xiàn)：

[1]何心良.我國(guó)工業(yè)鍋爐使用現(xiàn)狀與節(jié)能減排對(duì)策探討[J].工業(yè)鍋爐，2010（3）：1-8.

[2]GB 13Z71—2014.鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014.

[3]向軍，邱紀(jì)華，熊友輝，等.鍋爐氮氧化物排放特性試驗(yàn)研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2000（9）：80-89.

[4]HABIB M A，ELSHAFEI M，DAJANI M.Influence of combustion parameters on NOx production in an industrial boiler[J].Computers & Fluids，2008，37（1）：12-23.

[5]吳碧君.燃燒過(guò)程中氮氧化物的生成機(jī)理[J].電力環(huán)境保護(hù)，2003，19（4）：9-12.

[6]章勤.燃煤鍋爐低NOx燃燒實(shí)驗(yàn)及模擬研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2013.

[7]王明.混煤燃燒氮氧化物排放特性試驗(yàn)研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2008.

[8]陳夢(mèng)潔，郁鴻凌，林友斌，等.燃煤鍋爐低NOx排放技術(shù)研究[J].能源研究與信息，2013，29（3）：131-135.

[9]丁守寶，劉富君.我國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀與展望[J].中國(guó)計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，19（4）：304-308，324.

[10]PHONGANANT D，WIBBERLEY L J，WALL T F.Nitrogen oxide formation from Australian coals[J].Combustion and Flame，1985，62（1）：21-30.

[11]曾漢才.大型鍋爐高效低NOx燃燒技術(shù)的研究[J].鍋爐制造，2001（1）：1-11.