試論循環(huán)流化床富氧燃燒氮氧化物排放特性

楊鵬

摘 要：大氣環(huán)境的不斷惡化，氣候變暖問題成為全球普遍關(guān)注的問題，而CO2是造成溫室效應(yīng)的“罪魁禍?zhǔn)住?。富氧燃燒技術(shù)的誕生一方面能夠?qū)O2的排放量進(jìn)行有效控制，另一方面實(shí)現(xiàn)了能源的有效利用，降低了氮氧化物及硫化物的排放量，對(duì)于人類社會(huì)的生存發(fā)展意義重大。該文通過建立50 kW循環(huán)流化床燃燒試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行富氧燃燒試驗(yàn)，對(duì)進(jìn)口氧氣體積、燃燒溫度進(jìn)行范圍設(shè)定，并設(shè)置不同的工況，以獲得循環(huán)流化床富氧燃燒時(shí)燃料轉(zhuǎn)化率以及氮氧化物（主要為NO、N2O）的排放特性。從試驗(yàn)結(jié)果來看，燃料轉(zhuǎn)化率以及氮氧化物的排放量主要受循環(huán)流化床富氧燃燒過程中進(jìn)口氧氣體積分?jǐn)?shù)、燃燒溫度以及過量氧氣系數(shù)三大因素的影響，對(duì)此三大因素進(jìn)行合理控制能夠有效控制燃燒過程中氮氧化物的排放量，這對(duì)于控制大氣污染、改善全球氣候變暖問題具有積極意義。

關(guān)鍵詞：循環(huán)流化床 富氧燃燒 NO排放 N2O排放 N轉(zhuǎn)化率

中圖分類號(hào)：TK16 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）03（c）-0088-03

人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，人們的生活日新月異，人類生產(chǎn)和生活活動(dòng)的日益頻繁帶來的環(huán)境問題也逐漸凸顯出來。大氣環(huán)境不斷惡化，全球氣候變暖的問題正在逐漸威脅著人類社會(huì)的生存和發(fā)展，全球各國都對(duì)氣候關(guān)鍵加大關(guān)注力度，并致力于空中大氣污染，改善大氣環(huán)境。大量溫室氣體的排放引起的溫室效應(yīng)造成了全球氣候的異常，環(huán)境問題引發(fā)全球的氣候危機(jī)，CO2作為溫室效應(yīng)的“罪魁禍?zhǔn)住?，在溫室氣體中占有很大的比重。隨著富氧技術(shù)的產(chǎn)生和應(yīng)用，使CO2的排放控制問題得到了有效解決，也因此受到全球各國的廣泛關(guān)注，并紛紛致力于對(duì)富氧燃燒技術(shù)的深入學(xué)習(xí)和研究。

1 富氧燃燒技術(shù)的概述

富氧燃燒技術(shù)是在溫室氣體大量排放的背景下應(yīng)運(yùn)而生的，其作為一種先進(jìn)的燃燒過程中的CO2捕捉收集技術(shù)，將再循環(huán)煙氣與氧氣進(jìn)行混合來取代空氣進(jìn)行燃燒，經(jīng)過燃燒后產(chǎn)生的煙氣中CO2體積分?jǐn)?shù)得到明顯提升，可高達(dá)90%甚至以上。經(jīng)過處理后的煙氣不僅能夠直接對(duì)其加以利用，也可以封存起來作為儲(chǔ)備燃料。相較于煤粉爐富氧燃燒技術(shù)來說，循環(huán)流化床富氧燃燒技術(shù)的誕生和應(yīng)用都要晚些，但是后者是在前者的啟發(fā)之下，將循環(huán)流化床和富氧燃燒兩項(xiàng)技術(shù)的各自所長進(jìn)行結(jié)合并發(fā)揮，可謂“強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手”。具有燃料適應(yīng)性強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣泛、低NOx排放量、降低脫硫成本等諸多優(yōu)勢。在燃燒的過程中能夠快速高效地實(shí)現(xiàn)CO2的捕捉收集，實(shí)現(xiàn)CO2的富集，這使得循環(huán)流化床富氧燃燒技術(shù)一經(jīng)問世就受到全球多個(gè)國家的高度關(guān)注，成為全世界研究的熱點(diǎn)問題。

富氧燃燒過程中空氣被混合氣體所取代，而在混合氣體中，N2是非常有限的，所以在循環(huán)流化床富氧燃燒時(shí)產(chǎn)生的煙氣中包含的NOX主要是由燃料氮的氧化作用而產(chǎn)生的。因?yàn)槿紵龤夥盏牟煌瑥霓D(zhuǎn)化規(guī)律來看，NOX在富氧燃燒狀態(tài)下和空氣燃燒狀態(tài)下生成和轉(zhuǎn)換的規(guī)律是存在明顯的差異的。對(duì)此，國內(nèi)外大量的專家和學(xué)者紛紛建立起循環(huán)流化床燃燒試驗(yàn)裝置，針對(duì)NOX的排放特性從不同角度、不同工況下進(jìn)行試驗(yàn)研究。從已有的研究資料來看，對(duì)于循環(huán)流化床富氧燃燒過程中氮氧化物中NO、N2O排放特性的影響因素方面的研究并不多，現(xiàn)有的研究也缺乏一定的針對(duì)性，于是該文設(shè)計(jì)的試驗(yàn)通過建立一個(gè)50 kW的循環(huán)流化床燃燒試驗(yàn)系統(tǒng)，從進(jìn)口氧氣體積分?jǐn)?shù)、燃燒溫度、過量氧氣系數(shù)3個(gè)因素方面對(duì)氮氧化物中NO、N2O排放特性進(jìn)行研究，同時(shí)對(duì)影響燃料N轉(zhuǎn)化率的因素進(jìn)行研究和探索。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)的建立

如圖1所示，該文研究建立的50 kW循環(huán)流化床富氧燃燒試驗(yàn)系統(tǒng)可以進(jìn)行包括富氧空氣、普通空氣、O2/CO2在內(nèi)的不同燃燒氣體的燃燒，能夠滿足20%～50%范圍內(nèi)進(jìn)口氧氣體積分?jǐn)?shù)，能夠滿足850 ℃～960 ℃燃燒溫度的試驗(yàn)。試驗(yàn)系統(tǒng)具體組成和燃燒試驗(yàn)流程如圖1所示。

在該試驗(yàn)系統(tǒng)中，燃燒室為100 mm的直徑，3 000 mm的高度，設(shè)置有U型氣動(dòng)反料閥用以對(duì)返料進(jìn)行控制。為了能夠使該試驗(yàn)系統(tǒng)的熱負(fù)荷變化幅度保持在合理的范圍內(nèi)，在料腿位置設(shè)置有專門的料腿冷卻器，利用對(duì)燃燒室功率和冷料腿進(jìn)水量的控制來達(dá)到熱負(fù)荷控制的目的。該試驗(yàn)系統(tǒng)中供風(fēng)系統(tǒng)的組成包括空氣壓縮機(jī)、氣瓶組，用以提供試驗(yàn)中需要使用的不同氣體。因?yàn)樵O(shè)置了多種氣源，所以該試驗(yàn)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多種不同氣氛的燃燒試驗(yàn)，包括空氣燃燒試驗(yàn)、富氧空氣燃燒試驗(yàn)、O2/CO2空氣燃燒試驗(yàn)。氣體流量的控制通過與之相對(duì)應(yīng)的流量計(jì)來實(shí)現(xiàn)。

試驗(yàn)系統(tǒng)中的給料機(jī)可以對(duì)系統(tǒng)分別提供多種不同的燃料，也可以同時(shí)供給多種燃料進(jìn)行混合燃料燃燒試驗(yàn)。系統(tǒng)中的測控系統(tǒng)包括溫度計(jì)、壓力計(jì)、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)。溫度測點(diǎn)與壓力測點(diǎn)的設(shè)定在同樣的位置，6個(gè)測點(diǎn)均勻分布于提升管的不同高度上，同時(shí)專門有2個(gè)測點(diǎn)分別設(shè)置在旋風(fēng)分離器的出口位置和返料區(qū)的底部位置。溫度、壓力、氧氣體積分?jǐn)?shù)、其余組分的體積分?jǐn)?shù)都各自設(shè)置有專門的儀器儀表進(jìn)行測量，并傳輸于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行保存并通過顯示界面顯示出來。

2.2 試驗(yàn)物料

在該文試驗(yàn)中使用的燃料有2種，該文特選具有一定代表性的大同煤和神木半焦作為試驗(yàn)燃料。其中神木半焦的主要成分為固定碳，來自于神木煤在固定窯爐中經(jīng)過熱解提油處理后形成的一種燃料，因此只含有少量的揮發(fā)成分，所以擁有很好的穩(wěn)定性。2種燃料的粒徑均在0.1～1 mm的范圍之內(nèi)。2種燃料的熱值、工業(yè)分析和元素分析的結(jié)果如表1所示，同時(shí)該文試驗(yàn)所用床料為石英砂，料徑為0.1～0.5 mm。

該文研究主要針對(duì)的是循環(huán)流化床富氧燃燒時(shí)氮氧化物中的NO、N2O的排放特性，因此試驗(yàn)重點(diǎn)在于研究分析進(jìn)口氧氣體積分?jǐn)?shù)、燃燒溫度、過量氧氣系數(shù)3種主要因素的影響作用。于是設(shè)定進(jìn)口氧氣體積分?jǐn)?shù)的范圍在20%～50%，燃燒溫度設(shè)定在850 ℃～960 ℃的范圍。試驗(yàn)為6種不同工況，結(jié)果如表2所示。

不同工況中試驗(yàn)一直保持穩(wěn)定的狀態(tài)進(jìn)行，溫度上下呈小幅度的滑動(dòng)，物料一直保持暢通的循環(huán)狀態(tài)，煙氣保持穩(wěn)定排放量。試驗(yàn)過程中使用高純度液氧，氧氣中的N2可忽略不計(jì)，試驗(yàn)臺(tái)組織嚴(yán)密，不存在空氣滲入的影響。燃料的N轉(zhuǎn)化率可通過公式進(jìn)行計(jì)算。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 進(jìn)口氧氣體積分?jǐn)?shù)的影響作用

從試驗(yàn)中可以看到，富氧氣氛下和空氣氣氛下燃料燃燒NO排放量有明顯的變化，前者排放量相較于后者排放量下降的幅度很明顯，但是2種氣氛下燃料燃燒N2O的排放量，前者卻又稍微高于后者。這是因?yàn)樵诟谎鯕夥障?，因?yàn)槠渲泻写蟊戎氐腃O2，使得燃料的燃燒速率減慢，是焦炭氣化反應(yīng)得到了進(jìn)一步的促進(jìn)作用，大量新焦炭和CO的存在大大增加了NO還原反應(yīng)成N2和N2O的程度，這樣一來，NO排放量自然要少很多，而N2O的排放量自然要增加。但是從N轉(zhuǎn)化率的角度來說，煤的燃燒在富氧氣氛下和在空氣氣氛下N轉(zhuǎn)化率要低很多，這就說明在富氧氣氛下煤的燃燒對(duì)于降低氮氧化物的排放量是有一定作用的。我們?cè)谠囼?yàn)過程中，在保持硫化風(fēng)速不變的條件下，提高進(jìn)口氧氣體積分?jǐn)?shù)，并增加給料量，燃燒室內(nèi)物料增加，相應(yīng)的焦炭濃度也增加。燃燒不徹底的焦炭對(duì)NO發(fā)生反應(yīng)，使得NO量減少而N2O的量增加。但是N轉(zhuǎn)化率的降低說明進(jìn)口氧氣體積分?jǐn)?shù)的提高對(duì)于氮氧化物的排放量的減少是有一定的積極作用的。

3.2 燃料種類的影響作用

通過對(duì)試驗(yàn)過程中各項(xiàng)數(shù)據(jù)的觀察和分析，我們發(fā)現(xiàn)，在各方面條件都相同的條件下，神木半焦和大同煤在NO、N2O，以及CO的排放方面是存在明顯差異的。在NO排放量方面，大同煤遠(yuǎn)低于神木半焦，僅相當(dāng)于神木半焦的20%，而N2O卻遠(yuǎn)高于神木半焦。在N轉(zhuǎn)化率方面，大同煤也遠(yuǎn)低于神木半焦，這就說明使用不同的燃料在NO、N2O的排放量方面是具有明顯差異的。大同煤燃燒產(chǎn)生的煙氣中含有高體積分?jǐn)?shù)的CO，這使得NO半焦反應(yīng)被進(jìn)一步促進(jìn)，從而使NO排放量降低。而且大同煤中含有較高的揮發(fā)性成分，在揮發(fā)過程中產(chǎn)生的NH也能夠?qū)O產(chǎn)生一定的還原作用，這也是大同煤比神木半焦N2O排放量明顯增加的原因所在。

3.3 燃燒溫度的影響作用

燃燒溫度的控制是該文試驗(yàn)中的重要參數(shù)，對(duì)氮氧化物排放特性影響較大。在富氧氣氛下，大同煤無論是NO排放量還是N2O的排放量都隨著燃燒溫度的變化而出現(xiàn)明顯的變化。隨著燃燒溫度的不斷提高，NO排放量呈現(xiàn)出明顯升高的發(fā)展趨勢，而N2O的排放量卻呈現(xiàn)出明顯降低的趨勢，N轉(zhuǎn)化率也同樣呈現(xiàn)出下降的趨勢。但是燃燒溫度在850 ℃以上時(shí)，下降的速度逐漸放緩。由此可以說明在富氧氣氛下燃燒時(shí)，隨著燃燒溫度的不斷升高，會(huì)對(duì)氮氧化物的排放起到一定的降低作用，綜合來說，溫度在850 ℃可算是一個(gè)最優(yōu)燃燒溫度了。煤燃料在循環(huán)流化床燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的N2O，這與燃燒溫度有直接的關(guān)系。從該文試驗(yàn)結(jié)果來看，以900 ℃為臨界點(diǎn)，900 ℃以下N2O排放量要高于NO排放量，但是如果燃燒溫度達(dá)到900 ℃以上時(shí)，N2O的排放量就會(huì)大幅度降低。究其原因，是因?yàn)镹2O會(huì)因?yàn)闇囟鹊某掷m(xù)升高發(fā)生熱分解作用，分解成N2和O。

3.4 過量氧氣系數(shù)的影響作用

過量氧氣系數(shù)，即在同等單位質(zhì)量的條件下，燃料燃燒實(shí)際消耗的氧氣量除以燃料燃燒理論上消耗的氧氣量。從試驗(yàn)結(jié)果來看，大同煤燃料在富氧氣氛下燃燒，過量氧氣系數(shù)的增加，無論是NO排放量，還是N2O排放量乃至N轉(zhuǎn)化率都隨之增加。過量氧氣系數(shù)的增加，焦炭燃燒速率加快，燃燒程度也相應(yīng)增加，促進(jìn)了燃料對(duì)氮的釋放。在過量氧氣系數(shù)較低的情況下，因?yàn)闆]有足夠的氧量供應(yīng)，燃料不能充分燃燒，會(huì)增加CO的排放量。隨著煙氣中CO量的增加，CO對(duì)煙氣中的NO和N2O產(chǎn)生還原反應(yīng)。因此，循環(huán)流化床富氧燃燒時(shí)，只要保持在合理的范圍之內(nèi)，可盡量保持低水平的過氧系數(shù)，這樣對(duì)于降低氮氧化物中NO、N2O的排放量是非常有利的。

4 結(jié)論

該文針對(duì)循環(huán)流化床富氧燃燒氮氧化物的排放特性問題進(jìn)行研究，在查閱大量文獻(xiàn)資料和學(xué)習(xí)前輩經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立循環(huán)流化床富氧燃燒試驗(yàn)系統(tǒng)，通過采用不同的燃料，在不同工況條件下，采取控制進(jìn)口氧氣體積分?jǐn)?shù)、燃燒溫度、過量氧氣系數(shù)三大主要因素的方法，來探討影響循環(huán)流化床富氧燃燒氮氧化物中NO、N2O的排放特性，得出結(jié)論如下。

（1）大同煤與神木半焦2種燃料，在富氧氣氛條件下燃燒，在NO排放量方面大同煤比神木半焦明顯高，而在N2O排放量方面，大同煤比神木半焦明顯低，在N轉(zhuǎn)化率方面，大同煤比神木半焦要低。

（2）在富氧氣氛條件下燃燒，當(dāng)進(jìn)口氧氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)到40%的狀態(tài)，燃燒溫度對(duì)于NO、N2O排放量方面有明顯的影響。隨著燃燒溫度的不斷提高，NO排放量隨之升高，而N2O的排放量卻隨之降低，同時(shí)N轉(zhuǎn)化率也隨之降低。

（3）富氧氣氛與空氣氣氛相較而言，同樣的大同煤，在富氧氣氛條件下NO排放量遠(yuǎn)低于空氣氣氛，但是N2O排放量卻稍微高于空氣氣氛，N轉(zhuǎn)化率較空氣氣氛明顯降低。

（4）同樣的大同煤燃燒，進(jìn)口氧氣量增加NO排放量卻明顯降低，而N2O排放量卻正好與之相反呈現(xiàn)明顯增加。但是隨著過量氧氣系數(shù)的不斷增加，2種氣體排放量都隨之增加。

由此可見，在循環(huán)流化床富氧燃燒時(shí)，增加進(jìn)口氧氣體積分?jǐn)?shù)、提高燃燒溫度、在合理范圍內(nèi)盡可能保持低水平的過量煙氣系數(shù)對(duì)于降低氮氧化物的排放量，并降低N轉(zhuǎn)化率都具有積極的作用，是節(jié)能減排、維護(hù)大氣環(huán)境的一項(xiàng)有效措施。

參考文獻(xiàn)

[1] 譚力，段翠九，趙科，等.循環(huán)流化床富氧燃燒的爐膛傳熱特性[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32（S1）：133-137.

[2] 段倫博，周騖，屈成銳，等.50kW循環(huán)流化床O2/CO2氣氛下煤燃燒及污染物排放特性[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31（5）：7-12.

[3] 鄒春，黃志軍，初琨，等.燃煤O2/CO2循環(huán)燃燒過程中SO2與NOx協(xié)同脫除的中試研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，29（2）：20-24.

[4] Li Wei，Li Shiyuan，Ren Qiangqiang，et al. Study of oxy-fuel coal combustion in a 0.1 MWth circulating fluidized bed at high oxygen concentrations[J].Energy & Fuels，2014，28（2）：1249-1254.

[5] Jia L，Tan Y，McCalden D，et al.Commissioning of 0.8 MWth CFBC for oxy-fuel combustion [J].International Journal Greenhouse Gas Control，2012（7）：240-243.