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“罪魁禍首”。富氧燃燒技術(shù)的誕生一方面能夠?qū)O2的排放量進行有效控制，另一方面實現(xiàn)了能源的有效利用，降低了氮氧化物及硫化物的排放量，對于人類社會的生存發(fā)展意義重大。該文通過建立50 kW循環(huán)流化床燃燒試驗系統(tǒng)進行富氧燃燒試驗，對進口氧氣體積、燃燒溫度進行范圍設(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口氧氣體積分數(shù)、燃燒溫度以及過量氧氣系數(shù)三大因素的影響，對此三大因素進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：TK16 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）03（c）-0088-03

人類社會經(jīng)濟迅猛發(fā)展，人們的生活日新月異，人類生產(chǎn)和生活活動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的生存和發(fā)展，全球各國都對氣候關(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，CO2作為溫室效應(yīng)的“罪魁禍首”，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)運而生的，其作為一種先進的燃燒過程中的CO2捕捉收集技術(shù)，將再循環(huán)煙氣與氧氣進行混合來取代空氣進行燃燒，經(jīng)過燃燒后產(chǎn)生的煙氣中CO2體積分數(shù)得到明顯提升，可高達90%甚至以上。經(jīng)過處理后的煙氣不僅能夠直接對其加以利用，也可以封存起來作為儲備燃料。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技術(shù)的各自所長進行結(jié)合并發(fā)揮，可謂“強強聯(lián)手”。具有燃料適應(yīng)性強、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現(xiàn)CO2的捕捉收集，實現(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國家的高度關(guān)注，成為全世界研究的熱點問題。

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。因為燃燒氣氛的不同，從轉(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)流化床燃燒試驗裝置，針對NOX的排放特性從不同角度、不同工況下進行試驗研究。從已有的研究資料來看，對于循環(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性，于是該文設(shè)計的試驗通過建立一個50 kW的循環(huán)流化床燃燒試驗系統(tǒng)，從進口氧氣體積分數(shù)、燃燒溫度、過量氧氣系數(shù)3個因素方面對氮氧化物中NO、N2O排放特性進行研究，同時對影響燃料N轉(zhuǎn)化率的因素進行研究和探索。

2 試驗研究

2.1 試驗系統(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系統(tǒng)可以進行包括富氧空氣、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)進口氧氣體積分數(shù)，能夠滿足850 ℃～960 ℃燃燒溫度的試驗。試驗系統(tǒng)具體組成和燃燒試驗流程如圖1所示。

在該試驗系統(tǒng)中，燃燒室為100 mm的直徑，3 000 mm的高度，設(shè)置有U型氣動反料閥用以對返料進行控制。為了能夠使該試驗系統(tǒng)的熱負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，利用對燃燒室功率和冷料腿進水量的控制來達到熱負荷控制的目的。該試驗系統(tǒng)中供風(fēng)系統(tǒng)的組成包括空氣壓縮機、氣瓶組，用以提供試驗中需要使用的不同氣體。因為設(shè)置了多種氣源，所以該試驗系統(tǒng)可以實現(xiàn)多種不同氣氛的燃燒試驗，包括空氣燃燒試驗、富氧空氣燃燒試驗、O2/CO2空氣燃燒試驗。氣體流量的控制通過與之相對應(yīng)的流量計來實現(xiàn)。

試驗系統(tǒng)中的給料機可以對系統(tǒng)分別提供多種不同的燃料，也可以同時供給多種燃料進行混合燃料燃燒試驗。系統(tǒng)中的測控系統(tǒng)包括溫度計、壓力計、數(shù)據(jù)采集器、計算機。溫度測點與壓力測點的設(shè)定在同樣的位置，6個測點均勻分布于提升管的不同高度上，同時專門有2個測點分別設(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、氧氣體積分數(shù)、其余組分的體積分數(shù)都各自設(shè)置有專門的儀器儀表進行測量，并傳輸于計算機系統(tǒng)，由計算機系統(tǒng)進行保存并通過顯示界面顯示出來。

2.2 試驗物料

在該文試驗中使用的燃料有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，同時該文試驗所用床料為石英砂，料徑為0.1～0.5 mm。

該文研究主要針對的是循環(huán)流化床富氧燃燒時氮氧化物中的NO、N2O的排放特性，因此試驗重點在于研究分析進口氧氣體積分數(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)定進口氧氣體積分數(shù)的范圍在20%～50%，燃燒溫度設(shè)定在850 ℃～960 ℃的范圍。試驗為6種不同工況，結(jié)果如表2所示。

不同工況中試驗一直保持穩(wěn)定的狀態(tài)進行，溫度上下呈小幅度的滑動，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。試驗過程中使用高純度液氧，氧氣中的N2可忽略不計，試驗臺組織嚴密，不存在空氣滲入的影響。燃料的N轉(zhuǎn)化率可通過公式進行計算。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 進口氧氣體積分數(shù)的影響作用

從試驗中可以看到，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。這是因為在富氧氣氛下，因為其中含有大比重的CO2，使得燃料的燃燒速率減慢，是焦炭氣化反應(yīng)得到了進一步的促進作用，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于降低氮氧化物的排放量是有一定作用的。我們在試驗過程中，在保持硫化風(fēng)速不變的條件下，提高進口氧氣體積分數(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)化率的降低說明進口氧氣體積分數(shù)的提高對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

通過對試驗過程中各項數(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，大同煤遠低于神木半焦，僅相當于神木半焦的20%，而N2O卻遠高于神木半焦。在N轉(zhuǎn)化率方面，大同煤也遠低于神木半焦，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數(shù)的CO，這使得NO半焦反應(yīng)被進一步促進，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中的重要參數(shù)，對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，下降的速度逐漸放緩。由此可以說明在富氧氣氛下燃燒時，隨著燃燒溫度的不斷升高，會對氮氧化物的排放起到一定的降低作用，綜合來說，溫度在850 ℃可算是一個最優(yōu)燃燒溫度了。煤燃料在循環(huán)流化床燃燒時會產(chǎn)生大量的N2O，這與燃燒溫度有直接的關(guān)系。從該文試驗結(jié)果來看，以900 ℃為臨界點，900 ℃以下N2O排放量要高于NO排放量，但是如果燃燒溫度達到900 ℃以上時，N2O的排放量就會大幅度降低。究其原因，是因為N2O會因為溫度的持續(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，促進了燃料對氮的釋放。在過量氧氣系數(shù)較低的情況下，因為沒有足夠的氧量供應(yīng)，燃料不能充分燃燒，會增加CO的排放量。隨著煙氣中CO量的增加，CO對煙氣中的NO和N2O產(chǎn)生還原反應(yīng)。因此，循環(huán)流化床富氧燃燒時，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

該文針對循環(huán)流化床富氧燃燒氮氧化物的排放特性問題進行研究，在查閱大量文獻資料和學(xué)習(xí)前輩經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，建立循環(huán)流化床富氧燃燒試驗系統(tǒng)，通過采用不同的燃料，在不同工況條件下，采取控制進口氧氣體積分數(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，當進口氧氣體積分數(shù)達到40%的狀態(tài)，燃燒溫度對于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，增加進口氧氣體積分數(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、維護大氣環(huán)境的一項有效措施。

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