四角爐煤粉再燃的實驗研究

郭躍年，林樹彪，田曉軍

（1.山西漳澤電力內蒙分公司，內蒙古 呼和浩特 010010；2.山西省電科院，山西 太原 030001；3.山西電力勘探設計院，山西 太原 030001）

煤粉再燃是一種有效的低NOx燃燒技術，對此，國內外科研人員在一維燃燒室實驗臺上進行了多方面的研究[1]，[2]，[3]，[4]，取得了一定成果。但再燃的效果是與一定的鍋爐燃燒方式相聯系的[5]，我國電站鍋爐燃燒器普遍采用四角布置，為將該技術有效推廣至電站鍋爐，獲得可供參考和借鑒的資料，本文在一臺半工業(yè)四角爐上進行了煤粉再燃實驗，獲得了四角爐煤粉再燃實現低NOx排放的數據資料。

1 實驗裝置及實驗方案

實驗用煤煤質分析見表1。

表1 實驗用煤煤質分析

實驗臺為半工業(yè)、固態(tài)排渣、四角噴燃煤粉鍋爐，采用Π型布置。爐膛為正方形，截面尺寸1100mm×1100mm，高12529mm，四周布置有水冷壁。再燃系統自行設計，包括有再燃粉倉、絞籠給粉機和風粉混合器。各風管利用靠背管和微壓計來測量和控制流量，給粉量通過電機轉速調節(jié)。鍋爐熱功率為1.40MW。燃燒器噴口布置沿高度依次為：下二次風、一次風、上二次風、再燃噴口和燃燼風。

本文研究四角爐煤粉再燃的效果，著重考慮主燃區(qū)過量空氣系數對再燃實現鍋爐低NOx排放的影響，以及再燃方式對鍋爐性能的影響。設計工況見表2。

表2 煤粉再燃實驗工況表

爐內各燃燒區(qū)和尾部煙道煙氣成分采用MLT Analyzer煙氣分析儀在線分析記錄，所有煙氣成分濃度測量值均轉化為6%氧量下的值，以利于對照分析。爐內溫度利用紅外高溫儀測量，飛灰含碳量采用等速飛灰取樣裝置測量。

2 實驗結果與討論

2.1 再燃作用效果和影響因素

圖1 鍋爐延程NOx濃度變化

圖2 鍋爐不同工況尾部煙道NOx排放

如圖1（圖中橫坐標爐內位置1為主燃區(qū)，2為再燃區(qū)，3為燃燼區(qū)，4為尾部煙道）、圖2，工況一為空白工況，工況二、三為再燃工況。由圖1可知再燃技術的應用，有效地降低了爐內各個位置的NOx濃度，并且實現了鍋爐總體的低NOx排放。與空白工況比較，工況二實現的脫硝效率為44.7%，工況三的脫硝效率為34.97%。煤粉再燃實現低 NOx排放的原因已經有諸多文獻[1]，[2]，[3]，[6]介紹，主要歸結為以下兩點：一方面在于燃料分級燃燒減少了NOx的生成量，另一方面，再燃區(qū)的還原效果是實現低NOx排放的主要因素。再燃的效果與各燃燒區(qū)參數相關。工況二和工況三的其他條件相近，主燃區(qū)過量空氣系數較低，NOx生成量少，最終NOx排放量低于工況三，因而主燃區(qū)的過量空氣系數是影響脫硝的因素之一。但是值得注意的是：工況二、三在燃燼區(qū)位置的NOx排放量相差不多，說明工況三在爐內的脫硝效率更高。這一現象可以解釋為工況三主燃區(qū)的NOx濃度大，其脫硝率相對較高。工況三尾部煙道的NOx濃度高于工況二，分析認為工況三燃燼區(qū)溫度較高，易于TFN的氧化，造成一定量NOx的再次生成。由于實驗爐調節(jié)條件有限，上述再燃工況均在再燃區(qū)過量空氣系數大于1的情況下進行，但依然獲得了好的脫硝效果。文獻[6]認為，燃料N的存在可以使還原反應在弱氧化氛圍內實現，本文的實驗結果與之相符。另外，爐內的弱氧化氛圍可以保證設備的安全。

2.2 再燃對爐內氛圍的影響

圖3 鍋爐延程CO濃度變化

圖4 鍋爐延程CO2濃度變化

圖5 鍋爐延程氧量變化

圖6 再燃技術對灰渣含碳量的影響

如圖3，采用再燃技術運行后，由于再燃工況主燃區(qū)的過量空氣系數相對較低，燃燒不完全，到燃燼區(qū)前，爐內CO濃度較空白工況高。燃燼風的引入使未完全燃燒物進一步反應，結果各工況尾部煙氣中CO排放量相差不多。這一現象說明，在本實驗臺上，再燃對于氣體不完全燃燒損失的影響相對較小。圖4反應了再燃對鍋爐CO2排放的影響，對再燃工況而言，首先是主燃區(qū)燃料的燃燒，煙氣中CO2濃度增大，而后煙氣進入再燃區(qū)，與再燃燃料發(fā)生還原反應，稀釋作用降低了CO2濃度，雖然在燃燼區(qū)以后又有一定量的燃料燃燒生成CO2，但最終由于漏風稀釋等原因，CO2濃度下降，圖中尾部煙道處CO2的值說明再燃對于鍋爐CO2的排放影響也不是很大。圖5給出了不同工況下爐內氛圍的變化，主燃區(qū)是氧化性氛圍，由于燃料燃燒，氧量逐漸降低；在再燃區(qū)，再燃燃料的投入會使爐內形成弱氧化氛圍，在該處，再燃工況的氧量低于空白工況。此后，如在燃燼區(qū)有燃燼風的引入，氧量將增加，氧化性氣氛增強。

2.3 再燃對鍋爐灰渣含碳量的影響

如圖6，由于再燃工況中主燃區(qū)給粉量減少，爐底渣含碳量分別比工況一下降42.86%和65.84%，但再燃煤粉的投入使飛灰含碳量較工況一增大47.93%和75.97%，由于飛灰含碳量高于爐底渣含碳量，再燃工況鍋爐固體不完全燃燒損失增加。本實驗中，再燃的投運使鍋爐的燃燼率變差，q4損失增大，空白工況的q4損失為1.53%，而工況二和工況三的q4損失分別為2.32%和2.82%。爐內停留時間的減少、燃料分級和還原區(qū)的存在是燃料燃燼率減少的直接原因。在工業(yè)應用中，應該合理分布各燃燒區(qū)，優(yōu)化再燃燃料量以減少q4損失。

2.4 再燃對爐內溫度場的影響

再燃是一種燃料分級燃燒方式，由于各處燃料和配風情況與普通燃燒工況的差異，造成爐內溫度場變化，見圖7、圖8。主燃區(qū)溫度受工況變化影響不大；由于再燃燃料的添加，再燃工況在爐內再燃區(qū)位置的溫度高于空白工況；燃燼風的引入使燃燼區(qū)位置再燃工況溫度低于空白工況，此后燃料的燃燼使爐膛出口溫度再燃工況高于空白工況。由于再燃技術的應用使爐膛出口溫度增高，會對對流煙道受熱面的安全造成一定影響，因而需進一步研究以確定最佳的出口溫度范圍。

圖7 實驗爐左墻溫度分布

3 結論

（1）在四角噴燃煤粉爐上應用煤粉再燃技術，可以有效降低NOx的排放，本文進行的研究獲得了最高44.70%的脫硝率。高的主燃區(qū)過量空氣系數造成較多的NOx生成，雖然爐內脫硝效率會較高，但整體NOx排放量也高。有效地控制主燃區(qū)過量空氣系數，可以獲得好的再燃效果。

（2）由于燃料N的存在，再燃脫硝可以在過量空氣系數略大于1的氛圍內進行。

（3）在本文的四角爐實驗中，再燃技術的采用對于其他煙氣成分的最終排放值影響不大，但使鍋爐的灰渣含碳量提高，燃料的燃燼率變差，q4損失增大。

（4）再燃技術的應用使爐內溫度場發(fā)生變化，相對于普通燃燒方式而言，再燃區(qū)位置的溫度提高，燃燼區(qū)位置的溫度下降，爐膛出口溫度升高，針對這種變化，在實際應用時需要合理布置受熱面，注意出口處熱交換設備的安全。

[1]Joseph G.De Angelo，An Evaluation of Micronized Coal Reburning for Nitrogen Oxide Emissions Reduction in Pulverized Coal-Fired Electric Utility Boilers，Dissertation，Binghamton University，State University of New York，April 2001.

[2]L.D.Smoot，NOx Control Through Reburning，Prog.Energy Combust.Sci[J]，Vol.24，385-408，1998.

[3]鐘北京等.煤粉再燃過程中NO異相還原機理的重要性.燃燒科學與技術[J]，2002，8（1），6～8.

[4]吳少華等.采用超細煤粉再燃技術降低氮氧化物排放.中國電力[J]，2003，30（2），1～4.

[5]鄭巧生譯.天然氣再燃一種低成本的NOx控制技術.鍋爐技術，1995（9），23～27.

[6]鐘北京等.煤的揮發(fā)分對NOx再燃特性的研究.燃燒科學與技術[J]，2000，6（2），185～189.