試論循環流化床富氧燃燒氮氧化物排放特性

楊鵬

摘 要：大氣環境的不斷惡化，氣候變暖問題成為全球普遍關注的問題，而CO2是造成溫室效應的“罪魁禍首”。富氧燃燒技術的誕生一方面能夠對CO2的排放量進行有效控制，另一方面實現了能源的有效利用，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展意義重大。該文通過建立50 kW循環流化床燃燒試驗系統進行富氧燃燒試驗，對進口氧氣體積、燃燒溫度進行范圍設定，并設置不同的工況，以獲得循環流化床富氧燃燒時燃料轉化率以及氮氧化物（主要為NO、N2O）的排放特性。從試驗結果來看，燃料轉化率以及氮氧化物的排放量主要受循環流化床富氧燃燒過程中進口氧氣體積分數、燃燒溫度以及過量氧氣系數三大因素的影響，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。

關鍵詞：循環流化床 富氧燃燒 NO排放 N2O排放 N轉化率

中圖分類號：TK16 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）03（c）-0088-03

人類社會經濟迅猛發展，人們的生活日新月異，人類生產和生活活動的日益頻繁帶來的環境問題也逐漸凸顯出來。大氣環境不斷惡化，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展，全球各國都對氣候關鍵加大關注力度，并致力于空中大氣污染，改善大氣環境。大量溫室氣體的排放引起的溫室效應造成了全球氣候的異常，環境問題引發全球的氣候危機，CO2作為溫室效應的“罪魁禍首”，在溫室氣體中占有很大的比重。隨著富氧技術的產生和應用，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注，并紛紛致力于對富氧燃燒技術的深入學習和研究。

1 富氧燃燒技術的概述

富氧燃燒技術是在溫室氣體大量排放的背景下應運而生的，其作為一種先進的燃燒過程中的CO2捕捉收集技術，將再循環煙氣與氧氣進行混合來取代空氣進行燃燒，經過燃燒后產生的煙氣中CO2體積分數得到明顯提升，可高達90%甚至以上。經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來說，循環流化床富氧燃燒技術的誕生和應用都要晚些，但是后者是在前者的啟發之下，將循環流化床和富氧燃燒兩項技術的各自所長進行結合并發揮，可謂“強強聯手”。具有燃料適應性強、應用范圍廣泛、低NOx排放量、降低脫硫成本等諸多優勢。在燃燒的過程中能夠快速高效地實現CO2的捕捉收集，實現CO2的富集，這使得循環流化床富氧燃燒技術一經問世就受到全球多個國家的高度關注，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，所以在循環流化床富氧燃燒時產生的煙氣中包含的NOX主要是由燃料氮的氧化作用而產生的。因為燃燒氣氛的不同，從轉化規律來看，NOX在富氧燃燒狀態下和空氣燃燒狀態下生成和轉換的規律是存在明顯的差異的。對此，國內外大量的專家和學者紛紛建立起循環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，現有的研究也缺乏一定的針對性，于是該文設計的試驗通過建立一個50 kW的循環流化床燃燒試驗系統，從進口氧氣體積分數、燃燒溫度、過量氧氣系數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轉化率的因素進行研究和探索。

2 試驗研究

2.1 試驗系統的建立

如圖1所示，該文研究建立的50 kW循環流化床富氧燃燒試驗系統可以進行包括富氧空氣、普通空氣、O2/CO2在內的不同燃燒氣體的燃燒，能夠滿足20%～50%范圍內進口氧氣體積分數，能夠滿足850 ℃～960 ℃燃燒溫度的試驗。試驗系統具體組成和燃燒試驗流程如圖1所示。

在該試驗系統中，燃燒室為100 mm的直徑，3 000 mm的高度，設置有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的熱負荷變化幅度保持在合理的范圍內，在料腿位置設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。該試驗系統中供風系統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。因為設置了多種氣源，所以該試驗系統可以實現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的流量計來實現。

試驗系統中的給料機可以對系統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。系統中的測控系統包括溫度計、壓力計、數據采集器、計算機。溫度測點與壓力測點的設定在同樣的位置，6個測點均勻分布于提升管的不同高度上，同時專門有2個測點分別設置在旋風分離器的出口位置和返料區的底部位置。溫度、壓力、氧氣體積分數、其余組分的體積分數都各自設置有專門的儀器儀表進行測量，并傳輸于計算機系統，由計算機系統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成分，所以擁有很好的穩定性。2種燃料的粒徑均在0.1～1 mm的范圍之內。2種燃料的熱值、工業分析和元素分析的結果如表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、燃燒溫度、過量氧氣系數3種主要因素的影響作用。于是設定進口氧氣體積分數的范圍在20%～50%，燃燒溫度設定在850 ℃～960 ℃的范圍。試驗為6種不同工況，結果如表2所示。

不同工況中試驗一直保持穩定的狀態進行，溫度上下呈小幅度的滑動，物料一直保持暢通的循環狀態，煙氣保持穩定排放量。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轉化率可通過公式進行計算。

3 試驗結果分析

3.1 進口氧氣體積分數的影響作用

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，在保持硫化風速不變的條件下，提高進口氧氣體積分數，并增加給料量，燃燒室內物料增加，相應的焦炭濃度也增加。燃燒不徹底的焦炭對NO發生反應，使得NO量減少而N2O的量增加。但是N轉化率的降低說明進口氧氣體積分數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據的觀察和分析，我們發現，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。大同煤燃燒產生的煙氣中含有高體積分數的CO，這使得NO半焦反應被進一步促進，從而使NO排放量降低。而且大同煤中含有較高的揮發性成分，在揮發過程中產生的NH也能夠對NO產生一定的還原作用，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，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明顯的變化。隨著燃燒溫度的不斷提高，NO排放量呈現出明顯升高的發展趨勢，而N2O的排放量卻呈現出明顯降低的趨勢，N轉化率也同樣呈現出下降的趨勢。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 ℃可算是一個最優燃燒溫度了。煤燃料在循環流化床燃燒時會產生大量的N2O，這與燃燒溫度有直接的關系。從該文試驗結果來看，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會因為溫度的持續升高發生熱分解作用，分解成N2和O。

3.4 過量氧氣系數的影響作用

過量氧氣系數，即在同等單位質量的條件下，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。從試驗結果來看，大同煤燃料在富氧氣氛下燃燒，過量氧氣系數的增加，無論是NO排放量，還是N2O排放量乃至N轉化率都隨之增加。過量氧氣系數的增加，焦炭燃燒速率加快，燃燒程度也相應增加，促進了燃料對氮的釋放。在過量氧氣系數較低的情況下，因為沒有足夠的氧量供應，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產生還原反應。因此，循環流化床富氧燃燒時，只要保持在合理的范圍之內，可盡量保持低水平的過氧系數，這樣對于降低氮氧化物中NO、N2O的排放量是非常有利的。

4 結論

該文針對循環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習前輩經驗的基礎上，建立循環流化床富氧燃燒試驗系統，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、燃燒溫度、過量氧氣系數三大主要因素的方法，來探討影響循環流化床富氧燃燒氮氧化物中NO、N2O的排放特性，得出結論如下。

（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達到40%的狀態，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明顯增加。但是隨著過量氧氣系數的不斷增加，2種氣體排放量都隨之增加。

由此可見，在循環流化床富氧燃燒時，增加進口氧氣體積分數、提高燃燒溫度、在合理范圍內盡可能保持低水平的過量煙氣系數對于降低氮氧化物的排放量，并降低N轉化率都具有積極的作用，是節能減排、維護大氣環境的一項有效措施。

參考文獻

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

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

[3] 鄒春，黃志軍，初琨，等.燃煤O2/CO2循環燃燒過程中SO2與NOx協同脫除的中試研究[J].中國電機工程學報，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.