再燃對NOx污染物排放影響研究

吳國強，張永生

(1．北方民族大學電氣信息工程學院，寧夏 銀川 750021；2．華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京 102206)

再燃對NOx污染物排放影響研究

吳國強1,2，張永生2

(1．北方民族大學電氣信息工程學院，寧夏 銀川 750021；2．華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京 102206)

NOx是燃煤電廠的重要污染物，論文在滴管爐內研究再燃對這種污染物排放的影響規律。結果表明，針對選用的再燃燃料，CH4脫硝率最高，H2脫硝率次之，CO脫硝率最低，不同碳氫比合成氣再燃脫硝效率隨碳氫比的增大先上升后下降，碳氫比7/3時，脫硝效率較好，但低于甲烷再燃脫硝效率。當再燃區過量空氣系數為0.7～0.9、溫度在1200℃左右時，合成氣再燃可以獲得比較理想的再燃脫硝效果。該結論可為鍋爐煤粉燃燒過程中，NOx脫除提供理論基礎。

煤粉燃燒；合成氣；再燃；脫硝

燃料分級燃燒是有效降低NOx的排放和設備投資較低的低NOx燃燒技術，可以使NOx排放量降低50%以上[1]，根據NOx的還原原理，NOx在遇到CH4、CO和H2等還原性氣體時會發生還原反應被還原為N2[2-4]。煤粉、合成氣、天然氣、生物質等都可作為再燃燃料，其中天然氣再燃有最佳的還原效果，而且天然氣本身不含硫、氮，是清潔能源，燃盡率高[5-6]，但我國天然氣資源較為缺乏。我國合成氣資源相對豐富，高爐煤氣、煤制氣、焦爐煤氣、生物質氣、地下煤層氣等都屬于合成氣。

國內外諸多學者的研究表明合成氣作為再燃燃料時，能有效降低NOx的排放[2-3,7-8]。合成氣中的有效成分是H2、CO和CH4，其中CH4的還原能力相對較強，但是含量很少，因此合成氣中起主要還原作用的是CO和H2。P.Glarborg[9]等通過建立動力學模型指出，H2和CO在一定的再燃條件中，可以達到20%～30%的脫硝率，而且NO的降低速率隨著溫度和再燃燃料比例的提高而增加，當增加到一定比例時，H2和CO的脫硝效率能接近于CH4等碳氫化合物的脫硝效率。Chen[10]等的研究表明，在900℃～1500℃溫度范圍內H2和CO對NOx有一定的脫除能力。

本文通過在滴管爐中開展再燃實驗探討甲烷、合成氣等再燃過程中再燃區不同碳氫比、再燃區過量空氣系數、再燃區溫度對降低NOx排放的影響規律。

1 實驗裝置

本實驗以滴管爐為實驗平臺，整個裝置由爐膛本體、給煤機、空氣系統、溫控系統、再燃系統、燃盡風系統、排煙系統及取樣分析系統組成。通過提前增壓預熱的一次風將給煤機中的煤粉攜帶送入爐膛；再燃氣在煤粉供給處的下方送入，以實現再燃；燃盡風在再燃氣下方送入，提高燃料的燃燒效率，如圖1所示。爐膛內采用內徑為120 mm，高2000 mm的95剛玉管作為反應器。

圖1 合成氣再燃低 NOx排放試驗系統示意圖

圖2是取樣系統，由取樣槍、旋風分離器、飛灰過濾器、干燥箱、煙氣分析儀、真空泵和外加的連接管組成。將取樣槍固定在圖1所示的排煙口進行取樣。再通過真空泵和外加的連接管使煙氣依次通過旋風分離器、飛灰過濾器和干燥箱，進入煙氣分析儀實現在線分析。

圖2 取樣系統

本文采用美國德圖testo350加強型連續在線煙氣分析儀，可實時監測和分析煙氣中O2、NO和CO等氧化物。

實驗采用的原煤是內蒙古京隆褐煤，煤粉細度大于200目。給煤量為4g/min，再燃燃料量占爐內總熱負荷的20%，再燃區內煙氣的停留時間為0.9s，滴管爐內總的過量空氣系數為1.2。其煤質分析見表1和表2。

表1 工業分析

表2 元素分析

實驗所采用的氣體燃料有H2、CO和CH4，純度都為99.9%。

實驗測得的NO濃度，統一換算成(φ(O2)=6%)狀態下NO濃度。NO脫除率定義為：

式中：φ(NO)為無再燃基本工況下爐膛出口NO濃度值；φ(NO)′為再燃工況下爐膛出口NO濃度值。

每個實驗工況進行3次平行實驗，最終結果取3次實驗值的平均值。

燃盡率是衡量煤粉燃盡程度的參數，主要受燃燒環境和反應的難易等因素的影響。無再燃的條件下，收集煤粉燃燒過程中3個灰樣，通過元素分析儀分別測得碳元素的含量，并求平均值。如表3所示，煤粉燃盡率的公式如下：

其中，B表示燃盡率，A0-表示灰樣碳元素含量平均值，A表示原煤碳元素含量。

表3 灰中碳含量Table 3 The carbon content in the ash

把數值代入上式得煤粉燃盡率B為93.6%。

2 實驗結果與分析

2.1 合成氣不同成分的影響

實驗中分別以CH4、H2、CO和不同碳氫比的合成氣作為再燃燃料，其中合成氣是按CO和H2輸入爐內的熱量比的混合氣體，包括9種混合氣體，摩爾比分別是1/9、2/8、3/7、4/6、5/5、6/4、7/3、8/2、9/1，在滴管爐上進行了以CH4、H2、CO和合成氣作為再燃燃料的實驗研究。爐膛壁溫控制在1200℃左右，再燃區過量空氣系數約為0.8，爐膛頂部一次風量約0.41Nm3/h，二次風量約1.43 Nm3/h，燃盡風量約0.20 Nm3/h。

圖3是脫硝率隨再燃區碳氫比的變化。從圖中可以看出，CH4再燃時脫硝率可達到50%左右；CO再燃時脫硝率約為22%；H2再燃時脫硝率約為38%；合成氣再燃時，其中碳氫比7/3時脫硝率最高，約為40%；碳氫比9/1時脫硝率最低，約為29%。

圖3 脫硝率隨再燃區碳氫比的變化

從圖3中還可以看出，碳氫比從1/9增加到2/8，脫硝率降低，是因為合成氣中的主要成分是H2，而H2容易燃燒生成大量H2O，H2O與CO相互作用生成中間產物OH，OH可將CO氧化生成CO2[9]，因此部分合成氣未參與NO的還原反應直接被消耗，從而降低了脫硝效率；碳氫比從2/8增加到7/3，脫硝率提升，是因為合成氣中的H2含量降低，中間產物OH的濃度降低，主要與NO進行的氧化還原反應，減少了對CO的消耗，從而提升了脫硝效率；碳氫比從7/3增加到9/1，脫硝率降低，是因為合成氣中H2含量很低，生成的OH濃度很低，減小了對NO的還原作用，此時起還原作用主要是CO。

2.2 再燃區過量空氣的影響

實驗中以碳氫比為7/3的合成氣為再燃燃料，爐膛壁溫控制在1 200℃左右，再燃區過量空氣系數分別為0.6、0.7、0.8、0.9、1.0和1.1，爐膛頂部一次風量約為0.41 Nm3/h，改變二次風量(1.23～1.53 Nm3/h)，研究了再燃區過量空氣系數對再燃脫除NO的影響。

圖4是脫硝率隨再燃區過量空氣系數的變化。從圖中可以看出，當從0.6增加到0.9時，脫硝率下降24%左右，而當從0.9增加到1.1時，脫硝率下降達55%左右，說明過量空氣越小越有利于NO的脫除，但并不是越小越好，還需考慮實際鍋爐的燃燒效率和結渣問題。從本實驗結果可以看出，過量空氣系數小于0.9時，可獲得40%以上的脫硝率。

圖4 脫硝率隨再燃區過量空氣系數的變化

圖5是CO的排放濃度隨再燃區過量空氣系數的變化。從圖中可以看出，當過量空氣系數低于0.8時，CO的排放濃度明顯增加，當過量空氣系數減小到0.6時，增加47%左右。當過量空氣系數高于0.8時，CO的排放濃度變化很小。因此并不是過量空氣系數越小越好，綜合考慮再燃脫硝率和燃料的燃燒效率，根據實際情況將過量空氣系數控制在0.7～0.9。

圖5 CO排放濃度隨再燃區過量空氣系數的變化

2.3 再燃區溫度的影響

實驗中以碳氫比為7/3的合成氣為再燃燃料，再燃區過量空氣系數為0.8，爐膛頂部一次風量約為0.41 Nm3/h，二次風量約為1.43 Nm3/h，燃盡風量為0.20 Nm3/h，通過圖3所示的取樣系統取樣分析，研究了再燃區爐膛壁溫從1000℃增加到1400℃時對再燃脫除NO的影響。

圖6是脫硝率隨再燃區溫度的變化。從圖中可以看出，溫度從1000℃增加到1300℃時，脫硝效率快速增加，1300℃時脫硝效率達到最大值，但溫度大于1300℃時再燃脫硝率減小。主要是因為溫度大于1300℃時，在再燃區被還原的NO，在燃盡區富氧環境中又生成大量的熱力型NO。因此并不是溫度越高越好，需要綜合考慮再燃區和燃盡區溫度對NO的脫除與生成的影響，再燃區和燃盡區的溫度控制在1200℃左右時，就可獲得比較理想的脫硝效率。

圖6 脫硝率隨再燃區溫度的變化

3 結論

(1)在溫度、過量空氣系數和再燃燃料比例相同的條件下，CH4再燃脫硝效果最好，H2脫硝效果次之，CO脫硝效果最差。隨著碳氫比的增大，合成氣再燃脫硝率先增大后減小，當碳氫比達到7/3時，脫硝效果相對較好，但低于甲烷再燃脫硝效果。

(2)當再燃區過量空氣系數為0.7～0.9、再燃區溫度在1200℃左右，碳氫比為7/3的合成氣再燃時，不僅可以獲得較為理想的再燃脫硝效率，同時對煤粉燃盡率的影響很小。

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(本文文獻格式：吳國強，張永生.再燃對NOx污染物排放影響研究[J].山東化工,2017,46(13):164-166,169.)

Study of the Impact on NOxEmission Caused by Reburning

WuGuoqiang1,2，ZhangYongsheng2

(1.School of Electrical and Information Engineering,North Minzu University,Yinchuan 750021,China；2.School of Energy,Power and Mechanical Engineering,North China Elcetric Power University,Beijing 102206,China)

NOxis the important pollutants in the coal-fired power plants．This paper focuses on the impact of these pollutant caused by reburning in the drop-tube furnace．The results show that for denitration， the rate t of CH4reburning denitration is the highest，the next is the H2and CO is the lowest，the reburning denitration rate of syngas with the different carbon hydrogen ratio increases firstly，and then decreases along with the increase of the carbon hydrogen ratio．When the carbon hydrogen ratio reaches to 7/3，the reburning denitration rate is higher，but lower than that of the methane. When the excess air coefficient of reburing zone is between 0.7 and 0.9，and the temperature is about 1200℃，the reburning process of the syngas can obtain ideal reburning denitration effect．This conclusion can provideprovide the theoretical foundation for NOxremoval in the coal combustion of power station boile.

pulverized coal combustion；syngas；reburning；denitration

2017-05-04

國家科技支撐計劃(2015BAA05B02)；北方民族大學校級科研項目(基于合成氣再燃的電廠煙氣脫硝新技術研究)

吳國強(1986—)，男，碩士，助教，主要研究方向燃燒及污染物控制；通訊作者：張永生(1976—)，男，博士，副教授。

X511

A

1008-021X(2017)13-0164-03