基于多層煙氣再循環技術的鏈條鍋爐NOx排放研究

杜 時，樊俊杰，張忠孝，郭欣維，張樂宇

(上海理工大學 環境與建筑學院，上海 200093)

0 引 言

我國是世界上煤炭消耗量最大的國家。2016年，我國煤炭生產量和消耗量分別占全球總量的47.6%和49.8%，等同于其他國家生產消耗量總和[1]。燃煤過程產生的NOx是大氣的主要污染物之一，我國2014年頒布了GB 13271—2014《鍋爐大氣污染物排放標準》[2]:2017年2月1日起，在用和新建的工業鍋爐的NOx排放要求小于300 mg/m3，重點地區小于200 mg/m3。長期以來，我國對鏈條爐NOx生成機理缺乏深入研究，所以研究降低鏈條爐NOx技術重要并急迫。

煙氣再循環(FGR)是鏈條爐低氮燃燒改造的常用技術，核心在于利用尾部煙氣低溫低氧的特點，將煙氣噴入爐膛合適的部分，降低爐膛局部溫度產生還原性氣氛，進而抑制NOx的生成[3]。近年來國內眾多學者對煙氣再循環技術進行了相關研究。楊博[4]研究發現，采用煙氣再循環對高溫空氣平焰燃燒可以有效降低一次風氧含量，平焰燃燒的中心回流相延遲了燃燒器內部火焰局部高溫區的出現，降低爐內火焰的局部高溫，從而抑制了熱力型NOx的生成。Eric等[5]和Yu等[6]在燃煤鍋爐和鐵礦石燒結過程中利用煙氣再循環技術對NOx的還原進行研究。陳偉鵬等[7]研究發現，采用煙氣再循環技術后，鍋爐內煙氣氧含量下降，NOx濃度在爐膛中均勻整體下降，而不是局部區域的下降，這對于中小型燃煤鍋爐NOx的減排有理論指導意義和實際應用價值。

本文在1臺70 MW的鏈條爐排熱水鍋爐上采用多級配風式煙氣再循環技術進行系統改造，并分析了煙氣再循環量、煙氣再循環投入位置等因素對NOx排放的影響，這對于煙氣再循環技術在鏈條爐實際工程上的應用有重要意義。

1 鏈條爐煙氣再循環試驗裝置及方法

1.1 試驗系統介紹

某70 MW熱水鍋爐是雙鍋筒角管式燃煤鏈條爐，爐排尺寸為11.2 m×10.1 m，爐膛高度為12.6 m，鍋爐設計效率81.50%，煤種低位熱值21.68 MJ/kg，額定出水、進水溫度分別為150、90 ℃，設計排煙溫度160 ℃。

改造中，從引風機出口附近抽出部分煙氣進行煙氣再循環，循環煙氣量約占總煙氣量10%～20%。循環煙氣經循環風機引入后經過總進風管引入爐膛，進入爐膛前分成兩路，分別與沿鍋爐左/右側墻對稱布設的左/右側墻進風管連接相通；左/右側墻進風管又分支為上層、中層、下層支管，各支管朝向爐膛中心一側的管壁上置有多個再循環風噴射頭，通過爐墻進入爐膛，上層支管向喉口上方爐膛中心供風；中層支管向鏈條爐排和喉口之間供風；下層支管噴射頭深入各分區送風室，向分區送風室送風。通過分層布風控制降低燃燒時的氧含量和燃燒溫度，并增強鏈條爐中氣流的擾動，實現減少NOx排放和改善燃燒的雙重目的[8]。

煙氣再循環風機為變頻風機，通過DCS在線系統調節風機控制煙氣循環總量。每個入爐的噴嘴前設置有手動蝶閥，通過閥門開度調節不同煙氣再循環位置和煙氣再循環率對NOx濃度排放的影響。試驗系統如圖1所示。

圖1 某70 MW鍋爐試驗系統示意Fig.1 Schematic diagram of a 70 MW boiler test system

1.2 工況與測試方法

研究表明[9]，煤燃燒過程中NOx生成量受到焦炭層和氧含量的影響，揮發分析出區、主燃區、焦炭燃燒區和燃盡區NOx生成量分別占整體NOx生成量的 40%、10%和 50%(焦炭燃燒區和燃盡區合并為一個分區)，所以應在這些特定區域降低溫度和氧含量來達到降低NOx排放的目的。

在不同工況分別測試煙氣再循環率及煙氣再循環位置對NOx排放的影響，見表1。

表1試驗工況
Table1Testconditions

工況煙氣再循環率/%煙氣再循環位置10—210、15、20僅開下層支管310、15、20開下、中2層支管410、15、20開下、中、上3層支管

整個工況均在鍋爐安全運營的條件下進行，每10 min測試2組數據區平均值，每組工況和背景值均測試1 h，排放煙氣測點位置在鍋爐頂端出口預留的探測孔，利用線煙氣分析儀測試，煙氣分析儀型號為德圖350，O2測試精度為0.2%，NO測試精度為5%。結果采用測量數據的加權平均值。

在線分析儀測得排放值單位為10-6，轉化計算公式為

其中，α1(NOx)、α2(NOx)為NOx排放值，單位分別為mg/Nm3和10-6;α(O2)為O2含量。此公式是將NO的單位10-6折算為NO2的濃度(mg/m3),并將煙氣中的O2含量折算到9%。

2 試驗結果與討論

2.1 爐排上方溫度場及組分場測試

采用煙氣再循環技術對低NOx排放改造前，首先要確定爐內各燃燒區域的具體位置，然后針對目標區域通入循環煙氣。主要在鍋爐的觀火孔處測試爐內火焰的溫度、氣體組成、NOx排放等。在鏈條爐排附近有3個觀火孔，在觀火孔的左、中、右分別測試數據。由于第1個觀火孔靠近粉煤器，煤剛落下進入爐排幾乎未燃燒，所以靠近分煤器一側不需測試，第3個觀火孔靠近爐排末端，煤幾乎已經燃盡沒有火焰，故只測靠近爐排前方的一點，得到了6個點位置的數據。測試過程中，鍋爐負荷穩定在35 MW，將熱電偶和煙氣分析儀探槍深入爐排上方0.5 m處進行溫度及組分測試，結果如圖2、3所示。

圖2 爐內各區域煙溫和氧含量Fig.2 Oxygen content in each area of the furnace

圖3 爐內各區域氣體組分含量Fig.3 Gas components in each area of the furnace

由圖2、3看出，工況1條件下沿著爐排前進方向氧含量先降低后升高，煙氣溫度先升高后降低，距離前墻位置0.6 m處氧含量為15%，主要原因在于在燃燒初始階段，上部煤燃燒產生的熱量還未傳到底部，煤層主要處于預熱干燥狀態，煤中N隨揮發分析出，生成N、CN、HCN等化合物，由于氧過量，發生氧化生成大量NO，導致揮發分析出區NO濃度偏大；沿爐排方向1～3 m后，氧含量迅速衰減至幾乎為0，主要原因為進入主燃區煤大量消耗氧，煤由于缺氧生成大量不完全燃燒產物CO，產生了還原氣氛，抑制了NO生成同時也將含N化合物還原為氮氣，導致NO濃度下降。距前墻位置3.0～4.5 m內氧含量為0，煙溫達到最大值1 150 ℃，CO濃度達到最大值，NO濃度達最小值。距前墻位4.5 m后氧含量迅速生高，CO濃度下降，NO濃度迅速升高，主要原因在于進入焦炭區和燃盡區，煤中的焦炭穩定燃燒，該區域氧化性強，將焦炭N氧化為NO，在高氧條件下持續生成 NO,NO濃度上升。但該區域NO濃度最大值低于揮發分區NO濃度最大值，這是由于焦炭N反應的活化能比C燃燒的反應活化能大，導致該區域NO濃度最大值低于揮發分區。因此可以看出主燃區和焦炭區燃燒劇烈，但NO濃度卻大幅度減少，所以在對該爐進行煙氣再循環改造時考慮將再循環煙氣主要投入這2個區域，延長燃燒時間，大幅度減少NO的生成。

2.2 全程及局部對煙氣再循環NOx排放的影響

工況2僅開啟鏈條爐左右2側連入風室的下支管，研究全程及局部煙氣再循環條件下鏈條爐生成NOx特性，確定合適的通入循環煙氣的位置。將低溫的循環煙氣分別通入風室是為了降低進入爐排的一次風溫度和氧含量，使爐內產生局部低溫低氧的環境，在爐排產生大量CO等還原氣體參與對NOx的還原，進而抑制NOx生成并降低NOx排放。由于鏈條爐會從觀火孔、各級煙道及尾部排渣區域不密封處泄入冷空氣，導致爐內實際過量空氣系數偏大，循環煙氣的通入可以控制過量空氣系數，提高一次風進入爐排速度，促進氧向煤表面擴散，提高燃燒效率。各區域通入循環煙氣后氧含量和NOx排放濃度的變化如圖4、5所示。

圖4 全程及局部煙氣再循環對氧含量的影響Fig.4 Effects of full and partial flue gas recirculation on oxygen content

圖5 全程及局部煙氣再循環對NOx排放的影響Fig.5 Effects of full and partial flue gas recirculation on NOx emission

結果表明，連入下風室的煙氣再循環技術可以有效降低NOx排放量和煙氣氧含量。原始工況下NOx排放濃度為380 mg/m3，氧含量11.2%，隨著全程及局部再循環煙氣的加入，氧含量和NOx排放量明顯降低。在主燃區、焦炭區、燃盡區通入循環煙氣NOx降低效果比全程煙氣再循環效果好，說明在揮發分析出區通入循環煙氣會使NOx排放量升高，原因是循環煙氣降低了一次風溫和氧含量，在揮發分析出區煤層表面升溫有不利影響，揮發分析出和煤層著火推遲，導致了NO析出推遲，延長了揮發分析出區的停留時間，所以揮發分析出區不宜通入循環煙氣。由于爐排較長，燃盡區后段及后面灰區較長，火焰及煙溫微弱，燃盡區后段不通入循環煙氣，發現只在燃盡區前段通入循環煙氣降低NOx效果比在整個燃盡區通入循環煙氣效果好，原因是主燃區貧氧條件下，氧氣達不到碳表面會發生Boudouard反應，同時循環煙氣含有大量CO2，促進Boudouard反應從而生成大量CO、CH4等還原氣體[10]，同時一次風速提高可以促進煤表面灰分離，延長主燃區停留時間，使NO排放濃度下降。在主燃區、焦炭區和燃盡區前段采取煙氣在循環技術可使氧含量從原始工況下11.2%降至8.8%，NOx排放量從380 mg/m3降至341 mg/m3，較原始工況下降了10.2%。

2.3 煙氣再循環率對NOx排放的影響

根據全程及局部對煙氣再循環NOx排放的影響可知，鏈條爐在主燃區、焦炭區和燃盡區前段下風室通入循環煙氣技術可以最大減少NOx排放量，過高過低的循環煙氣量都會影響NOx排放濃度，所以要確定最佳再循環率降低NOx。在僅開下風室支管通入主燃區、焦炭區和燃盡區前段條件下，研究循環率分別在10%、15%、20%時NOx排放濃度的變化，結果如圖6所示。

圖6 不同煙氣再循環率對NOx排放的影響Fig.6 Effects of different flue gas recirculation on NOx emission

煙氣再循環率在10%、15%、20%時都可以使NOx排放濃度大幅度降低，但煙氣再循環率20%時NOx排放反而比15%時上升，打開鍋爐兩側觀火孔發現爐排后端拉火嚴重。CMES數據顯示此時排放煙氣氧含量大于再循環率15%時煙氣氧含量，左右兩墻水冷壁溫度下降明顯，鍋爐負荷明顯降低，原因在于隨著煙氣再循環率的升高，導致進入爐排的一次風速過大，該爐用煤是細顆粒煤，氧穿透煤層，形成溝流通道，氧未燃燒就隨煙氣流入鍋爐尾部煙道，造成了爐內溫度下降和出口氧含量升高；此外隨著煙氣再循環率的增大，進入爐內NO循環量升高，產生了NO蓄集現象，NOx排放量升高。所以煙氣再循環率為15%時NOx降低效率最高，從原始工況380 mg/m3降至333 mg/m3。

2.4 多層煙氣再循環對NOx排放的影響

根據煙氣再循環率對NOx排放的影響可知，該鏈條爐在主燃區、焦炭區和燃盡區前段下風室通入循環煙氣，煙氣再循環率在15%時可以最大減少NOx排放量，改造在爐膛兩側裝置設置中、上2層輔助煙氣：① 可以降低爐內局部高溫，減少熱力型NOx生成，增加了主燃區和焦炭區的停留時間；② 有助于煤中灰層表面剝離，提高氧向焦炭表面的擴散速率，促進焦炭燃燒，對煤層有良好的引燃作用；③ 循環煙氣含有大量的CO2三原子氣體，可以增加爐內的輻射傳熱，有助于燃煤質量的提高。多層煙氣再循環對NOx排放的影響如圖7所示。

圖7 多層煙氣再循環對NOx排放的影響Fig.7 Effects of multilayer flue gas recirculation on NOx emission

由圖7看出，開下、中、上支管的NOx排放濃度最低，脫氮效率最高，NOx排放量從380 mg/m3降至303 mg/m3，較原始工況下降了20.3%；與傳統的煙氣再循環下部風室噴入相比，脫氮效率從12.3%提高至20.3%，與下部風室及側墻同時噴入相比，脫氮效率從15.2%提高至20.3%。原因在于外加兩側煙氣射流可以使爐內煙氣中未還原的N和還原性氣體充分混合，延長了煙氣在爐內的停留時間，改善了爐內的煙氣動力場，使之在主燃區、焦炭區、燃盡區前段停留時間加長，進一步降低了NOx排放量。此外還增加了燃煤消耗質量，降低了過剩空氣量，控制了燃燒區位置，防止了局部水冷壁結焦現象，鍋爐傳熱效率提高。

3 結 論

1)在揮發分析出區及燃盡區后段通入循環煙氣不利于NOx的去除，在主燃區、焦炭區和燃盡區前段采取煙氣再循環技術可使氧含量從原始工況下11.2%降至8.8%，NOx排放量從380 mg/m3降至341 mg/m3。

2)過低過高的再循環率會對脫氮效率產生反作用，煙氣再循環率為15%時，NOx降低效率最高，從原始工況380 mg/m3降至333 mg/m3，較原始工況下降了12.3%。

3)采用多層側墻輔助煙氣與傳統的煙氣再循環下部風室噴入的脫氮效率效果好，脫氮效率從12.6%提高至20.3%，脫硝效率優化了7.7%；與使用側墻輔助煙氣與下部風箱同時噴入的下、中2層煙氣再循環模式相比，脫氮效率從15.2%提高至20.3%，脫硝效率優化了5.1%。

4)多級煙氣再循環配風方式明顯優于僅底部噴風，可以有效提高NOx爐內脫除效率。

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