第28卷第23期中國電機工程學報vol28No23Aug.15.2008202008年8月15日Proceedings of the文章編號:0258-8013(2008)23002005中圖分類號:TK16文獻標識碼:A學科分類號:47020水煤漿再燃降低鍋爐NO排放的實驗研究董若凌',周俊虎2,岑可法2,韓志英2(1.浙江理工大學機械與自動控制學院,浙江省杭州市3100182.浙江大學,淅江省杭州市310027)Experimental Study on Reducing Furnace NO Emission Through Coal Water Slurry ReburningDONG Ruo-ling', ZHOU Jun-hu?, CEN Ke-fa, HAN Zhi-ying(1. College of Mechanical and Automation Control, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, Zhejiang Province, China,2. Zhejiang University, Hangzhou 310027, Zhejiang Province, China)ABSTRACT: The performance of coal water slurry(CwS)同比例的燃料/空氣混合物,在不同區(qū)域內形成氧化reburning technology for NO, emission control was性或還原性氛圍,在保證燃燒的前提下,將已有NOxinvestigated in a025 MW down-fired fumace. Shenhua還原為N2。目前,再燃技術在工業(yè)應用中可獲得的脫硝率在20%-70%,除技術本身原因外,再燃燃indicate that Cws is superior to pulverized coal in regard to料選擇是引起以上差異的重要一環(huán)。天然氣不含NNO, reduction; high reburning fuel fraction and oxygen primary物質,是較優(yōu)的再燃燃料。但由于存在價格和產品combustion zone favor to the control of furmace NOxNO, reduction efficiency is inverse proportional to the square可靠供給問題,天然氣再燃技術的工業(yè)實施比較有excess air ratio in the primary combustion zone,, and decrease限。對燃煤電站鍋爐而言,煤粉是最便利的再燃with increase in the rebuming zone excess air ratio. cws is a燃料,且二次處理(如超細化和制漿化)后,再燃效good rebuming fuel and could be widely applied in the industry果會進一步提高:超細煤粉再燃實現的工業(yè)脫硝率furnace for further NO, emission control現已達28%~57%。徐璋"和李戈的一維爐實驗KEY WORDS: coal water slurry; down-fired furnace還曾報道了高于60%的脫硝效果,不過,超細粉再rebuming technology: NO, reductio燃應用的經濟性仍待權衡;煤漿化是另一煤粉再燃摘要:為明確鍋爐采用水煤漿再燃技術時的整體NO2控制效應用處理方式,EER曾利用洗煤廠煤渣制漿,在0.3果和影響因素,利用神華煤,在025Mw沉降爐上,分別MW塔式爐、03MW和3MW旋流爐上進行測試,以煤粉和水煤漿為再燃燃料,進行了再燃NO控制實驗結實現再燃脫硝率55%-7%,幾近天然氣的應用效果顯示,水煤漿再燃時的脫硝效果優(yōu)于煤粉:一定范圍內果,且經濟可靠21!鑒于燃煤電站鍋爐在煤漿制較高的再燃比有利于鍋爐整體再燃脫硝:鍋爐主燃區(qū)宜采用備上的便利,以及利用水煤漿作為再燃燃料可能具氧化性氛圍,此時該處的過量空氣系數與脫硝效果呈現二次有的較好NO控制前景,進行該領域探索,確定水曲線關系;水煤漿再燃脫硝率與再燃區(qū)過量空氣系數成反煤漿再燃影響因素,極具意義。由此,在初步了解比。實驗證實,水煤漿是一種較優(yōu)的再燃燃料,可被廣泛應水煤漿作為再燃燃料時若干再燃區(qū)反應特性的基礎用,以實現對工業(yè)爐NO,排放的有效控制上同,本文利用025MW沉降爐對水煤漿再燃技術關鍵詞:水煤漿;沉降爐;再燃技術;脫硝的系統(tǒng)應用作進一步考察。0引言1實驗裝置和方法燃煤電站鍋爐所排放的NO2會帶來光化學煙11實驗裝置霧,破壞臭氧層,引發(fā)酸雨,影響動、植物生長,圖1為水煤漿再燃實驗臺簡圖。整套系統(tǒng)的構甚至危及人類生活健康。為此,科研人員對之進成包括實驗爐本體、煤粉主燃燒系統(tǒng)、煤漿再燃系行了深入研究,并開發(fā)了多種控制手段。再燃技術統(tǒng)和實驗監(jiān)測系統(tǒng)。其中,實驗爐主體高約35m,是其中之一28。再燃是指分區(qū)段向燃煤鍋爐輸送不內徑300mm。主燃燒器頂置,一、二次風均為環(huán)形第23期莖若凌等:水煤漿再燃降低鍋爐NO,排放的實驗研究風,一次風口內徑40mm,外徑72mm,二次風口13實驗方案內徑78mm,外徑93mm。爐體四周開設20多個實驗意圖從鍋爐整體角度研究水煤漿再燃技術有密封蓋的小孔,作觀測、取樣用,亦作再燃燃料的脫硝效果和影響因素,主要內容包括:鍋爐主燃噴入口和供風口。實驗中,主燃煤粉由螺旋給粉器區(qū)過量空氣系數a、再燃燃料占鍋爐總熱輸入量的供給,再燃煤漿則利用高壓空氣將煤漿泵輸送來的百分比(再燃比w+)和再燃區(qū)過量空氣系數a2等參數漿液通過煤漿槍實施有效霧化后送λ爐內。實驗監(jiān)與脫硝率間的關系。煤粉、水和水煤漿的再燃脫硝測系統(tǒng)包括多種測量儀器:火焰溫度采用紅外高溫效果比較也在考察范圍之內。計和鉑銠鉑銠熱電耦配合測量,煙氣成份采樣由為經濟、安全,實驗采用20kg/h的總燃料供ROSEMENT煙氣分析儀執(zhí)行(分析物及測量精度為給速率,再燃比10%-25%,主燃區(qū)過量空氣系數O2:±025%,CO2±1%,CO:±250mLm-3,NO:090-1,20,再燃區(qū)過量空氣系數0751.0,燃盡區(qū)±15mLm3)。實驗分析時,煙氣組成將被轉化為過量空氣系數保持115gO2)=6%下的相應值以方便研究。為保證所測數據依據煤粉鍋爐顆粒停留時間計算方法,在考可靠,以上諸系統(tǒng)在實驗前均進行標定工作。慮燃燒器布局時,再燃燃料噴射位置一般選為距主燃燒器1145mm處,如此,主燃燃料的主燃區(qū)停留時間不少于0.35s燃盡風口一般距主燃燒器1490~1590mm,可保證燃料再燃區(qū)停留約04s。剩余爐膛空間仍能滿足煤粉的爐內停留約0.5s,符合文獻6所推薦的最佳停留時間范圍實驗爐脫硝率計算公式為27=NO,)-9(N0×100%9(NO,)高壓霧化氣式中:功為脫硝率,%;(NOx)為基礎工況下排煙NO2濃度,mm3;qNOx)為再燃工況下排煙NO濃度,mLm-3。1035Mw沉降護:2-空氣流囊計:}煤漿槍:4壓力表煤2實驗結果分析漿泵出口閥:6旁路閥:媒漿泵:8媒漿罐;9濾網;10攪拌2.1水煤漿、煤粉和水的再燃效果比較器:1煤漿儲罐;12煙氣分析儀:13- Datalogger;l4熱電偶(紅外高溫儀:15—數據采集中樞:16觀測孔:17煤粉倉;18調速電以煤粉、水煤漿和水為再燃燃料,進行主燃區(qū)機:19螺旋給粉機:20-風粉混合器;21一煙道過量空氣系數為1.05,再燃比為20%的諸工況研究圖10.25Mw水媒漿再燃實驗系統(tǒng)簡圖獲得沉降爐再燃NO2排放控制效果如圖2所示Fig. 1 Sketch of 0. 25 Mw CwS reburning由圖可知,噴水脫硝技術不適于鍋爐類燃燒設備的NO2控制——脫硝效率僅5%左右。歐文格拉12實驗用燃料特性及制備實驗用主燃燃料和再燃煤漿均由神華煤制成斯曼認為,燃燒系統(tǒng)內的水分僅起降低燃燒溫度(煤質分析見表1)。由于已證實低濃度水煤漿可獲得和O離子濃度的作用,亦即水能抑制NO2生成,但單獨并不具備還原NO2的能力。較高的脫硝率,且無需添加劑214,本文煤漿濃度煤粉和水煤漿的再燃應用均實現了鍋爐NO2確定為50%。在精確稱量煤粉和水分質量后,按1:1排放的有效控制。不過,煤粉再燃脫硝效果普遍低比例混合,置于儲漿罐,用攪拌器以60r/min的速于水煤漿,且此現象隨再燃區(qū)過量空氣系數的增加率充分攪拌。上述工作至少在實驗前4h開始實施。愈發(fā)明顯:在再燃區(qū)過量空氣系數為080時,水煤表1實驗用煤工業(yè)分析及元素分析Tab. 1 Proximate analysis and ultimate analysis of coals漿脫硝率僅相對煤粉高4%,至再燃區(qū)過量空氣系sed in the test數095時,水煤漿相對煤粉脫硝能力的提高達48%這一趨勢的發(fā)生可能與高溫下的H2OO作用有關:高過量空氣系數預示煙氣中氧濃度增加,以水煤漿455269352136280393作為再燃燃料時,水分蒸發(fā)將促進反應:中國電機工程學報第28卷O+H,O→OH+OH50口a=1.05,a2090煙氣OH離子數量的增多隨即使脫硝作用(式(3)和40}■a=100.a=1.0(4)得到增強OH+NH3→H2O+NH2NH2+NO→N2+H2O豫該而煤粉再燃時缺乏類似效應。水煤漿的再燃應用緩繳繳定程度上實現了環(huán)境氧的利用,較煤粉嚴苛的還原性再燃條件而言是一種改進,在作用形式上優(yōu)于圖3再燃比對脫硝率的影響煤粉。Fig 3 Effect of reburning fuel fraction on NOx reduction圖2揭示水煤漿再燃在再燃區(qū)過量空氣系數為存在由于主燃區(qū)燃料減少引起的NO2生成降低效應。測試證實:當再燃比為10%時,實驗爐主燃區(qū)0.85~090時,呈現脫硝強勢,此氛圍恰好是已知的結束平面最高NO2濃度約940mLm-3,在再燃比為揮發(fā)分析出峰出現條件8,水分蒸發(fā)對燃料氣態(tài)物質揮發(fā)的增強效應是上述特性得以保存的合理解25%時,該位置的NO2濃度最高僅750mLm3。顯釋。實驗中,煤粉沒有清晰地表現出類似特性,其然,低再燃比工況下進入再燃區(qū)的污染物數量較多脫硝率隨再燃區(qū)過量空氣系數較多呈現單調變化規(guī)脫硝負荷大,再燃燃料不足進一步惡化NO作用條件,脫硝率自然不高;提高再燃比后,一方面主燃律。整體燃燒系統(tǒng)的復雜情況和揮發(fā)物在煙氣比例區(qū)NO2生成量減少,另一方面再燃燃料供給得到保中所占份額的不足,是煤粉揮發(fā)分脫硝效應受到掩蓋的原因所在?？梢?水煤漿的再燃應用更多地保證,參與還原的物質增多,系統(tǒng)脫硝效果隨之改觀;持和促進了較易進行的氣相間同相還原效應進一步増加再燃燃料量,主燃區(qū)NO2生成量更少,再燃區(qū)脫硝負荷不大,少數再燃燃料即可完成對NO的有效還原,為此,再燃脫硝率的增強趨勢不明顯;進而,如果一定數量的未反應水煤漿半焦和揮發(fā)分N物質進入燃盡區(qū),氧化形成NO不可避免,某些工況下系統(tǒng)脫硝率隨再燃比過度增加呈現的下降現象恰源于此。過度增加再燃比的另一危害在于將使鍋爐燃盡區(qū)燃燒負擔加大,帶來不必要的損失。在水煤漿的再燃應用中,提高再燃比是實現圖2煤粉、水煤漿和水的再燃脫硝特性NO排放控制的一種有效調節(jié)手段,不過此調節(jié)存Fig 2 Reburning NO, reduction preference of coalCwS and water在最佳值,就本實驗而言,20%是較適合的選擇。22再燃比對水煤漿再燃脫硝率的影響23主燃區(qū)過量空氣系數對脫硝率的影響再燃比改變直接決定鍋爐不同區(qū)域的熱負荷、對主燃區(qū)而言,過量空氣系數主要影響其后的溫度和燃燒產物狀況,是影響再燃效果的關鍵參數。煙氣組成、再燃區(qū)供風量和反應狀況。有關主燃區(qū)為此,本文設計4種再燃比,分別為10%、15%、過量空氣系數對再燃具體影響作用的研究目前比較20%和25%,選擇主燃區(qū)過量空氣系數為1.05,再有限,部分研究者建議采用低于100的主燃區(qū)過燃區(qū)過量空氣系數等于090和主燃區(qū)過量空氣系數量空氣系數,但從保證一定燃盡率的角度考慮,這為100,再燃區(qū)過量空氣系數等于100兩種燃燒條建議的實施價值存在疑問;季俊杰等總結層燃件進行研究,實驗結果如圖3。爐再燃技術主燃區(qū)過量空氣系數對脫硝率的影響時實驗中,水煤漿再燃脫硝效果多數情況下與再認為,主燃區(qū)過量空氣系數和NO2排放成正比關系,燃比呈正比變化規(guī)律,但當再燃比達到一定值(如為此在保證燃燒的前提下,控制一次風風量越小越20%)后,增加趨勢可能變緩:α=1.00,∞=100條好。本文獲得的主燃區(qū)過量空氣系數對煤粉爐水煤件下的實驗結果對應這一變化:亦或有所下降:對漿再燃效果影響規(guī)律如圖4所示,此實驗再燃比選ax1=1.05,a=090的再燃工況而言,再燃比增加最擇為25%終導致脫硝率降低可見,隨主燃區(qū)過量空氣系數增加,實驗爐脫再燃比增加不僅意味著再燃燃料量增多,而且硝率呈現增漲趨勢,至α=1.15時達極值,為42%第23期董若凌等:水煤漿再燃降低鍋爐NO2排放的實驗研究50「口a2-0.85,w25%燃區(qū)過量空氣系數對水煤漿再燃的影響規(guī)律在對比a2=0.90,w產25%煤粉、水煤漿和水的脫硝能力時已有涉及,圖2的求配內容和論述依然有效,此間僅對以上實驗略做補充,工況選用的主燃區(qū)過量空氣系數等于090和100再燃比25%,結果如圖5。090L00.051.151,20we=25%口a=090四a=l00圖4主燃區(qū)過量空氣系數對脫硝率的影響Fig 4 Effect of excess air ratio on NOr reduction in求配primary combustion zone45%,但此后主燃區(qū)過量空氣系數的進一步提高往往造成系統(tǒng)脫硝率回落。主燃區(qū)過量空氣系數降低不利于再燃脫硝效果的提高,不過當過量空氣系數降至當量系數以下,主燃區(qū)處于完全還原性氣氛(如圖5再燃區(qū)過量空氣系數對實驗爐脫硝率的影響a=090)時,實驗爐出現了脫硝率回升現象——獲Fig 5 Efect of excess air ratio on NO, reduction in得了高于主燃區(qū)過量空氣系數為1.00工況時的脫硝再燃是一種還原作用,其順利進行依賴缺氧條效果?？梢?主燃區(qū)過量空氣系數對系統(tǒng)脫硝效果件的維持。由于隔絕了O2干擾,煤焦、熱解揮發(fā)分的影響規(guī)律極其復雜。中的烴類和小分子N物質將更多地與來自主燃區(qū)的分析認為,還原性主燃區(qū)過量空氣系數的采用NO發(fā)生作用,將之還原為N2。為此,實驗獲得的使實驗爐燃燒狀況更接近空氣分級技術,由于缺系統(tǒng)脫硝率與再燃區(qū)過量空氣系數關系近似線性反氧,主燃區(qū)內煤粉揮發(fā)分生成的燃料型NO減少,比,再燃區(qū)還原性氛圍加強有利于水煤漿再燃效率爐內燃燒速度較慢,火焰溫度不高,熱力型NO2也提高。得到抑制,為此顯示了一定的脫硝優(yōu)勢。不過,對除已知的再燃煤粉參與作用外,水煤漿再燃應于這樣的燃燒方式,主燃區(qū)結渣和腐蝕相當嚴重,用時還應顧及燃料不完全燃燒和水煤氣發(fā)生現象且燃料燃盡將集中于燃盡區(qū),使該位置熱負荷增加,圖6給出不同工況下爐內再燃區(qū)CO濃度分布狀況,可能危及系統(tǒng)安全顯然,還原性氛圍的保持有助于再燃區(qū)CO濃度的對于釆用氧化性主燃區(qū)的實驗工況,控制主燃增加。高濃度CO的存在一方面能維持必須的再燃區(qū)過量空氣系數較小固然可以使NO初始生成量減區(qū)還原條件,另一方面將充當煤焦表面活化劑和再少,但沒有得到完全揮發(fā)的剩余燃料N物質在經由燃脫硝反應催化劑,甚至直接參與NO2的還原2再燃區(qū)后將面臨富氧的燃盡區(qū),有再次形成NoO的這一特性是水煤漿再燃利用的優(yōu)勢,其高于煤粉的可能,以至影響整體脫硝效率。增加主燃區(qū)過量空脫硝能力應部分源于較高再燃區(qū)CO濃度的影響。氣系數,雖然初始NO2生成量有所增加,但只要調a=100.w25%節(jié)再燃區(qū)參數使還原反應處于最佳狀態(tài),即可使進入燃盡區(qū)的活性N物質減少,確保系統(tǒng)脫硝效果逐步好轉。當然,過度提高主燃區(qū)氧量,所形成的NO超出再燃區(qū)處理能力,并且煙氣與再燃燃料的有效混合問題也將顯現,系統(tǒng)脫硝率隨即下降實驗揭示:神華水煤漿再燃脫硝效率與鍋爐主燃區(qū)過量空氣系數的關系呈階段性變化,太高或太圖6基礎工況和再燃工況再燃區(qū)Co分布狀況低的a1均不利實現NO2有效控制,115是較適合的Fig 6 CO concentration in reburning zone underdifTerent condition選擇。24再燃區(qū)過量空氣系數對脫硝率的影響3結論再燃脫硝作用主要發(fā)生于鍋爐再燃區(qū),為此該(1)水煤漿再燃脫硝效果優(yōu)于煤粉,噴水脫硝位置氛圍是獲得良好NO2排放控制的關鍵。關于再技術不適用于鍋爐系統(tǒng)中國電機工程學報第28卷(2)改變再燃比可調節(jié)水煤漿再燃脫硝效果Xu Zhang, Deng Tao, Li Ge, ct al. Test and study on NO, reduction但此調節(jié)存在最佳值。綜合各種因素,本文推薦神with micronized coal dust rebuming[]. Thermal Power Generation華水煤漿再燃比采用20%。2004,3302):34-37 in Chinese)[12] AshworthR A, Morrison D K, Payne R, et al. Coal water slurry(3)還原性的主燃區(qū)雖然一定程度上提高了系rebuning-low cost NO, compliance system for cyclone- fired boilers統(tǒng)脫硝率,但存在燃盡困難及因之引起的其他不利[C]. 21st Intemational Technical Conference On Coal Utilization結果。氧化性主燃區(qū)的過量空氣系數與再燃脫硝率Fuel Systems, Clearwater, FL, USA, 1996.[13] Ashworth RA, Maly P M, Carson WR, Results of CwS reburn tests呈現二次曲線關系,神華水煤漿在a1=115時可獲on a 10x10 Btu/hr tower furmace and its impact on CWS rebum得較好的NO2控制效果economics[C]. 22nd International Conference on Coal Utilization(4)水煤漿再燃脫硝率與再燃區(qū)過量空氣系數Fuel Systems, Clearwater, FL, USA, 199714」若凌,周俊虎,孟德潤,等,再燃區(qū)水煤漿脫硝反應特性的試驗成反比,燃料不完全燃燒和水煤氣效應形成的CO研究門中國電機工程學報,2006,264):56-59增強了水煤漿的再燃區(qū)脫硝能力。Dong Ruoling, Zhou Junhu, Meng Derun, et al. Experimental參考文獻reburning zone[J]. 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