第28卷第23期中國電機工程學(xué)報vol28No23Aug.15,2008202008年8月15日Proceedings of the文章編號:0258-8013(2008)23005中圖分類號:TK16文獻標(biāo)識碼:A學(xué)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(xué)機械與自動控制學(xué)院,浙江省杭州市310018;2.浙江大學(xué),淅江省杭州市310027)Experimental Study on Reducing Furnace NO Emission Through Coal Water Slurry ReburningDONG Ruoling, ZHOU Jun-hu, cen Ke-fa, HAN Zhi-ying1. College of Mechanical and Automation Control, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, Zhejiang Province, China2. 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(nèi)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NOxvestigated in a025 MW down-fired furmace. Shenhua還原為N2。目前,再燃技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用中可獲得的pulverized coal and its CwS were reburning fuels. The results脫硝率在20%-70%叫,除技術(shù)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(zhì),是較優(yōu)的再燃燃料。但由于存在價格和產(chǎn)品combustion zone favor to the control of furnace NOx emission;se proportional to the square of可靠供給向題,天然氣再燃技術(shù)的工業(yè)實施比教有excess air ratio in the primary combustion zone, and decreas,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(xì)化和制漿化)后,再燃效ood rebuming fuel and could be widely applied in the industry果會進一步提高:超細(xì)煤粉再燃實現(xiàn)的工業(yè)脫硝率furnace for further NO, emission control現(xiàn)已達28%~57%明。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(xì)粉再reburning technology: NO, reduction燃應(yīng)用的經(jīng)濟性仍待權(quán)衡;煤漿化是另一煤粉再燃應(yīng)用處理方式,EER曾利用洗煤廠煤渣制漿,在03摘要:為明確鍋爐采用水煤漿再燃技術(shù)時的整體NO2控制效果和影響因素,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(jié)實現(xiàn)再燃脫硝率55%-7%,幾近天然氣的應(yīng)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(nèi)果,且經(jīng)濟可靠2l3。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(shù)與脫硝效果呈現(xiàn)二次有的較好NO控制前景,進行該領(lǐng)域探索,確定水曲線關(guān)系;水煤漿再燃脫硝率與再燃區(qū)過量空氣系數(shù)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(yīng)水煤漿作為再燃燃料時若干再燃區(qū)反應(yīng)特性的基礎(chǔ)用,以實現(xiàn)對工業(yè)爐NO,排放的有效控制上同,本文利用0.25MW沉降爐對水煤漿再燃技術(shù)關(guān)鍵詞:水煤漿;沉降爐;再燃技術(shù);脫硝的系統(tǒng)應(yīng)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(xué)煙1.1實驗裝置霧,破壞臭氧層,引發(fā)酸雨,影響動、植物生長,M凵中國煤化工圖,整套系統(tǒng)的構(gòu)甚至危及人類生活健康。為此,科研人員對之進成CNMH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(shù)統(tǒng)和實驗監(jiān)測系統(tǒng)。其中,實驗爐主體高約35m是其中之一2。再燃是指分區(qū)段向燃煤鍋爐輸送不內(nèi)徑300mm,主燃燒器頂置,一、二次風(fēng)均為環(huán)形第23期堇若凌等:水煤漿再燃降低鍋爐No,排放的實驗研究風(fēng),一次風(fēng)口內(nèi)徑40mm,外徑72mm,二次風(fēng)口13實驗方案內(nèi)徑78mm,外徑93mm。爐體四周開設(shè)20多個實驗意圖從鍋爐整體角度研究水煤漿再燃技術(shù)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(nèi)容包括:鍋爐主燃噴入口和供風(fēng)口。實驗中,主燃煤粉由螺旋給粉器區(qū)過量空氣系數(shù)α、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(shù)a2等參數(shù)漿液通過煤漿槍實施有效霧化后送λ爐內(nèi)。實驗監(jiān)與脫硝率間的關(guān)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(nèi)。計和鉑銠鉑銠熱電耦配合測量,煙氣成份采樣由為經(jīng)濟、安全,實驗采用20kgh的總?cè)剂瞎㏑OSEMENT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(shù)O2:均0.25%,CO2:±1%,CO:±250mLm3,NO:0.90-120,再燃區(qū)過量空氣系數(shù)0.75~100,燃盡區(qū)±15mLm3)。實驗分析時,煙氣組成將被轉(zhuǎn)化為過量空氣系數(shù)保持15gO2)=6%下的相應(yīng)值以方便研究。為保證所測數(shù)據(jù)依據(jù)煤粉鍋爐顆粒停留時間計算方法1,在考可靠,以上諸系統(tǒng)在實驗前均進行標(biāo)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035s。燃盡風(fēng)口一般距主燃燒器490~1590mm,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(nèi)停留約0.5s,符合文獻(16所推薦的最佳停留時間范圍。r實驗爐脫硝率計算公式為≈只(NO,)-9(NO,10%高壓霧化氣式中:為脫硝率,%;9(NOx)為基礎(chǔ)工況下排煙NO2濃度,mLm3;g(NOx)為再燃工況下排煙NO濃度,mLm-31-02Mw沉降爐:2空氣流計:3煤漿槍:4壓力表:52實驗結(jié)果分析漿泵出口閥:6旁路閥:7煤漿泵:8煤漿罐:9濾網(wǎng):10-攪拌21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;|4-熱電偶紅外高溫儀)15—數(shù)據(jù)采集中樞:16觀測孔:17—煤粉倉;18調(diào)速電以煤粉、水煤漿和水為再燃燃料,進行主燃區(qū)機:19蝶旋給粉機:20一風(fēng)粉混合器;21—煙道過量空氣系數(shù)為1.05,再燃比為20%的諸工況研究圖1025Mw水煤漿再燃實驗系統(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(shù)不適于鍋爐類燃燒設(shè)experiment system12實驗用燃料特性及制備備的NO2控制—一脫硝效率僅5%左右。歐文格拉實驗用主燃燃料和再燃煤漿均由神華煤制成斯曼認(rèn)為,燃燒系統(tǒng)內(nèi)的水分僅起降低燃燒溫度和O離子濃度的作用,亦即水能抑制NO2生成,但(煤質(zhì)分析見表1)由于已證實低濃度水煤漿可獲得單獨并不具備還原NO2的能力。較高的脫硝率,且無需添加劑21,本文煤漿濃度煤粉和水煤漿的再燃應(yīng)用均實現(xiàn)了鍋爐NO2確定為50%。在精確稱量煤粉和水分質(zhì)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60mmin的速于水煤漿,且此現(xiàn)象隨再燃區(qū)過量空氣系數(shù)的增加率充分?jǐn)嚢?。上述工作至少在實驗?h開始實施。愈發(fā)明顯:在再燃區(qū)過量空氣系數(shù)為0.80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漿脫硝率僅相對粉高4%.至再燃區(qū)過量空氣系used in the test數(shù)0中國煤化工力的提高達48%工業(yè)分析死素分析闖這CNMHGHO/O作用有關(guān):髙過量空氣系數(shù)預(yù)示煙氣中氧濃度增加,以水煤漿639145526.9352.1362803.930.9041110l作為再燃燃料時,水分蒸發(fā)將促進反應(yīng):國電機工程學(xué)報第28卷O+H,O→OH+OH5oraa=105,a=090煙氣OH離子數(shù)量的增多隨即使脫硝作用(式(3)和40}■a=1.00.a2=1.00(4)得到增強:OH+NH3→H2O+NHNH2+NO→N2+H2O該該而煤粉再燃時缺乏類似效應(yīng)。水煤漿的再燃應(yīng)用定程度上實現(xiàn)了環(huán)境氧的利用,較煤粉嚴(yán)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存在由于主燃區(qū)燃料減少引起的NO2生成降低效圖2揭示水煤漿再燃在再燃區(qū)過量空氣系數(shù)為應(yīng)。測試證實:當(dāng)再燃比為10%時,實驗爐主燃區(qū)0.85~090時,呈現(xiàn)脫硝強勢,此氛圍恰好是已知的揮發(fā)分析出峰出現(xiàn)條件8,水分蒸發(fā)對燃料氣態(tài)物結(jié)束平面最高NO,濃度約940mLm3,在再燃比為質(zhì)揮發(fā)的增強效應(yīng)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(xiàn)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(shù)量較多脫硝率隨再燃區(qū)過量空氣系數(shù)較多呈現(xiàn)單調(diào)變化規(guī)脫硝負(fù)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(fù)雜情況和揮發(fā)物在煙氣比例中所占份額的不足,是煤粉揮發(fā)分脫硝效應(yīng)受到掩區(qū)NO2生成量減少,另一方面再燃燃料供給得到保證,參與還原的物質(zhì)增多,系統(tǒng)脫硝效果隨之改觀;蓋的原因所在?？梢?水煤漿的再燃應(yīng)用更多地保持和促進了較易進行的氣相間同相還原效應(yīng)進一步增加再燃燃料量,主燃區(qū)NO生成量更少,再燃區(qū)脫硝負(fù)荷不大,少數(shù)再燃燃料即可完成對a=1.05,we20%NO1的有效還原,為此,再燃脫硝率的增強趨勢不水煤漿明顯;進而,如果一定數(shù)量的未反應(yīng)水煤漿半焦和揮發(fā)分N物質(zhì)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(xiàn)的下降現(xiàn)象恰源于此。過度增加再燃比的另一危害在于繳鄉(xiāng)將使鍋爐燃盡區(qū)燃燒負(fù)擔(dān)加大,帶來不必要的損失。在水煤漿的再燃應(yīng)用中,提高再燃比是實現(xiàn)圖2煤粉、水煤漿和水的再燃脫硝特性NO2排放控制的一種有效調(diào)節(jié)手段,不過此調(diào)節(jié)存Fig 2 Reburning NO, reduction preference of coal,CwS 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(shù)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(fù)荷、對主燃區(qū)而言,過量空氣系數(shù)主要影響其后的溫度和燃燒產(chǎn)物狀況,是影響再燃效果的關(guān)鍵參數(shù)。煙氣組成、再燃區(qū)供風(fēng)量和反應(yīng)狀況。有關(guān)主燃區(qū)為此,本文設(shè)計4種再燃比,分別為10%、15%、過量空氣系數(shù)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(shù)為105,再有限,部分研究者9建議采用低于100的主燃區(qū)過燃區(qū)過量空氣系數(shù)等于090和主燃區(qū)過量空氣系數(shù)量空氣系數(shù),但從保證一定燃盡率的角度考慮,這為1.00,再燃區(qū)過量空氣系數(shù)等于1.00兩種燃燒條一建議的實施價值存在疑問;季俊杰等總結(jié)層燃件進行研究,實驗結(jié)果如圖3。爐再燃技術(shù)主燃區(qū)過量空氣系數(shù)對脫硝率的影響時實驗中,水煤漿再燃脫硝效果多數(shù)情況下與再認(rèn)為,主燃區(qū)過量空氣系數(shù)和NO2排放成正比關(guān)系燃比呈正比變化規(guī)律,但當(dāng)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(fēng)風(fēng)量越小越20%)后,增加趨勢可能變緩:α=100,∞=100條好。本文獲得的主燃區(qū)過量空氣系數(shù)對煤粉爐水煤件下的實驗結(jié)果對應(yīng)這一變化:亦或有所下降:對漿中國煤化工此實驗再燃比選a=105,a-090的再燃工況而言,再燃比增加最擇為CNMHG導(dǎo)致脫硝率降低?？梢?隨主燃區(qū)過量空氣系數(shù)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(xiàn)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「a=0:85,w25%燃區(qū)過量空氣系數(shù)對水煤漿再燃的影響規(guī)律在對比煤粉、水煤漿和水的脫硝能力時已有涉及,圖2的內(nèi)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(shù)等于090和100,再燃比25%,結(jié)果如圖5090100051.151.20we25%a=090圖4主燃區(qū)過量空氣系數(shù)對脫硝率的影響Fig, 4 Effect of excess air ratio on NOr reduction in45%,但此后主燃區(qū)過量空氣系數(shù)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(shù)降低不利于再燃脫硝效果的提高,不過當(dāng)過量空氣系數(shù)降至當(dāng)量系數(shù)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(shù)對實驗爐脫硝率的影響Fig 5 EfTect of excess air ratio on NO, reduction inα=0.90)時,實驗爐出現(xiàn)了脫硝率回升現(xiàn)象——獲reburning zone得了高于主燃區(qū)過量空氣系數(shù)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(shù)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(fù)雜中的烴類和小分子N物質(zhì)將更多地與來自主燃區(qū)的分析認(rèn)為,還原性主燃區(qū)過量空氣系數(shù)的用NO2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(shù),由于缺系統(tǒng)脫硝率與再燃區(qū)過量空氣系數(shù)關(guān)系近似線性反氧,主燃區(qū)內(nèi)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(nèi)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(yīng)于這樣的燃燒方式,主燃區(qū)結(jié)渣和腐蝕相當(dāng)嚴(yán)重,用時還應(yīng)顧及燃料不完全燃燒和水煤氣發(fā)生現(xiàn)象。且燃料燃盡將集中于燃盡區(qū),使該位置熱負(fù)荷增加,圖6給岀不同工況下爐內(nèi)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(shù)較小固然可以使NO2初始生成量減區(qū)還原條件,另一方面將充當(dāng)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(zhì)在經(jīng)由燃脫硝反應(yīng)催化劑,甚至直接參與NO2的還原21再燃區(qū)后將面臨富氧的燃盡區(qū),有再次形成No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(yīng)部分源于較高再燃區(qū)CO濃度的影響。氣系數(shù),雖然初始NO2生成量有所增加,但只要節(jié)再燃區(qū)參數(shù)使還原反應(yīng)處于最佳狀態(tài),即可使進入燃盡區(qū)的活性N物質(zhì)減少,確保系統(tǒng)脫硝效果逐步好轉(zhuǎn)。當(dāng)然,過度提高主燃區(qū)氧量,所形成的NOx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(xiàn),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0.750800.85燃區(qū)過量空氣系數(shù)的關(guān)系呈階段性變化,太高或太圖6基礎(chǔ)工況和再燃工況再燃區(qū)CO分布狀況低的a1均不利實現(xiàn)NO2有效控制,1.15是較適合的Fig 6 CO concentration in選擇中國煤化工24再燃區(qū)過量空氣系數(shù)對脫硝率的影響CNMHG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(guān)鍵。關(guān)于再技術(shù)不適用于鍋爐系統(tǒng)。中國電機工程學(xué)報第28卷(2)改變再燃比可調(diào)節(jié)水煤漿再燃脫硝效果,Xu Zhang, Deng Tao, Li Ge, et al. Test and study on NO, reduction但此調(diào)節(jié)存在最佳值。綜合各種因素,本文推薦神with micronized coal dust reburning[]. Thermal Power generation,華水煤漿再燃比采用20%2004,3302):3437( Gn Chinese)[12] Ashworth R A, Morrison D K, Payne R, ef al. Coal water slurry(3)還原性的主燃區(qū)雖然一定程度上提高了系rebuming-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 Intermational Technical Conference On Coal Utilization結(jié)果。氧化性主燃區(qū)的過量空氣系數(shù)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(xiàn)二次曲線關(guān)系,神華水煤漿在a=115時可獲on a 10x10 Btu/hr tower fumace and its impact on CWS rebum得較好的NO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(shù)Fuel Systems, Clearwater, FL, USA, 1997.14J燉若凌,周俊虎,孟德潤,等,再燃區(qū)水煤漿脫硝反應(yīng)特性的試驗成反比,燃料不完全燃燒和水煤氣效應(yīng)形成的CO研究[叮中國電機工程學(xué)報,2006,26(4):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. 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