分级燃烧降低燃煤污染物NO_x的实验研究

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1、 第 2 5 卷增刊 动 力 工 程 V o l . 2 5 S u p . 2 0 0 5 年 1 0 月 J O U R N A L O F P O W E R E N G I N E E R I N G O c t . 2 0 0 5 201 分级燃烧降低燃煤污染物 NOx 的实验研究 向 军 苏 胜 胡 松 李培生 孙路石 高 鹏 石金明 孙学信 （华中科技大学煤燃烧国家重点实验室，湖北 武汉 4 3 0 0 7 4 ） 摘 要：采用空气分级和燃料分级方法，在实验室卧室炉上进行了降低燃煤污染物 N O x的实验。实验 研究了两种煤在空气分级燃烧和燃料分级燃烧工况下，不同停留时间、燃烧区

2、与还原区不同化学当量 比及温度水平等因素对 N O x 还原性能的影响，获得不同工况下的脱硝效率，实验显示，利用分级燃烧 可显著降低 N O x排放量，采用空气分级燃烧降低氮氧化物还原率可达 2 5 % 左右；实验中获得的再燃脱 硝效率达到了 5 0 % 以上，这证明利用气态碳氢燃料降低 N O x 排放量是切实可行的。 关键词：燃烧学；脱硝；分级燃烧；氮氧化物 E x p e r i m e n t a l R e s e a r c h o n D e n i t r a t i o n b y U s i n g S t a g e d C o m b u s t i o n XIANG

3、 Jun SU Sheng HU Song LI Pei- sheng SUN Lu- shi GAO Peng SUN Xue- xin （State Key Laboratory of Coal Combustion, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074） Abstract：A staged combustion experiment was carried out on a single- burner furnace to reduce the NOx production. The influence

4、 of residence time, combustion region stoichiometries and temperature level were studied on the experiment of staged combustion. The efficiency of NOx reduction has been provided. The results show that the staged combustion can reduce the emission of NOx effectively. The reduction of nitrogen oxide

5、production is a bout 25% by using air staging combustion and 50% by using fuel staged combustion. The result also show that it is viable to reduce NOx emission by using gaseous hydrocarbon fuel. Key words：combustion theory; denitration; staged combustion; nitrogen oxide 近十多年来， 有关煤燃烧中 NOx 的生成特性 实验研究与

6、机理分析的文献非常多，关于煤质、燃 烧设备结构及燃烧工况对 NOx 的生成影响的研究 也逐渐深化。例如，Jones1等人在商业运行锅炉、 小型实验炉及滴管炉上进行了8种煤质的NOx的生 成性能实验， 得出了不同煤质 NOx 的生成特性， 并 显示小型实验炉基本能够反映现场锅炉的运行情 况。 Robert Pieter Van Der Lans2等人在一台 160kWt 863 计划项目：国家高技术研究发展计划项目(2002AA527054) 作者简介：向军(1968)，男，汉族，山东人，副教授，博士，主要从事 煤燃烧理论与污染物控制研究。 实验炉、一台 400Me 四角切圆燃烧锅炉和一台 35

7、0Me 对冲燃烧锅炉上进行了三种高挥发分烟 煤的试验研究， 实验过程中测量了炉内的温度水平， 总结出煤中含氮量、挥发分含量、炉内温度状况、 不同燃烧方式等对 NOx 生成量的影响。 Rui Afonso3 借鉴前人的实验结果， 归纳出煤质对 NOx 生成特性 的影响规律。 空气分级燃烧与燃料分级燃烧是锅炉控制 NOx 生成量的有效方法， 国外学者对此也作了详细 研究。 Chen4与 Wendt5都详细研究过空气分级燃烧 对 NOx 生成量的影响。 Wendt6于 1973 年提出再燃 第 2 5 卷增刊 动 力 工 程 V o l . 2 5 S u p . 2 0 0 5 年 1 0 月 J

8、 O U R N A L O F P O W E R E N G I N E E R I N G O c t . 2 0 0 5 202 的概念，直到 1983 年 Takahashi7等于 Mitsubishi Heavy Industries 报道：再燃法有 50%的 NO 的还原 率， 这一方法才得以确立并实际应用。 之后， Glass8， Chen9，Bose10及其它学者都对再燃法还原 NO 进 行了大量研究，再燃技术带来的良好效果及经济可 行性逐渐被人们所认识。近几年国内学者对锅炉 NOx 生成特性的研究逐渐增多。 钟北京11等研究在 富氧燃烧条件下， 煤中不同挥发分含量对 NOx

9、 生成 特性的影响；文军，许传凯12等在一维煤粉炉上进 行了燃烧试验，研究了空气分级燃烧对我国电站锅 炉四种典型用煤的 NOx 生成特性及煤粉燃尽率的 影响；刘福国13阐述了空气分级配风低 NOx 燃烧 的基本原理以及在电站锅炉燃烧系统中的应用。 本文采用空气分级和燃料分级方法，在实验室 卧室炉上进行了降低燃煤污染物 NOx 的实验， 实验 研究了停留时间、燃烧区与还原区化学当量比及温 度水平等因素对 NOx 还原性能的影响， 并获得不同 工况下的脱硝效率。 1 试验煤质 对实验用煤进行工业分析、元素分析、粒度分 析、灰分析、发热量测定等，表 1 为空气分级燃烧 的煤质工业分析、元素分析结果，

10、表 2 为燃料分级 燃烧的煤质工业分析、元素分析结果。 表 1 试验用煤煤质分析（煤种 1） Table 1 Coal quality analysis(coal 1) Cdaf (%) Ndaf (%) Aar (%) Mar (%) Vdaf (%) Qdw KJ/kg) 89.4 1.42 27.7 6.72 19.1 19670 表 2 试验用煤煤质分析（煤种 2） Table 2 Coal quality analysis(coal 2) Cad (%) Nad (%) Aad (%) Mad (%) Vad (%) Qdw (KJ/kg) 61.89 0.978 26.30 1.4

11、8 12.56 24715 实验再燃燃料为碳氢化合物， 主要成分为丙烷、 丙烯、丁烷和丁烯，约占总体积的 90%以上，其余 成分为少量其他碳氢化合物和空气，再燃燃料低位 发热量约为 110000kJ/Nm3。 2 试验设备 小型卧室炉：设计热负荷为 33.6MJ/h，总体积 为 0.350.54.0m。 送风机送出的冷风经加热器加 热后，一部分直接送至燃烧室三个二次风口，另一 部分携带煤粉送入燃烧室一次风口，给粉机送粉率 为 1825kg/h，一次风温和二次风温分别为 473k 和 573k。沿燃烧室轴向布置 10 个测量孔。卧室炉 系统见图 1- 1，其燃烧器布置参见图 1- 2。煤粉由一

12、次风口送入炉膛后，首先与下二次风口和中二次风 口补充的助燃空气相遇，煤粉在此区域着火燃烧， 形成“主燃区”；随后，煤粉烟气气流继续向炉膛 后方推进，并与顶部二次风口送入的二次风相遇、 混合，进一步燃烧，这一区域称为“燃尽区”。划 分“主燃区”和“燃尽区”的目的是为了分析研究 分级燃烧对煤粉燃烧性能的影响。 卧室炉燃烧室一侧水平轴线上布置有 11 个测 量孔， 分布方式如图 2 所示， 其中第 11 孔为烟气取 样孔，其余各测孔之间距离约 0.3m。实验通过卧室 炉燃烧器喷口送入煤粉燃烧，由燃烧室侧墙测量孔 喷入再燃燃料及燃尽风，在尾部测定烟气中 NOx 浓度的变化。实验中尾部烟气测量采用英国制

13、造 KM900 型烟气分析仪， 其 NOx 测量范围为 05000ppm，分辨率为 1ppm。 燃料分级燃烧实验时，主燃烧区各风管风量保 持不变，燃尽风量保持不变，因此喷入炉膛的总风 量保持不变。主燃料煤粉给粉率保持为 13kg/h，给 粉率由滑动调节电阻控制的给粉绞龙控制。再燃燃 料从气瓶中经减压阀减压后，通过喷管从侧墙测量 孔喷入炉膛燃烧， 再燃燃料量按 4.8L/min， 7.6L/min 和 10L/min 分别进行实验，其流量由浮子流量计控 制。对应于每一种再燃燃料流量，改变再燃燃料和 燃尽风在侧墙测量孔的喷入位置，同时在炉膛出口 处（图 2 中第 11 号孔）测定烟气中 NOx 浓

14、度的变 化，从而确定最佳工况。 在卧室炉上进行空气分级和燃料分级燃烧的热 力实验，考察不同分级方式对氮氧化物生成特性的 影响。 第 2 5 卷增刊 动 力 工 程 V o l . 2 5 S u p . 2 0 0 5 年 1 0 月 J O U R N A L O F P O W E R E N G I N E E R I N G O c t . 2 0 0 5 203 1.鼓风机 2.空气预热器 3.风管 4.二次风分配器 5.煤粉仓 6.给粉机 7.一次风阀门 8.直流电机 9.二次风阀门 10.热电偶 11.燃烧室 12.旋风分离器 图 1- 1 卧室炉系统示意图 Fig 1- 1 T

15、he lab- scale test furnace system 13.上二次风口 14.中二次风口 15.一次风口 16.下二次风口 图 1- 2 卧室炉燃烧器布置示意图 Fig 1- 2 The burners of lab- scale test furnace 图 2 测量孔布置示意图 Fig 2 The position of measure holes 3 试验结果分析 3 . 1 空气分级燃烧氮氧化物生成性能 实验在卧室炉上进行， 实验中下二次风率不变， 改变中二次风率及上二次风率，从而改变燃烧前期 及燃烧后期的氧浓度，以考察分级配风对氮氧化物 生成特性的影响。实验用煤为煤 1

16、，空气分级程度 对氮氧化物生成量影响的实验结果参见图 3，不同 空气分级效果下炉膛中心线温度分布情况参见图 4。结果显示，随着中二次风率的增加，NOx 生成 量明显升高， 这体现了分级燃烧降低 NOx 生成量的 燃烧特性，其原理在于：在燃料燃烧的初始阶段只 将理论空气量的 80%的空气送入，使燃料在缺氧条 件下燃烧，燃烧速度及火焰温度降低，则热 NOx 生成量降低，而且燃料氮将分解生成大量的 HCN、 NHi 等， 可将部分已生成的 NOx 分解， 从而进一步 降低 NOx 生成量； 然后将剩下的空气在燃烧后期送 入，使燃料燃烬，此时由于火焰温度较低，也不会 生成较多的 NOx，因而总的 NOx 生成量是降低的。 对于设有 OFA 的锅炉，由于采用空气分级燃 烧，煤粉在主燃烧区处于贫氧燃烧，过量空气系数 0.80.9，此时由于降低了燃烧强度，热 NOx 及燃料 NOx 生成量都将明显降低；在顶部