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1、天然气高级再燃降低 NOx 排放 的实验研究 王亚飞 罗永浩 陆 方 胡砾元 上海交通大学 热能工程研究所 上海 200240 摘摘 要 要 论述了天然气高级再燃降低NOx排 放的原理 在多功能低NOx燃烧实验台上验证 了天然气高级再燃降低NOx排放的效果 并与 简单再燃进行比较 得到的减排效果明显优 于简单再燃 在最优的工况下得到了 86 的 减排效率 对高级再燃低NOx燃烧过程进行了 数值模拟 计算结果与实验结果吻合较好 关键词 关键词 锅炉 天然气高级再燃 NOx 还 原 0 引言引言 在我国的能源构成和消费中 煤炭 占有十分重要的地位 约占总量的 70 左右 燃煤锅炉运行中产生的氮氧化
2、 物 NOx 给环境带来了一系列严重的 污染问题 酸雨 光化学烟雾 破坏 臭氧层并影响全球气候等 但我国以 煤为主的能源结构在相当长的一段时 期内难以改变 所以开发燃煤锅炉NOx 排放控制技术具有十分重要的现实意 义 煤燃烧过程生成的NOx主要是NO 另外还有少量的NO2 根据NOx的生成原 理及条件的不同 把它分为 3 个类型 即燃料型 热力型和快速型 燃料型 NOx主要是燃料中的N元素被氧化生成 的 一般来说 燃煤的含氮量越高 则燃料型NOx的生成量就越大 热力型 NOx主要是在高温环境下 约 1300 以 上 空气中的N2被O2以及反应生成的 根 根所氧化而生成的 快速型 NOx是由于在
3、燃烧峰面上 空气中的 被 粒子团氧化而生成的 一般在 煤的燃烧过程中 快速型NOx的生成量 很少 目前 降低燃煤锅炉产生的NOx的 技术主要有低NOx燃烧器技术 空气分 级技术 燃料分级技术 SCR 选择性 催化还原技术 和SNCR 选择性非催 化还原技术 1 天然气高级再燃原理 1 天然气高级再燃原理 本实验所研究的是高级再燃降低 NOx排放的技术 即在简单气体再燃的 基 础 上 往 再 燃 区 喷 N 活 化 剂 N Promoter 使再燃区生成大量的 等还原性物质 使NOx的减 排达到更好的效果 这种技术减排NOx 的原理如图 1 所示 它将炉膛分为 3 部分 主燃区 再燃区和燃尽区
4、在 本实验中采用的主燃燃料是煤粉 再 燃燃料是天然气 80 90 的主燃燃 料煤粉被喷入到过量空气系数SR1 1 的主燃区内完全燃烧 放出大量的热 同时生成大量的NOx 其余 10 20 的 再燃燃料天然气喷入到过量空气系数 SR2 1的再燃区内 同时喷入N活化剂 在富燃料的还原性气氛和N活化剂作 用的条件下 主燃区生成的部分NOx被 还原 再燃区尾部有部分未燃烧的燃 料随烟气进入燃尽区 往燃尽区内通 过空气 使燃尽区SR3 1 再燃区内未 燃烬的燃料在燃尽区的富氧条件下完 全燃烧 再燃区内 CH4会在富燃料的条件 下生成CH CH2 CH3 HCOO等含碳基团 这些基团会与NO反应形成C N
5、键混合 物 进而形成一些含氮组分 如N NH NH2等 这些含氮组分可以与NOx反应生 成N2 NH2 NO N2 H2O 1 NH2 NO NNH OH 2 NH NO N2 OH 3 N NO N2 O 4 另外 再燃区内喷入的N 活化剂 NH3在富燃料条件下也能生成诸如NH2 NH NNH等还原性基团 OH NH 3 NH2 H2O 5 H NH3 H2 NH2 6 NH2 O OH NH 7 NH OH H2O N 8 NH3 O2 NH2 OH 9 生成的这些基团可以和再燃燃料 形成的C N键化合物反应 生成N2 主 燃区生成的NOx在这种还原性气氛下被 还原成N2 图 1 高级再燃
6、技术降低NOx排放示意图 2 实验装置及方法 2 实验装置及方法 本实验采用的是多功能低NOx燃烧 实验台 它是参照德国斯图加特大学 20KW BTS实验台改进设计的 主要有 以下几个部分组成 给粉系统 煤粉 燃烧系统 加热系统 测量系统 烟 气取样分析系统以及控制系统等 其 系统结构如图 2 所示 主体是 2 5m 内径 200mm的刚玉管 它固定在 钢套中 刚玉管与外面的钢套之间填 充绝热层 实验台采用一维的形 模拟锅炉实际燃烧沿垂直方向上的燃 烧状况 煤粉从顶部送入膛内 用送 引风系统 实验过程中炉内保 持微正压环境 尾部烟气取样和测量 采用英国制造的Kane May QUINTOX烟
7、气分析仪 由于实验台的负荷较小 煤粉的发热量不够 不能保证煤粉的 连续稳定燃烧 所以采用了电加热措 施以模拟实际锅炉炉膛中周围的烟气 火焰对所取燃烧工质的加热状况 加 热温度可以通过电加热控制柜控制 一根长 炉式 炉采 图 2 实验台系统示意图 1 给煤机 2 携带风 3 一次风 4 二次 风 5 氨气喷口 6 燃烧器 7 隔热层 8 再燃燃料喷口 9 烟气分析仪采样口 10 燃尽风喷口 11 烟气尾气出口 12 可控 碳硅棒加热管 本实验台主燃区采用的燃料为大 同煤 其成分分析如表 1 所示 由螺 纹式供煤机供煤 再燃燃料使用的是 陕甘宁天然气 其成分百分比如表 2 所示 实验所采用的N活化
8、剂为氨气 NH3 用氮气作为载气 其中 NH3 N2 1 19 表 1 大同煤成分分析结果 工业分析 ar 元素分析 ar 灰分 A 挥发 分 V 固定 碳 FC 碳 C 氢 H 全 硫 S 氮 N 氧 O 热值 MJ kg Qgr v 16 28 24 98 50 32 61 6 7 3 99 0 72 1 287 6424 93 表 2 陕甘宁天然气成分百分比 CH4C2H6C3H8其它 95 9494 0 9075 0 1367 3 0064 实验台用风是通过一个压缩空气 泵提供的 通过串联的LZJ 10 型玻璃 转子流量计和LRG 4 X型数字式气 体质量流量计后降低到 0 1MPa
9、再通 过一 二次风管以及燃尽风管进入炉 膛 实验过程中主燃区进风量 一次 风 二次风 和给煤量都保持不变 维持主燃区过量空气系数SR1 1 1 通 过调整再燃燃料的通入量来调整再燃 区过量空气系数SR2达到设计值 最后 通过调整燃尽风量来使燃尽区过量空 气系数SR3 1 2 再燃燃料先从气瓶经 过减压阀和LZJ 10 型玻璃转子流量 计 然后从位于 0 9m处的再燃燃料喷 口进入炉膛燃烧 氨气也是先从气瓶 经减压阀和LZJ 10 型玻璃转子流量 计 然后从一根位于炉膛顶部伸入到 再燃区的刚玉管进入炉膛 氨气在炉 膛内的出口略低于再燃燃料喷口 比 再燃燃料延迟 0 1s进入炉膛 影响高级再燃脱氮
10、效率的主要因 素有 主燃燃料类型 再燃区温度及 过量空气系数 再燃燃料的类型及停 留时间 喷氨量 喷氨延迟时间等 本实验主要考虑的因素为 再燃区温 度T2 过量空气系数SR2及喷氨量 3 实验及数值计算结果 3 实验及数值计算结果 实验结果表明 所考查的三个影 响因素对高级再燃降低NOx排放效果 都有比较明显的影响作用 通过优化 组合这三个量可以得到很高的减排效 率 一般来说 在通入适量氨气的条 件下 高级再燃的效果要优于简单再 燃 当再燃区温度为 1200 过量空 气系数为 0 9 NH3 NOx 1 时 高级再 燃的减排效率最高 可达到 86 如图 3 所示 图 3 SR2 0 9 再燃区
11、温度 1200 时计算结 果与实验结果比较 图 3 中虚线表示的是再燃区温度 为 1200 SR2 0 9 时不同NSR值的实 际减排效率 可以明显看出高级再燃 比简单再燃有更高的脱氮效果 因为 再燃区喷入的NH3会通过式 5 和式 9 生成NH2等还原性物质 从而增强了降 低NOx排放的效果 这也是高级再燃的 脱氮效率之所以高于简单再燃的重要 原因 实线表示数值模拟的计算结果 可以明显看出计算结果的趋势与实际 相吻合 4 结 论 4 结 论 通过建立实验装置以及数值模拟 的分析方法对高级再燃的脱氮效果进 行研究 得出了高级再燃能有效的控 制燃煤锅炉的NOx排放量 在最好的条 件下可降低约 8
12、6 的NOx 通过比较验 证了天然气高级再燃的脱氮效果要高 于简单再燃 是更为高效的降低燃煤 锅炉NOx排放的技术 与目前比较流行的其它控制 NOx 排放手段相比较 高级再燃有以下特 点 结构较 SCR 简单 易于对现有的 燃煤锅炉实施改造 减排效果明显优 于空气分级和低 NOx 燃烧器 这有利 于燃煤锅炉的氮氧化物排放达到更为 严格的排放标准 参考文献 1 罗永浩 徐华东 陆 方 燃煤电站先 进的低 NOx 燃烧技术 J 锅炉技术 2001 3 2 苏 胜 向 军 胡 松 孙学信 张 忠孝 朱基木 气体再燃降低 NOx 排放的实 验研究 J 动力工程 2004 12 3 张 怡 天然气高级再
13、燃还原NO化学动 力学模拟的研究 D 上海交通大学 硕士学 位论文 2005 4 Donglee HAN M G Mungal Prediction of NOx Control by Basic and Advanced Gas Reburning Using the Two Stage Lagrangian Model J Combustion and Flame 119 483 493 1999 5 E Hampartsoumian O O Folayan W Nimmo B M Gibbs Optimisation of NOx reduction in advanced coal reburning systems and the effect of coal type J Fuel 82 373 384 2003 6 张 强 李彦鹏 徐益谦 再燃烧还原 NOx 机理及其技术发展 J 工业锅炉 2001 2
