煤粉再燃的工業爐試驗和一維試驗對比

賈建華　梁繼武

摘 要：從系統NOx還原效果，主燃區、再燃區和燃燼區內NOx的降解幾方面對煤粉再燃在燃煤四角爐和一維試驗臺上的試驗結果進行對照分析，給出了適合燃煤四角爐再燃評價的NOx還原率計算公式。通過比較認為，一維煤粉再燃試驗結果與四角爐試驗基本相符，但是，四角爐可以讓工作人員更全面地了解鍋爐煙氣行程內NOx的降解情況。四角爐試驗與一維試驗的結果相互補充，為實際生產應用提供了有益的參考。

關鍵詞：煤粉；燃煤四角爐；一維試驗；NOx

中圖分類號：TK229.6+3 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）13-0025-02

燃煤電站鍋爐煙氣中的NOx是一種污染物，它會破壞臭氧層，引發光化學煙霧，進而影響動、植物的生長。基于對環境的保護，對多種電站鍋爐低NOx排放技術進行了大量的研究，從經濟性和適用性的角度考慮，煤粉再燃得到了重視。電站鍋爐燃燒過程是復雜的，在一維試驗臺上進行煤粉再燃的研究，有利于參數調節，可以確定反應影響因素，但其試驗工況與爐內實際過程存在一定的差異，未涉及鍋爐各區域間的相互影響。在1臺2.11 MW的燃煤四角爐上進行煤粉再燃試驗，將試驗得出的結果與一維試驗得出的結果進行對比、分析，獲取再燃技術的工業應用特性。

1 試驗裝置

一維試驗臺一般采用柱塞流燃燒形式，以模擬單一燃燒區為主要目的，其系統布置如圖1所示。

2.2.1 主燃區內NOx的變化

NOx主要生成在主燃區內，影響NOx生成量和系統對NOx還原效果的主要因素是過量空氣系數α1. 圖4給出了四角爐在不同α1工況下主燃區NOx的生成情況，圖5反映了相應工況系統NOx的還原率。如圖4所示，在相同燃料供給情況下，α1較大時，NOx生成量較多，系統NOx的還原率較低。這是因為主燃區高氧濃度易于含N物質氧化，促進NO、NO2的形成，而未消耗的殘余氧將進入再燃區，削弱了NOx的還原，使NOx降解效果變差。圖3顯示，主燃區同樣存在NOx的降解。一維試驗僅討論α1變化對系統脫硝的影響，并不涉及主燃區NOx的變化。HAO LIU等人的一維試驗結果與四角爐試驗一致，即再燃燃料量固定時，NOx的還原效率隨α1的增大而降低。

2.2.2 再燃區內NOx的降解

一維試驗對再燃區NOx的變化進行了詳盡的研究。四角爐試驗結果如圖6所示，再燃區NOx還原效果與α2成反比，當α2高于一定值后，改變再燃區過量的空氣系數，NOx在該區域的還原效果變化不大。再燃區的反應機理包括煤粉受熱揮發的CHi等與NOx間的同相反應和焦炭與NOx間的異相反應，貧氧有利于進行還原。鄭守中發現，煤焦再燃時的類似性質，并將富氧條件異相作用的強化歸結為煤焦表面含氧官能團富積，在高溫條件下，官能團脫吸附能力增強，使煤焦表面活性點增多，從而促進還原。由于氧化氛圍抑制同相還原，富氧條件下NOx還原能力的增強可以認為是異相還原的貢獻。通過四角爐試驗發現了弱氧氛圍下再燃區NOx的還原現象，但對富氧還原現象還待深入研究。

2.2.3 燃燼區內NOx的降解

在四角爐燃燼區后，測取NOx的濃度并進行整理，發現爐內NOx還原率呈現“V”字型。在圖7中，當α2=0.88，α2=1.01時，爐內NOx還原率高；當α2=0.95時，爐內NOx還原率低。在試驗中，燃燼區過量空氣系數保持在1.10.Per G. Kristensen等人曾對燃燼區特性進行研究，他們認為，在富氧條件下，燃燼區的化學變化與氧濃度關系不大。由此可見，上述工況NOx還原效果的差異源于再燃區的影響和NOx在燃燼區的進一步降解。當α2=0.88時，NOx在再燃區內已得到了充分降解，燃燼區內NOx受到的影響是有限的。當α2=1.01時，弱氧再燃區的NOx降解率有限，但燃燼區內煤焦的異相還原作用彌補了這一不足，使該工況下NOx的還原效率提高。當α2=0.95時，同相和異相機制都不顯著，NOx降解效果最差。

2.3 燃燒方式對NOx還原效果的影響

鍋爐燃燒方式有旋流燃燒（cyclone-firing）和切向燃燒（tangential-firing）等幾種類型。不同的燃燒方式爐內溫度和煙氣混合情況會有所不同，會對再燃效果造成一定的影響。一維試驗火焰多為柱塞流形式，不適用于對燃燒方式進行研究，而工業爐試驗結果可以用來進行不同燃燒方式脫硝效果的對照。美國加州電力研究所和芝加哥燃氣研究所進行過1.75 MW旋風爐煤粉再燃試驗，再燃比為21%，α2在0.85～0.95之間，爐膛出口過量空氣系數為1.15，NOx還原效率為42%. 上述旋風爐試驗條件與本文闡述相近，雖然旋風爐的爐內溫度高，混合充分，有利于煤粉對NOx的還原，但是數據顯示，燃燒方式對再燃脫硝效果影響不大。

3 結論

四角爐試驗和一維試驗都可以研究煤粉再燃技術，但是，四角爐由于具備系統的完整性和連續性，其研究內容比一維試驗爐更豐富，NOx在整個煙氣流程中的不同變化得到較為完整的考察。

在四角爐煤粉再燃試驗中發現，NOx的降解發生在系統的各個區域，影響因素眾多。其中，主燃區α1與NOx的產生成正比，與NOx的降解效果成反比；再燃區還原性氣氛有助于NOx降解，貧氧氛圍也可實現NOx的還原；燃燼區依然存在NOx的降解，且異相還原機制起主要作用。相比之下，一維試驗對NOx還原的研究著重點在于再燃區，且內容單一。

文中提出的NOx還原率定義公式可以合理地評價四角爐應用再燃的NOx還原效果，并可將其進行推廣，應用到實際生產過程中，而一維試驗公式僅適用于對單一燃燒區內的再燃情況進行研究。

四角爐試驗可以方便進行燃燒方式對再燃脫硝影響的研究，一維試驗多為柱塞流的燃燒方式，未能計及這種影響。

參考文獻

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[6]鐘北京，傅維標.再燃燃料中HCN對NOx還原的影響[J].熱能動力工程，2000，85（15）：4-8.

[7]Kokk·A，趙虹.旋風鍋爐NOx控制的再燃燒技術[J].環保科技情報，1990（3）：22-23.

〔編輯：白潔〕

Abstract： NOx reduction effect from the system， the main combustion zone， reburn zone and burnout zone NOx degradation of several aspects of the coal reburning test results in the four corners of the furnace and fired a one-dimensional test rig were compared， given suitable coal-fired furnace reburn corners evaluate NOx reduction rate calculation formula. By comparison believes that a one-dimensional coal reburning test result is basically consistent with the four corners of the furnace test， however， the four corners of the furnace can allow staff more comprehensive understanding of the boiler flue gas NOx degradation of the trip. Corners furnace test and one-dimensional test results complement each other to provide a useful reference for practical application.

Key words： coal； coal-fired furnace corners； one-dimensional test； NOx

[2]鄭守中.煤粉再燃燒技術中煤焦異相還原高溫煙氣中NO的試驗和理論研究[D].南京：東南大學，1999.

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Abstract： NOx reduction effect from the system， the main combustion zone， reburn zone and burnout zone NOx degradation of several aspects of the coal reburning test results in the four corners of the furnace and fired a one-dimensional test rig were compared， given suitable coal-fired furnace reburn corners evaluate NOx reduction rate calculation formula. By comparison believes that a one-dimensional coal reburning test result is basically consistent with the four corners of the furnace test， however， the four corners of the furnace can allow staff more comprehensive understanding of the boiler flue gas NOx degradation of the trip. Corners furnace test and one-dimensional test results complement each other to provide a useful reference for practical application.

Key words： coal； coal-fired furnace corners； one-dimensional test； NOx

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〔編輯：白潔〕

Abstract： NOx reduction effect from the system， the main combustion zone， reburn zone and burnout zone NOx degradation of several aspects of the coal reburning test results in the four corners of the furnace and fired a one-dimensional test rig were compared， given suitable coal-fired furnace reburn corners evaluate NOx reduction rate calculation formula. By comparison believes that a one-dimensional coal reburning test result is basically consistent with the four corners of the furnace test， however， the four corners of the furnace can allow staff more comprehensive understanding of the boiler flue gas NOx degradation of the trip. Corners furnace test and one-dimensional test results complement each other to provide a useful reference for practical application.

Key words： coal； coal-fired furnace corners； one-dimensional test； NOx