再燃对NOx污染物排放影响研究

吴国强，张永生

(1．北方民族大学电气信息工程学院，宁夏 银川 750021；2．华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京 102206)

再燃对NOx污染物排放影响研究

吴国强1,2，张永生2

(1．北方民族大学电气信息工程学院，宁夏 银川 750021；2．华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京 102206)

NOx是燃煤电厂的重要污染物，论文在滴管炉内研究再燃对这种污染物排放的影响规律。结果表明，针对选用的再燃燃料，CH4脱硝率最高，H2脱硝率次之，CO脱硝率最低，不同碳氢比合成气再燃脱硝效率随碳氢比的增大先上升后下降，碳氢比7/3时，脱硝效率较好，但低于甲烷再燃脱硝效率。当再燃区过量空气系数为0.7～0.9、温度在1200℃左右时，合成气再燃可以获得比较理想的再燃脱硝效果。该结论可为锅炉煤粉燃烧过程中，NOx脱除提供理论基础。

煤粉燃烧；合成气；再燃；脱硝

燃料分级燃烧是有效降低NOx的排放和设备投资较低的低NOx燃烧技术，可以使NOx排放量降低50%以上[1]，根据NOx的还原原理，NOx在遇到CH4、CO和H2等还原性气体时会发生还原反应被还原为N2[2-4]。煤粉、合成气、天然气、生物质等都可作为再燃燃料，其中天然气再燃有最佳的还原效果，而且天然气本身不含硫、氮，是清洁能源，燃尽率高[5-6]，但我国天然气资源较为缺乏。我国合成气资源相对丰富，高炉煤气、煤制气、焦炉煤气、生物质气、地下煤层气等都属于合成气。

国内外诸多学者的研究表明合成气作为再燃燃料时，能有效降低NOx的排放[2-3,7-8]。合成气中的有效成分是H2、CO和CH4，其中CH4的还原能力相对较强，但是含量很少，因此合成气中起主要还原作用的是CO和H2。P.Glarborg[9]等通过建立动力学模型指出，H2和CO在一定的再燃条件中，可以达到20%～30%的脱硝率，而且NO的降低速率随着温度和再燃燃料比例的提高而增加，当增加到一定比例时，H2和CO的脱硝效率能接近于CH4等碳氢化合物的脱硝效率。Chen[10]等的研究表明，在900℃～1500℃温度范围内H2和CO对NOx有一定的脱除能力。

本文通过在滴管炉中开展再燃实验探讨甲烷、合成气等再燃过程中再燃区不同碳氢比、再燃区过量空气系数、再燃区温度对降低NOx排放的影响规律。

1 实验装置

本实验以滴管炉为实验平台，整个装置由炉膛本体、给煤机、空气系统、温控系统、再燃系统、燃尽风系统、排烟系统及取样分析系统组成。通过提前增压预热的一次风将给煤机中的煤粉携带送入炉膛；再燃气在煤粉供给处的下方送入，以实现再燃；燃尽风在再燃气下方送入，提高燃料的燃烧效率，如图1所示。炉膛内采用内径为120 mm，高2000 mm的95刚玉管作为反应器。

图1 合成气再燃低 NOx排放试验系统示意图

图2是取样系统，由取样枪、旋风分离器、飞灰过滤器、干燥箱、烟气分析仪、真空泵和外加的连接管组成。将取样枪固定在图1所示的排烟口进行取样。再通过真空泵和外加的连接管使烟气依次通过旋风分离器、飞灰过滤器和干燥箱，进入烟气分析仪实现在线分析。

图2 取样系统

本文采用美国德图testo350加强型连续在线烟气分析仪，可实时监测和分析烟气中O2、NO和CO等氧化物。

实验采用的原煤是内蒙古京隆褐煤，煤粉细度大于200目。给煤量为4g/min，再燃燃料量占炉内总热负荷的20%，再燃区内烟气的停留时间为0.9s，滴管炉内总的过量空气系数为1.2。其煤质分析见表1和表2。

表1 工业分析

表2 元素分析

实验所采用的气体燃料有H2、CO和CH4，纯度都为99.9%。

实验测得的NO浓度，统一换算成(φ(O2)=6%)状态下NO浓度。NO脱除率定义为：

式中：φ(NO)为无再燃基本工况下炉膛出口NO浓度值；φ(NO)′为再燃工况下炉膛出口NO浓度值。

每个实验工况进行3次平行实验，最终结果取3次实验值的平均值。

燃尽率是衡量煤粉燃尽程度的参数，主要受燃烧环境和反应的难易等因素的影响。无再燃的条件下，收集煤粉燃烧过程中3个灰样，通过元素分析仪分别测得碳元素的含量，并求平均值。如表3所示，煤粉燃尽率的公式如下：

其中，B表示燃尽率，A0-表示灰样碳元素含量平均值，A表示原煤碳元素含量。

表3 灰中碳含量Table 3 The carbon content in the ash

把数值代入上式得煤粉燃尽率B为93.6%。

2 实验结果与分析

2.1 合成气不同成分的影响

实验中分别以CH4、H2、CO和不同碳氢比的合成气作为再燃燃料，其中合成气是按CO和H2输入炉内的热量比的混合气体，包括9种混合气体，摩尔比分别是1/9、2/8、3/7、4/6、5/5、6/4、7/3、8/2、9/1，在滴管炉上进行了以CH4、H2、CO和合成气作为再燃燃料的实验研究。炉膛壁温控制在1200℃左右，再燃区过量空气系数约为0.8，炉膛顶部一次风量约0.41Nm3/h，二次风量约1.43 Nm3/h，燃尽风量约0.20 Nm3/h。

图3是脱硝率随再燃区碳氢比的变化。从图中可以看出，CH4再燃时脱硝率可达到50%左右；CO再燃时脱硝率约为22%；H2再燃时脱硝率约为38%；合成气再燃时，其中碳氢比7/3时脱硝率最高，约为40%；碳氢比9/1时脱硝率最低，约为29%。

图3 脱硝率随再燃区碳氢比的变化

从图3中还可以看出，碳氢比从1/9增加到2/8，脱硝率降低，是因为合成气中的主要成分是H2，而H2容易燃烧生成大量H2O，H2O与CO相互作用生成中间产物OH，OH可将CO氧化生成CO2[9]，因此部分合成气未参与NO的还原反应直接被消耗，从而降低了脱硝效率；碳氢比从2/8增加到7/3，脱硝率提升，是因为合成气中的H2含量降低，中间产物OH的浓度降低，主要与NO进行的氧化还原反应，减少了对CO的消耗，从而提升了脱硝效率；碳氢比从7/3增加到9/1，脱硝率降低，是因为合成气中H2含量很低，生成的OH浓度很低，减小了对NO的还原作用，此时起还原作用主要是CO。

2.2 再燃区过量空气的影响

实验中以碳氢比为7/3的合成气为再燃燃料，炉膛壁温控制在1 200℃左右，再燃区过量空气系数分别为0.6、0.7、0.8、0.9、1.0和1.1，炉膛顶部一次风量约为0.41 Nm3/h，改变二次风量(1.23～1.53 Nm3/h)，研究了再燃区过量空气系数对再燃脱除NO的影响。

图4是脱硝率随再燃区过量空气系数的变化。从图中可以看出，当从0.6增加到0.9时，脱硝率下降24%左右，而当从0.9增加到1.1时，脱硝率下降达55%左右，说明过量空气越小越有利于NO的脱除，但并不是越小越好，还需考虑实际锅炉的燃烧效率和结渣问题。从本实验结果可以看出，过量空气系数小于0.9时，可获得40%以上的脱硝率。

图4 脱硝率随再燃区过量空气系数的变化

图5是CO的排放浓度随再燃区过量空气系数的变化。从图中可以看出，当过量空气系数低于0.8时，CO的排放浓度明显增加，当过量空气系数减小到0.6时，增加47%左右。当过量空气系数高于0.8时，CO的排放浓度变化很小。因此并不是过量空气系数越小越好，综合考虑再燃脱硝率和燃料的燃烧效率，根据实际情况将过量空气系数控制在0.7～0.9。

图5 CO排放浓度随再燃区过量空气系数的变化

2.3 再燃区温度的影响

实验中以碳氢比为7/3的合成气为再燃燃料，再燃区过量空气系数为0.8，炉膛顶部一次风量约为0.41 Nm3/h，二次风量约为1.43 Nm3/h，燃尽风量为0.20 Nm3/h，通过图3所示的取样系统取样分析，研究了再燃区炉膛壁温从1000℃增加到1400℃时对再燃脱除NO的影响。

图6是脱硝率随再燃区温度的变化。从图中可以看出，温度从1000℃增加到1300℃时，脱硝效率快速增加，1300℃时脱硝效率达到最大值，但温度大于1300℃时再燃脱硝率减小。主要是因为温度大于1300℃时，在再燃区被还原的NO，在燃尽区富氧环境中又生成大量的热力型NO。因此并不是温度越高越好，需要综合考虑再燃区和燃尽区温度对NO的脱除与生成的影响，再燃区和燃尽区的温度控制在1200℃左右时，就可获得比较理想的脱硝效率。

图6 脱硝率随再燃区温度的变化

3 结论

(1)在温度、过量空气系数和再燃燃料比例相同的条件下，CH4再燃脱硝效果最好，H2脱硝效果次之，CO脱硝效果最差。随着碳氢比的增大，合成气再燃脱硝率先增大后减小，当碳氢比达到7/3时，脱硝效果相对较好，但低于甲烷再燃脱硝效果。

(2)当再燃区过量空气系数为0.7～0.9、再燃区温度在1200℃左右，碳氢比为7/3的合成气再燃时，不仅可以获得较为理想的再燃脱硝效率，同时对煤粉燃尽率的影响很小。

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(本文文献格式：吴国强，张永生.再燃对NOx污染物排放影响研究[J].山东化工,2017,46(13):164-166,169.)

Study of the Impact on NOxEmission Caused by Reburning

WuGuoqiang1,2，ZhangYongsheng2

(1.School of Electrical and Information Engineering,North Minzu University,Yinchuan 750021,China；2.School of Energy,Power and Mechanical Engineering,North China Elcetric Power University,Beijing 102206,China)

NOxis the important pollutants in the coal-fired power plants．This paper focuses on the impact of these pollutant caused by reburning in the drop-tube furnace．The results show that for denitration， the rate t of CH4reburning denitration is the highest，the next is the H2and CO is the lowest，the reburning denitration rate of syngas with the different carbon hydrogen ratio increases firstly，and then decreases along with the increase of the carbon hydrogen ratio．When the carbon hydrogen ratio reaches to 7/3，the reburning denitration rate is higher，but lower than that of the methane. When the excess air coefficient of reburing zone is between 0.7 and 0.9，and the temperature is about 1200℃，the reburning process of the syngas can obtain ideal reburning denitration effect．This conclusion can provideprovide the theoretical foundation for NOxremoval in the coal combustion of power station boile.

pulverized coal combustion；syngas；reburning；denitration

2017-05-04

国家科技支撑计划(2015BAA05B02)；北方民族大学校级科研项目(基于合成气再燃的电厂烟气脱硝新技术研究)

吴国强(1986—)，男，硕士，助教，主要研究方向燃烧及污染物控制；通讯作者：张永生(1976—)，男，博士，副教授。

X511

A

1008-021X(2017)13-0164-03