水煤浆再燃降低锅炉NOx排放的实验研究

第28卷第23期中国电机工程学报vol28No23Aug.15.2008202008年8月15日Proceedings of the文章编号:0258-8013(2008)23002005中图分类号:TK16文献标识码:A学科分类号:47020水煤浆再燃降低锅炉NO排放的实验研究董若凌',周俊虎2,岑可法2,韩志英2(1.浙江理工大学机械与自动控制学院,浙江省杭州市3100182.浙江大学,淅江省杭州市310027)Experimental Study on Reducing Furnace NO Emission Through Coal Water Slurry ReburningDONG Ruo-ling', ZHOU Jun-hu?, CEN Ke-fa, HAN Zhi-ying(1. College of Mechanical and Automation Control, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, Zhejiang Province, China,2. Zhejiang University, Hangzhou 310027, Zhejiang Province, China)ABSTRACT: The performance of coal water slurry(CwS)同比例的燃料/空气混合物,在不同区域内形成氧化reburning technology for NO, emission control was性或还原性氛围,在保证燃烧的前提下,将已有NOxinvestigated in a025 MW down-fired fumace. Shenhua还原为N2。目前,再燃技术在工业应用中可获得的脱硝率在20%-70%,除技术本身原因外,再燃燃indicate that Cws is superior to pulverized coal in regard to料选择是引起以上差异的重要一环。天然气不含NNO, reduction; high reburning fuel fraction and oxygen primary物质,是较优的再燃燃料。但由于存在价格和产品combustion zone favor to the control of furmace NOxNO, reduction efficiency is inverse proportional to the square可靠供给问题,天然气再燃技术的工业实施比较有excess air ratio in the primary combustion zone,, and decrease限。对燃煤电站锅炉而言,煤粉是最便利的再燃with increase in the rebuming zone excess air ratio. cws is a燃料,且二次处理(如超细化和制浆化)后,再燃效good rebuming fuel and could be widely applied in the industry果会进一步提高:超细煤粉再燃实现的工业脱硝率furnace for further NO, emission control现已达28%~57%。徐璋"和李戈的一维炉实验KEY WORDS: coal water slurry; down-fired furnace还曾报道了高于60%的脱硝效果,不过,超细粉再rebuming technology: NO, reductio燃应用的经济性仍待权衡;煤浆化是另一煤粉再燃摘要:为明确锅炉采用水煤浆再燃技术时的整体NO2控制效应用处理方式,EER曾利用洗煤厂煤渣制浆,在0.3果和影响因素,利用神华煤,在025Mw沉降炉上,分别MW塔式炉、03MW和3MW旋流炉上进行测试,以煤粉和水煤浆为再燃燃料,进行了再燃NO控制实验结实现再燃脱硝率55%-7%,几近天然气的应用效果显示,水煤浆再燃时的脱硝效果优于煤粉:一定范围内果,且经济可靠21!鉴于燃煤电站锅炉在煤浆制较高的再燃比有利于锅炉整体再燃脱硝:锅炉主燃区宜采用备上的便利,以及利用水煤浆作为再燃燃料可能具氧化性氛围,此时该处的过量空气系数与脱硝效果呈现二次有的较好NO控制前景,进行该领域探索,确定水曲线关系;水煤浆再燃脱硝率与再燃区过量空气系数成反煤浆再燃影响因素,极具意义。由此,在初步了解比。实验证实,水煤浆是一种较优的再燃燃料,可被广泛应水煤浆作为再燃燃料时若干再燃区反应特性的基础用,以实现对工业炉NO,排放的有效控制上同,本文利用025MW沉降炉对水煤浆再燃技术关键词:水煤浆;沉降炉;再燃技术;脱硝的系统应用作进一步考察。0引言1实验装置和方法燃煤电站锅炉所排放的NO2会带来光化学烟11实验装置雾,破坏臭氧层,引发酸雨,影响动、植物生长,图1为水煤浆再燃实验台简图。整套系统的构甚至危及人类生活健康。为此,科研人员对之进成包括实验炉本体、煤粉主燃烧系统、煤浆再燃系行了深入研究,并开发了多种控制手段。再燃技术统和实验监测系统。其中,实验炉主体高约35m,是其中之一28。再燃是指分区段向燃煤锅炉输送不内径300mm。主燃烧器顶置,一、二次风均为环形第23期莖若凌等:水煤浆再燃降低锅炉NO,排放的实验研究风,一次风口内径40mm,外径72mm,二次风口13实验方案内径78mm,外径93mm。炉体四周开设20多个实验意图从锅炉整体角度研究水煤浆再燃技术有密封盖的小孔,作观测、取样用,亦作再燃燃料的脱硝效果和影响因素,主要内容包括:锅炉主燃喷入口和供风口。实验中,主燃煤粉由螺旋给粉器区过量空气系数a、再燃燃料占锅炉总热输入量的供给,再燃煤浆则利用高压空气将煤浆泵输送来的百分比(再燃比w+)和再燃区过量空气系数a2等参数浆液通过煤浆枪实施有效雾化后送λ炉内。实验监与脱硝率间的关系。煤粉、水和水煤浆的再燃脱硝测系统包括多种测量仪器:火焰温度采用红外高温效果比较也在考察范围之内。计和铂铑铂铑热电耦配合测量,烟气成份采样由为经济、安全,实验采用20kg/h的总燃料供ROSEMENT烟气分析仪执行(分析物及测量精度为给速率,再燃比10%-25%,主燃区过量空气系数O2:±025%,CO2±1%,CO:±250mLm-3,NO:090-1,20,再燃区过量空气系数0751.0,燃尽区±15mLm3)。实验分析时,烟气组成将被转化为过量空气系数保持115gO2)=6%下的相应值以方便研究。为保证所测数据依据煤粉锅炉颗粒停留时间计算方法,在考可靠,以上诸系统在实验前均进行标定工作。虑燃烧器布局时,再燃燃料喷射位置一般选为距主燃烧器1145mm处,如此,主燃燃料的主燃区停留时间不少于0.35s燃尽风口一般距主燃烧器1490~1590mm,可保证燃料再燃区停留约04s。剩余炉膛空间仍能满足煤粉的炉内停留约0.5s,符合文献6所推荐的最佳停留时间范围实验炉脱硝率计算公式为27=NO,)-9(N0×100%9(NO,)高压雾化气式中:功为脱硝率,%;(NOx)为基础工况下排烟NO2浓度,mm3;qNOx)为再燃工况下排烟NO浓度,mLm-3。1035Mw沉降护:2-空气流囊计:}煤浆枪:4压力表煤2实验结果分析浆泵出口阀:6旁路阀:媒浆泵:8媒浆罐;9滤网;10搅拌2.1水煤浆、煤粉和水的再燃效果比较器:1煤浆储罐;12烟气分析仪:13- Datalogger;l4热电偶(红外高温仪:15—数据采集中枢:16观测孔:17煤粉仓;18调速电以煤粉、水煤浆和水为再燃燃料,进行主燃区机:19螺旋给粉机:20-风粉混合器;21一烟道过量空气系数为1.05,再燃比为20%的诸工况研究图10.25Mw水媒浆再燃实验系统简图获得沉降炉再燃NO2排放控制效果如图2所示Fig. 1 Sketch of 0. 25 Mw CwS reburning由图可知,喷水脱硝技术不适于锅炉类燃烧设备的NO2控制——脱硝效率仅5%左右。欧文格拉12实验用燃料特性及制备实验用主燃燃料和再燃煤浆均由神华煤制成斯曼认为,燃烧系统内的水分仅起降低燃烧温度(煤质分析见表1)。由于已证实低浓度水煤浆可获得和O离子浓度的作用,亦即水能抑制NO2生成,但单独并不具备还原NO2的能力。较高的脱硝率,且无需添加剂214,本文煤浆浓度煤粉和水煤浆的再燃应用均实现了锅炉NO2确定为50%。在精确称量煤粉和水分质量后,按1:1排放的有效控制。不过,煤粉再燃脱硝效果普遍低比例混合,置于储浆罐,用搅拌器以60r/min的速于水煤浆,且此现象随再燃区过量空气系数的增加率充分搅拌。上述工作至少在实验前4h开始实施。愈发明显:在再燃区过量空气系数为080时,水煤表1实验用煤工业分析及元素分析Tab. 1 Proximate analysis and ultimate analysis of coals浆脱硝率仅相对煤粉高4%,至再燃区过量空气系sed in the test数095时,水煤浆相对煤粉脱硝能力的提高达48%这一趋势的发生可能与高温下的H2OO作用有关:高过量空气系数预示烟气中氧浓度增加,以水煤浆455269352136280393作为再燃燃料时,水分蒸发将促进反应:中国电机工程学报第28卷O+H,O→OH+OH50口a=1.05,a2090烟气OH离子数量的增多随即使脱硝作用(式(3)和40}■a=100.a=1.0(4)得到增强OH+NH3→H2O+NH2NH2+NO→N2+H2O豫该而煤粉再燃时缺乏类似效应。水煤浆的再燃应用缓缴缴定程度上实现了环境氧的利用,较煤粉严苛的还原性再燃条件而言是一种改进,在作用形式上优于图3再燃比对脱硝率的影响煤粉。Fig 3 Effect of reburning fuel fraction on NOx reduction图2揭示水煤浆再燃在再燃区过量空气系数为存在由于主燃区燃料减少引起的NO2生成降低效应。测试证实:当再燃比为10%时,实验炉主燃区0.85~090时,呈现脱硝强势,此氛围恰好是已知的结束平面最高NO2浓度约940mLm-3,在再燃比为挥发分析出峰出现条件8,水分蒸发对燃料气态物质挥发的增强效应是上述特性得以保存的合理解25%时,该位置的NO2浓度最高仅750mLm3。显释。实验中,煤粉没有清晰地表现出类似特性,其然,低再燃比工况下进入再燃区的污染物数量较多脱硝率随再燃区过量空气系数较多呈现单调变化规脱硝负荷大,再燃燃料不足进一步恶化NO作用条件,脱硝率自然不高;提高再燃比后,一方面主燃律。整体燃烧系统的复杂情况和挥发物在烟气比例区NO2生成量减少,另一方面再燃燃料供给得到保中所占份额的不足,是煤粉挥发分脱硝效应受到掩盖的原因所在。可见,水煤浆的再燃应用更多地保证,参与还原的物质增多,系统脱硝效果随之改观;持和促进了较易进行的气相间同相还原效应进一步増加再燃燃料量,主燃区NO2生成量更少,再燃区脱硝负荷不大,少数再燃燃料即可完成对NO的有效还原,为此,再燃脱硝率的增强趋势不明显;进而,如果一定数量的未反应水煤浆半焦和挥发分N物质进入燃尽区,氧化形成NO不可避免,某些工况下系统脱硝率随再燃比过度增加呈现的下降现象恰源于此。过度增加再燃比的另一危害在于将使锅炉燃尽区燃烧负担加大,带来不必要的损失。在水煤浆的再燃应用中,提高再燃比是实现图2煤粉、水煤浆和水的再燃脱硝特性NO排放控制的一种有效调节手段,不过此调节存Fig 2 Reburning NO, reduction preference of coalCwS and water在最佳值,就本实验而言,20%是较适合的选择。22再燃比对水煤浆再燃脱硝率的影响23主燃区过量空气系数对脱硝率的影响再燃比改变直接决定锅炉不同区域的热负荷、对主燃区而言,过量空气系数主要影响其后的温度和燃烧产物状况,是影响再燃效果的关键参数。烟气组成、再燃区供风量和反应状况。有关主燃区为此,本文设计4种再燃比,分别为10%、15%、过量空气系数对再燃具体影响作用的研究目前比较20%和25%,选择主燃区过量空气系数为1.05,再有限,部分研究者建议采用低于100的主燃区过燃区过量空气系数等于090和主燃区过量空气系数量空气系数,但从保证一定燃尽率的角度考虑,这为100,再燃区过量空气系数等于100两种燃烧条建议的实施价值存在疑问;季俊杰等总结层燃件进行研究,实验结果如图3。炉再燃技术主燃区过量空气系数对脱硝率的影响时实验中,水煤浆再燃脱硝效果多数情况下与再认为,主燃区过量空气系数和NO2排放成正比关系,燃比呈正比变化规律,但当再燃比达到一定值(如为此在保证燃烧的前提下,控制一次风风量越小越20%)后,增加趋势可能变缓:α=1.00,∞=100条好。本文获得的主燃区过量空气系数对煤粉炉水煤件下的实验结果对应这一变化:亦或有所下降:对浆再燃效果影响规律如图4所示,此实验再燃比选ax1=1.05,a=090的再燃工况而言,再燃比增加最择为25%终导致脱硝率降低可见,随主燃区过量空气系数增加,实验炉脱再燃比增加不仅意味着再燃燃料量增多,而且硝率呈现增涨趋势,至α=1.15时达极值,为42%第23期董若凌等:水煤浆再燃降低锅炉NO2排放的实验研究50「口a2-0.85,w25%燃区过量空气系数对水煤浆再燃的影响规律在对比a2=0.90,w产25%煤粉、水煤浆和水的脱硝能力时已有涉及,图2的求配内容和论述依然有效,此间仅对以上实验略做补充,工况选用的主燃区过量空气系数等于090和100再燃比25%,结果如图5。090L00.051.151,20we=25%口a=090四a=l00图4主燃区过量空气系数对脱硝率的影响Fig 4 Effect of excess air ratio on NOr reduction in求配primary combustion zone45%,但此后主燃区过量空气系数的进一步提高往往造成系统脱硝率回落。主燃区过量空气系数降低不利于再燃脱硝效果的提高,不过当过量空气系数降至当量系数以下,主燃区处于完全还原性气氛(如图5再燃区过量空气系数对实验炉脱硝率的影响a=090)时,实验炉出现了脱硝率回升现象——获Fig 5 Efect of excess air ratio on NO, reduction in得了高于主燃区过量空气系数为1.00工况时的脱硝再燃是一种还原作用,其顺利进行依赖缺氧条效果。可见,主燃区过量空气系数对系统脱硝效果件的维持。由于隔绝了O2干扰,煤焦、热解挥发分的影响规律极其复杂。中的烃类和小分子N物质将更多地与来自主燃区的分析认为,还原性主燃区过量空气系数的采用NO发生作用,将之还原为N2。为此,实验获得的使实验炉燃烧状况更接近空气分级技术,由于缺系统脱硝率与再燃区过量空气系数关系近似线性反氧,主燃区内煤粉挥发分生成的燃料型NO减少,比,再燃区还原性氛围加强有利于水煤浆再燃效率炉内燃烧速度较慢,火焰温度不高,热力型NO2也提高。得到抑制,为此显示了一定的脱硝优势。不过,对除已知的再燃煤粉参与作用外,水煤浆再燃应于这样的燃烧方式,主燃区结渣和腐蚀相当严重,用时还应顾及燃料不完全燃烧和水煤气发生现象且燃料燃尽将集中于燃尽区,使该位置热负荷增加,图6给出不同工况下炉内再燃区CO浓度分布状况,可能危及系统安全显然,还原性氛围的保持有助于再燃区CO浓度的对于釆用氧化性主燃区的实验工况,控制主燃增加。高浓度CO的存在一方面能维持必须的再燃区过量空气系数较小固然可以使NO初始生成量减区还原条件,另一方面将充当煤焦表面活化剂和再少,但没有得到完全挥发的剩余燃料N物质在经由燃脱硝反应催化剂,甚至直接参与NO2的还原2再燃区后将面临富氧的燃尽区,有再次形成NoO的这一特性是水煤浆再燃利用的优势,其高于煤粉的可能,以至影响整体脱硝效率。增加主燃区过量空脱硝能力应部分源于较高再燃区CO浓度的影响。气系数,虽然初始NO2生成量有所增加,但只要调a=100.w25%节再燃区参数使还原反应处于最佳状态,即可使进入燃尽区的活性N物质减少,确保系统脱硝效果逐步好转。当然,过度提高主燃区氧量,所形成的NO超出再燃区处理能力,并且烟气与再燃燃料的有效混合问题也将显现,系统脱硝率随即下降实验揭示:神华水煤浆再燃脱硝效率与锅炉主燃区过量空气系数的关系呈阶段性变化,太高或太图6基础工况和再燃工况再燃区Co分布状况低的a1均不利实现NO2有效控制,115是较适合的Fig 6 CO concentration in reburning zone underdifTerent condition选择。24再燃区过量空气系数对脱硝率的影响3结论再燃脱硝作用主要发生于锅炉再燃区,为此该(1)水煤浆再燃脱硝效果优于煤粉,喷水脱硝位置氛围是获得良好NO2排放控制的关键。关于再技术不适用于锅炉系统中国电机工程学报第28卷(2)改变再燃比可调节水煤浆再燃脱硝效果Xu Zhang, Deng Tao, Li Ge, ct al. Test and study on NO, reduction但此调节存在最佳值。综合各种因素,本文推荐神with micronized coal dust rebuming[]. Thermal Power Generation华水煤浆再燃比采用20%。2004,3302):34-37 in Chinese)[12] AshworthR A, Morrison D K, Payne R, et al. Coal water slurry(3)还原性的主燃区虽然一定程度上提高了系rebuning-low cost NO, compliance system for cyclone- fired boilers统脱硝率,但存在燃尽困难及因之引起的其他不利[C]. 21st Intemational Technical Conference On Coal Utilization结果。氧化性主燃区的过量空气系数与再燃脱硝率Fuel Systems, Clearwater, FL, USA, 1996.[13] Ashworth RA, Maly P M, Carson WR, Results of CwS reburn tests呈现二次曲线关系,神华水煤浆在a1=115时可获on a 10x10 Btu/hr tower furmace and its impact on CWS rebum得较好的NO2控制效果economics[C]. 22nd International Conference on Coal Utilization(4)水煤浆再燃脱硝率与再燃区过量空气系数Fuel Systems, Clearwater, FL, USA, 199714」若凌,周俊虎,孟德润,等,再燃区水煤浆脱硝反应特性的试验成反比,燃料不完全燃烧和水煤气效应形成的CO研究门中国电机工程学报,2006,264):56-59增强了水煤浆的再燃区脱硝能力。Dong Ruoling, Zhou Junhu, Meng Derun, et al. Experimental参考文献reburning zone[J]. 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