2017, Vol. 33
中国燃煤工业锅炉总量约为57万台, 年耗燃料约4亿t标准煤, 污染物排放总量接近电站锅炉, 在许多城市甚至超过电站锅炉的排放[1], 在燃烧过程中产生的NOx更直接危害了人类赖以生存的环境.上海等重点地区燃煤锅炉的NOx排放极限值为200 mg·m-3[2], 而目前的工业锅炉大多没有达到这一标准, 因此对燃烧器进行研发及改造就变得十分紧迫.本文通过对某新型空气分级燃烧器进行现场试验, 测算锅炉运行效率并研究不同煤种、过量空气系数及三次风开度对氮氧化物的生成和燃烧效率的影响, 为燃烧器的平稳运行和进一步改造提供依据.
1 NOx生成机理及空气分级燃烧技术 1.1 NOx生成机理燃煤烟气中的NOx大部分是在燃料的燃烧过程中生成.在燃烧过程中, NOx的生成途径主要有三种, 温度型NOx、快速型NOx及燃料型NOx[3].温度型NOx的生成速率与反应温度直接相关, 与温度T大致呈指数关系.当温度低于1 500 ℃时, 温度型NOx的生成量极少, 只有当温度高于1 500 ℃时才开始生成[4].快速型NOx是燃料中的碳氢化合物分解后的中间产物CmHn(CH2、CH3、C2) 撞击燃烧空气中的N2生成HCN、CN, 再与火焰中产生的大量O、OH反应生成NCO, NCO又被进一步氧化成NO, 快速型NOx在不含氮的碳氢燃料和在较低温度下燃烧时才重点考虑[5].燃料型NOx在生成的NOx中占主要部分, 约占整个NOx排放的75%~95% (体积分数), 控制燃料型NOx的生成是控制NOx的关键所在.燃料型NOx的生成机理非常复杂, 其反应机理现在还不能被完全掌握, 其中包括了一系列化学反应.燃料中的氮元素完全氧化的化学过程是由两个相互竞争的过程决定的, 即燃料中的氮元素高温分解生成含有氮原子的中间产物, 包括N、CN、HCN、NH3等, 然后中间产物和含有氧原子的反应物 (包括O、OH、O2) 反应生成NO; 另一方面如果在缺氧环境下则与NO反应, 使NO还原为N2, 最终的NO生成量也就由竞争的结果决定[6-7].
1.2 空气分级燃烧技术空气分级燃烧是通过调整燃烧器及附近区域或整个炉膛区域内空气和燃料的混合状态, 使燃料经过富燃料燃烧和富氧燃烧两个阶段, 实现NOx生成量下降的燃烧控制技术.在富燃料燃烧阶段, 由于氧气浓度较低, 抑制了热力型NOx生成, 同时, 不完全燃烧使部分已生成的NOx还原成N2, 减少了燃料型NOx生成.在富氧燃烧阶段, 燃料燃尽, 但由于此区域温度已降低, 新生成的NOx数量有限, 因此, 总体上NOx的排放量减少[8].工业煤粉锅炉内部炉膛空间有限, 煤粉停留时间短, 因此在工业煤粉锅炉上选择空气分级燃烧技术较为合理.
2 锅炉运行效率测算及试验燃烧器简介 2.1 锅炉运行效率测算我国燃煤工业锅炉以链条炉居多, 其实际运行效率只有65%左右[9], 能源利用率低, 而工业煤粉锅炉则有较高的燃烧效率.本文首先采用反平衡法对本次试验煤粉锅炉的热效率进行测算, 以便与链条炉进行直观的比较.
锅炉型号为TQ-DHMF20-1.25-AIII高温低NOx液体排渣煤粉锅炉, 试验工况锅炉出力为21.19 t·h-1; 试验工况排烟温度为170.1 ℃.
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式中:q2为排烟热损失; q3、q4分别为气体未完全燃烧热损失、固体未完全燃烧热损失; q5为散热损失, 可查表获得; q6为灰渣物理热损失; Hpy为排烟处烟气焓; Hlk为入炉冷空气焓; Kq4为修正系数; Qr为输入热量; Vgy为排烟处干烟气体积; CCO为排烟处CO体积分数; Aar为收到基灰分; Clz为炉渣可燃物含量; Cfh为飞灰可燃物含量; (ct)fh为飞灰焓; (ct)lz为炉渣焓; αlz、αfh分别为炉渣含灰量、飞灰含灰量占入炉煤总灰量的质量分数; q为总损失; η2为总效率.
由计算可知, 本次试验的煤粉锅炉的热效率达到90.64%, 而工业链条炉的效率只有65%左右.因此, 若使工业煤粉锅炉的污染物排放能较好地达到国家标准并全面推广, 将会为企业节约大量的资金, 使资源得到更有效的利用.
2.2 试验燃烧器简介在工业锅炉上使用煤粉, 燃烧器的设计是关键.由于工业锅炉的炉膛空间较小, 这就要求燃烧器应能较好地组织炉内的流场, 使煤粉高效稳定地燃烧, 避免结渣, 同时产生较少的污染物.本次试验用的新型燃烧器采用空气分级燃烧技术, 在燃烧过程中形成3个相对独立的部分:初始燃烧区、NOx还原区和燃料燃尽区.这种改进的空气分级方法通过优化每个区域的过量空气系数, 在有效降低NOx排放的同时可最大限度地提高燃烧效率.燃烧器共有四次风, 一次风用来将煤粉输送到燃烧器内, 二次风、三次风和四次风则先经空气预热器加热后再送入燃烧器.二、三次风在进入燃烧器前均先通过固定叶栅, 从而产生旋流, 增强与煤粉的混合.由于三次风风量对NOx生成的影响较为显著, 在设计时, 三次风共留有六个均分开度, 可以通过改变阀门开度来控制三次风在总风量中所占的比例.四次风在三次风的后部送入, 通过送入充足的氧气使煤粉完全燃烧.燃烧器的尾部留有凹槽, 以此来排出液态渣.为延长燃烧器的使用寿命, 在燃烧器外部安装有水冷套, 通过循环水对其进行冷却降温.
3 试验及结果分析 3.1 试验前准备本试验使用德国ECOM-J2KN便携式多功能烟气分析仪对锅炉尾部的NOx及CO质量浓度进行检测, 每个试验工况取4~5组数据进行平均, 并根据GB 13271—2014[2]将含氧量 (体积分数) 修正到9%.煤粉在煤仓上方的取样口取得, 所取样品立即进行工业分析和元素分析, 以保证分析结果的准确性和及时性.
3.2 测点布置及试验方法测点布置在炉膛尾部与空气预热器之间.系统概况及测点布置如图 1所示.试验方法为: ① 保持相同的给煤量及配风量, 且煤粉均由同一磨煤机在相同条件下磨得, 改变煤种测量NOx排放质量浓度; ② 使用伊泰3烟煤且保持送煤量恒定, 改变配风量 (即过量空气系数), 测得NOx及CO排放质量浓度; ③ 使用伊泰3烟煤且保持送煤量、配风量恒定, 改变三次风开度 (即三次风率), 测得NOx及CO排放质量浓度.
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图 1 系统概况及测点布置 Fig.1 Overview of the system and arrangement of the measuring points |
表 1为煤样工业分析与元素分析数据; 其中:Mad、Aad、Vad分别为煤样的水分、灰分和挥发分; FCad为固定碳; Qar, net为发热量; Cado、Had、Nad、Sad分别为碳含量、氢含量、氮含量、硫含量.
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表 1 煤样工业分析与元素分析数据 Table 1 Proximate and ultimate analysis of coal samples |
图 2(a)为NOx排放质量浓度与挥发分含量 (质量分数) 的关系.从图中可以看出, 随着挥发分含量的增加, NOx生成量呈下降趋势.挥发分对NOx转化率的影响与过量空气系数α有关.在α > 1的氧化性气氛中, 煤的挥发分越多, NOx转化率越高; 但在α < 1的还原性气氛中, 高挥发分煤种的燃料型NOx转化率反而降低, 因为高挥发分的煤在迅速着火后, 局部氧含量进一步降低, 增强了煤粉气流低温燃烧阶段的还原性气氛, 不仅抑制了燃料氮向NOx的转化, 而且还会使生成的NOx部分被还原, 因此煤中的挥发分含量越高, 其生成的NOx质量浓度越低.本试验中燃烧器在挥发分燃烧阶段正处于还原性气氛, 因此随着煤中挥发分含量的增加, NOx最终生成量会减少.
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图 2 NOx排放质量浓度与挥发分含量、氮含量的关系 Fig.2 Relationships between the NOx emission and the volatile content, the nitrogen content in the coal |
图 2(b)为NOx排放质量浓度和煤中氮含量 (质量分数) 的关系.从图中可以看出, 随着煤中氮含量的增加, NOx生成量逐渐增加, 但并不是简单的线性关系.在燃烧时, 煤中的氮一部分随挥发分析出, 一部分留在焦炭中.挥发分氮随着其燃烧而形成中间产物HCN、NH3和焦油等, 这些中间产物的燃烧产物是NO或N2; 焦炭中的氮元素在燃烧过程中以-CN的基团形式与O、NO等反应, 同时在焦炭的催化作用下形成NO、N2等[10].所以挥发分燃烧阶段生成的NO可以在后一阶段的焦炭的燃烧过程中得到还原, 但焦炭的燃烧依然有NO的生成.总的NO的转换率是由挥发分、焦炭两个阶段的NO生成量和焦炭表面上NO的还原量决定的[11], 因此煤中氮含量对NOx生成的影响并不是简单的线性关系.
图 3(a)为NOx和CO排放质量浓度与氧含量的关系.随着配风量的增加, 锅炉出口处的氧含量开始增加, 与此同时, NOx的生成量也开始增加, 但出口处的CO质量浓度迅速减少, 直至为零.产生这种现象的原因是随着入炉氧含量的增加, 燃烧加强, 使炉内局部火焰温度上升, 为燃料氮转化为燃料型NOx提供了条件.同时, 入炉氧含量的增加及局部高温也导致热力型NOx的生成量迅速增加, 因此, 总的NOx生成量随着入炉氧含量的增加而增加.但还应注意的是, 若配风量过少, CO的生成质量浓度会急剧增加.CO的增加会使灰熔点大大降低, 导致炉膛结焦, 且过高的CO质量浓度会在相应的区域产生强烈的还原性气氛, 引起高温腐蚀; 同时, 随着CO质量浓度的增大, 不完全燃烧损失增加, 使锅炉效率降低.因此应选取合适的过量空气系数.从所测数据可以看出, 本试验中燃烧器的锅炉出口氧含量应控制在2.5%~2.6%之间, 此时不仅NOx的排放可达到国家标准, CO的生成量也较少.
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图 3 NOx、CO排放质量浓度与氧含量、三次风开度的关系 Fig.3 Relationships between the NOx, CO emissions and the oxygen content, opening of the tertiary air |
图 3(b)为NOx及CO排放质量浓度与三次风开度的关系.当三次风的开度在33.3%和50.0%时, NOx生成量较低, 而在16.7%和66.7%开度时, NOx生成量则明显增加.由图可以看出, 三次风存在一个最佳开度, 使NOx的生成量最小.但由于燃烧器在设计时共有六个均分开度, 所以无法通过试验找出.拟合试验数据得到NOx生成量y与三次风开度x的关系为
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由此可知, 当三次风开度在39%左右时NOx生成量将达到最小, 此时CO排放质量浓度也在合理范围内, 燃烧器运行状况良好.在燃烧器下一步改造时可考虑增加三次风39%开度, 然后再次进行试验测量, 并与拟合数据进行对比.
4 结论(1) 本试验中工业煤粉炉热效率达到90.64%, 而链条炉实际运行效率只有65%左右.再次证明了煤粉炉在资源有效利用上的优势.
(2) 不同煤种对煤粉炉的NOx排放有很大影响, 尤其是煤的挥发分和氮含量.在污染物排放要求较高的重点地区, 煤粉锅炉应燃烧挥发分含量相对较高的烟煤, 从而降低NOx排放.
(3) 过量空气系数对煤粉锅炉的燃烧效率和污染物排放影响很大.在保证NOx排放达到国家标准的前提下, 尽量使煤粉充分燃烧.本试验中燃烧器应将锅炉出口氧含量控制在2.5%~2.6%之间较为合理.
(4) 三次风开度对NOx排放的影响较为明显.应合理选择三次风在总配风量中所占的比例.由测得数据可知, 本试验中燃烧器的三次风开度为39%时较为合理.
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