基于多层烟气再循环技术的链条锅炉NOx排放研究

杜 时，樊俊杰，张忠孝，郭欣维，张乐宇

(上海理工大学 环境与建筑学院，上海 200093)

0 引 言

我国是世界上煤炭消耗量最大的国家。2016年，我国煤炭生产量和消耗量分别占全球总量的47.6%和49.8%，等同于其他国家生产消耗量总和[1]。燃煤过程产生的NOx是大气的主要污染物之一，我国2014年颁布了GB 13271—2014《锅炉大气污染物排放标准》[2]:2017年2月1日起，在用和新建的工业锅炉的NOx排放要求小于300 mg/m3，重点地区小于200 mg/m3。长期以来，我国对链条炉NOx生成机理缺乏深入研究，所以研究降低链条炉NOx技术重要并急迫。

烟气再循环(FGR)是链条炉低氮燃烧改造的常用技术，核心在于利用尾部烟气低温低氧的特点，将烟气喷入炉膛合适的部分，降低炉膛局部温度产生还原性气氛，进而抑制NOx的生成[3]。近年来国内众多学者对烟气再循环技术进行了相关研究。杨博[4]研究发现，采用烟气再循环对高温空气平焰燃烧可以有效降低一次风氧含量，平焰燃烧的中心回流相延迟了燃烧器内部火焰局部高温区的出现，降低炉内火焰的局部高温，从而抑制了热力型NOx的生成。Eric等[5]和Yu等[6]在燃煤锅炉和铁矿石烧结过程中利用烟气再循环技术对NOx的还原进行研究。陈伟鹏等[7]研究发现，采用烟气再循环技术后，锅炉内烟气氧含量下降，NOx浓度在炉膛中均匀整体下降，而不是局部区域的下降，这对于中小型燃煤锅炉NOx的减排有理论指导意义和实际应用价值。

本文在1台70 MW的链条炉排热水锅炉上采用多级配风式烟气再循环技术进行系统改造，并分析了烟气再循环量、烟气再循环投入位置等因素对NOx排放的影响，这对于烟气再循环技术在链条炉实际工程上的应用有重要意义。

1 链条炉烟气再循环试验装置及方法

1.1 试验系统介绍

某70 MW热水锅炉是双锅筒角管式燃煤链条炉，炉排尺寸为11.2 m×10.1 m，炉膛高度为12.6 m，锅炉设计效率81.50%，煤种低位热值21.68 MJ/kg，额定出水、进水温度分别为150、90 ℃，设计排烟温度160 ℃。

改造中，从引风机出口附近抽出部分烟气进行烟气再循环，循环烟气量约占总烟气量10%～20%。循环烟气经循环风机引入后经过总进风管引入炉膛，进入炉膛前分成两路，分别与沿锅炉左/右侧墙对称布设的左/右侧墙进风管连接相通；左/右侧墙进风管又分支为上层、中层、下层支管，各支管朝向炉膛中心一侧的管壁上置有多个再循环风喷射头，通过炉墙进入炉膛，上层支管向喉口上方炉膛中心供风；中层支管向链条炉排和喉口之间供风；下层支管喷射头深入各分区送风室，向分区送风室送风。通过分层布风控制降低燃烧时的氧含量和燃烧温度，并增强链条炉中气流的扰动，实现减少NOx排放和改善燃烧的双重目的[8]。

烟气再循环风机为变频风机，通过DCS在线系统调节风机控制烟气循环总量。每个入炉的喷嘴前设置有手动蝶阀，通过阀门开度调节不同烟气再循环位置和烟气再循环率对NOx浓度排放的影响。试验系统如图1所示。

图1 某70 MW锅炉试验系统示意Fig.1 Schematic diagram of a 70 MW boiler test system

1.2 工况与测试方法

研究表明[9]，煤燃烧过程中NOx生成量受到焦炭层和氧含量的影响，挥发分析出区、主燃区、焦炭燃烧区和燃尽区NOx生成量分别占整体NOx生成量的 40%、10%和 50%(焦炭燃烧区和燃尽区合并为一个分区)，所以应在这些特定区域降低温度和氧含量来达到降低NOx排放的目的。

在不同工况分别测试烟气再循环率及烟气再循环位置对NOx排放的影响，见表1。

表1试验工况
Table1Testconditions

工况烟气再循环率/%烟气再循环位置10—210、15、20仅开下层支管310、15、20开下、中2层支管410、15、20开下、中、上3层支管

整个工况均在锅炉安全运营的条件下进行，每10 min测试2组数据区平均值，每组工况和背景值均测试1 h，排放烟气测点位置在锅炉顶端出口预留的探测孔，利用线烟气分析仪测试，烟气分析仪型号为德图350，O2测试精度为0.2%，NO测试精度为5%。结果采用测量数据的加权平均值。

在线分析仪测得排放值单位为10-6，转化计算公式为

其中，α1(NOx)、α2(NOx)为NOx排放值，单位分别为mg/Nm3和10-6;α(O2)为O2含量。此公式是将NO的单位10-6折算为NO2的浓度(mg/m3),并将烟气中的O2含量折算到9%。

2 试验结果与讨论

2.1 炉排上方温度场及组分场测试

采用烟气再循环技术对低NOx排放改造前，首先要确定炉内各燃烧区域的具体位置，然后针对目标区域通入循环烟气。主要在锅炉的观火孔处测试炉内火焰的温度、气体组成、NOx排放等。在链条炉排附近有3个观火孔，在观火孔的左、中、右分别测试数据。由于第1个观火孔靠近粉煤器，煤刚落下进入炉排几乎未燃烧，所以靠近分煤器一侧不需测试，第3个观火孔靠近炉排末端，煤几乎已经燃尽没有火焰，故只测靠近炉排前方的一点，得到了6个点位置的数据。测试过程中，锅炉负荷稳定在35 MW，将热电偶和烟气分析仪探枪深入炉排上方0.5 m处进行温度及组分测试，结果如图2、3所示。

图2 炉内各区域烟温和氧含量Fig.2 Oxygen content in each area of the furnace

图3 炉内各区域气体组分含量Fig.3 Gas components in each area of the furnace

由图2、3看出，工况1条件下沿着炉排前进方向氧含量先降低后升高，烟气温度先升高后降低，距离前墙位置0.6 m处氧含量为15%，主要原因在于在燃烧初始阶段，上部煤燃烧产生的热量还未传到底部，煤层主要处于预热干燥状态，煤中N随挥发分析出，生成N、CN、HCN等化合物，由于氧过量，发生氧化生成大量NO，导致挥发分析出区NO浓度偏大；沿炉排方向1～3 m后，氧含量迅速衰减至几乎为0，主要原因为进入主燃区煤大量消耗氧，煤由于缺氧生成大量不完全燃烧产物CO，产生了还原气氛，抑制了NO生成同时也将含N化合物还原为氮气，导致NO浓度下降。距前墙位置3.0～4.5 m内氧含量为0，烟温达到最大值1 150 ℃，CO浓度达到最大值，NO浓度达最小值。距前墙位4.5 m后氧含量迅速生高，CO浓度下降，NO浓度迅速升高，主要原因在于进入焦炭区和燃尽区，煤中的焦炭稳定燃烧，该区域氧化性强，将焦炭N氧化为NO，在高氧条件下持续生成 NO,NO浓度上升。但该区域NO浓度最大值低于挥发分区NO浓度最大值，这是由于焦炭N反应的活化能比C燃烧的反应活化能大，导致该区域NO浓度最大值低于挥发分区。因此可以看出主燃区和焦炭区燃烧剧烈，但NO浓度却大幅度减少，所以在对该炉进行烟气再循环改造时考虑将再循环烟气主要投入这2个区域，延长燃烧时间，大幅度减少NO的生成。

2.2 全程及局部对烟气再循环NOx排放的影响

工况2仅开启链条炉左右2侧连入风室的下支管，研究全程及局部烟气再循环条件下链条炉生成NOx特性，确定合适的通入循环烟气的位置。将低温的循环烟气分别通入风室是为了降低进入炉排的一次风温度和氧含量，使炉内产生局部低温低氧的环境，在炉排产生大量CO等还原气体参与对NOx的还原，进而抑制NOx生成并降低NOx排放。由于链条炉会从观火孔、各级烟道及尾部排渣区域不密封处泄入冷空气，导致炉内实际过量空气系数偏大，循环烟气的通入可以控制过量空气系数，提高一次风进入炉排速度，促进氧向煤表面扩散，提高燃烧效率。各区域通入循环烟气后氧含量和NOx排放浓度的变化如图4、5所示。

图4 全程及局部烟气再循环对氧含量的影响Fig.4 Effects of full and partial flue gas recirculation on oxygen content

图5 全程及局部烟气再循环对NOx排放的影响Fig.5 Effects of full and partial flue gas recirculation on NOx emission

结果表明，连入下风室的烟气再循环技术可以有效降低NOx排放量和烟气氧含量。原始工况下NOx排放浓度为380 mg/m3，氧含量11.2%，随着全程及局部再循环烟气的加入，氧含量和NOx排放量明显降低。在主燃区、焦炭区、燃尽区通入循环烟气NOx降低效果比全程烟气再循环效果好，说明在挥发分析出区通入循环烟气会使NOx排放量升高，原因是循环烟气降低了一次风温和氧含量，在挥发分析出区煤层表面升温有不利影响，挥发分析出和煤层着火推迟，导致了NO析出推迟，延长了挥发分析出区的停留时间，所以挥发分析出区不宜通入循环烟气。由于炉排较长，燃尽区后段及后面灰区较长，火焰及烟温微弱，燃尽区后段不通入循环烟气，发现只在燃尽区前段通入循环烟气降低NOx效果比在整个燃尽区通入循环烟气效果好，原因是主燃区贫氧条件下，氧气达不到碳表面会发生Boudouard反应，同时循环烟气含有大量CO2，促进Boudouard反应从而生成大量CO、CH4等还原气体[10]，同时一次风速提高可以促进煤表面灰分离，延长主燃区停留时间，使NO排放浓度下降。在主燃区、焦炭区和燃尽区前段采取烟气在循环技术可使氧含量从原始工况下11.2%降至8.8%，NOx排放量从380 mg/m3降至341 mg/m3，较原始工况下降了10.2%。

2.3 烟气再循环率对NOx排放的影响

根据全程及局部对烟气再循环NOx排放的影响可知，链条炉在主燃区、焦炭区和燃尽区前段下风室通入循环烟气技术可以最大减少NOx排放量，过高过低的循环烟气量都会影响NOx排放浓度，所以要确定最佳再循环率降低NOx。在仅开下风室支管通入主燃区、焦炭区和燃尽区前段条件下，研究循环率分别在10%、15%、20%时NOx排放浓度的变化，结果如图6所示。

图6 不同烟气再循环率对NOx排放的影响Fig.6 Effects of different flue gas recirculation on NOx emission

烟气再循环率在10%、15%、20%时都可以使NOx排放浓度大幅度降低，但烟气再循环率20%时NOx排放反而比15%时上升，打开锅炉两侧观火孔发现炉排后端拉火严重。CMES数据显示此时排放烟气氧含量大于再循环率15%时烟气氧含量，左右两墙水冷壁温度下降明显，锅炉负荷明显降低，原因在于随着烟气再循环率的升高，导致进入炉排的一次风速过大，该炉用煤是细颗粒煤，氧穿透煤层，形成沟流通道，氧未燃烧就随烟气流入锅炉尾部烟道，造成了炉内温度下降和出口氧含量升高；此外随着烟气再循环率的增大，进入炉内NO循环量升高，产生了NO蓄集现象，NOx排放量升高。所以烟气再循环率为15%时NOx降低效率最高，从原始工况380 mg/m3降至333 mg/m3。

2.4 多层烟气再循环对NOx排放的影响

根据烟气再循环率对NOx排放的影响可知，该链条炉在主燃区、焦炭区和燃尽区前段下风室通入循环烟气，烟气再循环率在15%时可以最大减少NOx排放量，改造在炉膛两侧装置设置中、上2层辅助烟气：① 可以降低炉内局部高温，减少热力型NOx生成，增加了主燃区和焦炭区的停留时间；② 有助于煤中灰层表面剥离，提高氧向焦炭表面的扩散速率，促进焦炭燃烧，对煤层有良好的引燃作用；③ 循环烟气含有大量的CO2三原子气体，可以增加炉内的辐射传热，有助于燃煤质量的提高。多层烟气再循环对NOx排放的影响如图7所示。

图7 多层烟气再循环对NOx排放的影响Fig.7 Effects of multilayer flue gas recirculation on NOx emission

由图7看出，开下、中、上支管的NOx排放浓度最低，脱氮效率最高，NOx排放量从380 mg/m3降至303 mg/m3，较原始工况下降了20.3%；与传统的烟气再循环下部风室喷入相比，脱氮效率从12.3%提高至20.3%，与下部风室及侧墙同时喷入相比，脱氮效率从15.2%提高至20.3%。原因在于外加两侧烟气射流可以使炉内烟气中未还原的N和还原性气体充分混合，延长了烟气在炉内的停留时间，改善了炉内的烟气动力场，使之在主燃区、焦炭区、燃尽区前段停留时间加长，进一步降低了NOx排放量。此外还增加了燃煤消耗质量，降低了过剩空气量，控制了燃烧区位置，防止了局部水冷壁结焦现象，锅炉传热效率提高。

3 结 论

1)在挥发分析出区及燃尽区后段通入循环烟气不利于NOx的去除，在主燃区、焦炭区和燃尽区前段采取烟气再循环技术可使氧含量从原始工况下11.2%降至8.8%，NOx排放量从380 mg/m3降至341 mg/m3。

2)过低过高的再循环率会对脱氮效率产生反作用，烟气再循环率为15%时，NOx降低效率最高，从原始工况380 mg/m3降至333 mg/m3，较原始工况下降了12.3%。

3)采用多层侧墙辅助烟气与传统的烟气再循环下部风室喷入的脱氮效率效果好，脱氮效率从12.6%提高至20.3%，脱硝效率优化了7.7%；与使用侧墙辅助烟气与下部风箱同时喷入的下、中2层烟气再循环模式相比，脱氮效率从15.2%提高至20.3%，脱硝效率优化了5.1%。

4)多级烟气再循环配风方式明显优于仅底部喷风，可以有效提高NOx炉内脱除效率。

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