煤粉再燃的工业炉试验和一维试验对比

摘 要：从系统NOx还原效果，主燃区、再燃区和燃烬区内NOx的降解几方面对煤粉再燃在燃煤四角炉和一维试验台上的试验结果进行对照分析，给出了适合燃煤四角炉再燃评价的NOx还原率计算公式。通过比较认为，一维煤粉再燃试验结果与四角炉试验基本相符，但是，四角炉可以让工作人员更全面地了解锅炉烟气行程内NOx的降解情况。四角炉试验与一维试验的结果相互补充，为实际生产应用提供了有益的参考。

关键词：煤粉；燃煤四角炉；一维试验；NOx

中图分类号：TK229.6+3 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）13-0025-02

燃煤电站锅炉烟气中的NOx是一种污染物，它会破坏臭氧层，引发光化学烟雾，进而影响动、植物的生长。基于对环境的保护，对多种电站锅炉低NOx排放技术进行了大量的研究，从经济性和适用性的角度考虑，煤粉再燃得到了重视。电站锅炉燃烧过程是复杂的，在一维试验台上进行煤粉再燃的研究，有利于参数调节，可以确定反应影响因素，但其试验工况与炉内实际过程存在一定的差异，未涉及锅炉各区域间的相互影响。在1台2.11 MW的燃煤四角炉上进行煤粉再燃试验，将试验得出的结果与一维试验得出的结果进行对比、分析，获取再燃技术的工业应用特性。

1 试验装置

一维试验台一般采用柱塞流燃烧形式，以模拟单一燃烧区为主要目的，其系统布置如图1所示。

2.2.1 主燃区内NOx的变化

NOx主要生成在主燃区内，影响NOx生成量和系统对NOx还原效果的主要因素是过量空气系数α1. 图4给出了四角炉在不同α1工况下主燃区NOx的生成情况，图5反映了相应工况系统NOx的还原率。如图4所示，在相同燃料供给情况下，α1较大时，NOx生成量较多，系统NOx的还原率较低。这是因为主燃区高氧浓度易于含N物质氧化，促进NO、NO2的形成，而未消耗的残余氧将进入再燃区，削弱了NOx的还原，使NOx降解效果变差。图3显示，主燃区同样存在NOx的降解。一维试验仅讨论α1变化对系统脱硝的影响，并不涉及主燃区NOx的变化。HAO LIU等人的一维试验结果与四角炉试验一致，即再燃燃料量固定时，NOx的还原效率随α1的增大而降低。

2.2.2 再燃区内NOx的降解

一维试验对再燃区NOx的变化进行了详尽的研究。四角炉试验结果如图6所示，再燃区NOx还原效果与α2成反比，当α2高于一定值后，改变再燃区过量的空气系数，NOx在该区域的还原效果变化不大。再燃区的反应机理包括煤粉受热挥发的CHi等与NOx间的同相反应和焦炭与NOx间的异相反应，贫氧有利于进行还原。郑守中发现，煤焦再燃时的类似性质，并将富氧条件异相作用的强化归结为煤焦表面含氧官能团富积，在高温条件下，官能团脱吸附能力增强，使煤焦表面活性点增多，从而促进还原。由于氧化氛围抑制同相还原，富氧条件下NOx还原能力的增强可以认为是异相还原的贡献。通过四角炉试验发现了弱氧氛围下再燃区NOx的还原现象，但对富氧还原现象还待深入研究。

2.2.3 燃烬区内NOx的降解

在四角炉燃烬区后，测取NOx的浓度并进行整理，发现炉内NOx还原率呈现“V”字型。在图7中，当α2=0.88，α2=1.01时，炉内NOx还原率高；当α2=0.95时，炉内NOx还原率低。在试验中，燃烬区过量空气系数保持在1.10.Per G. Kristensen等人曾对燃烬区特性进行研究，他们认为，在富氧条件下，燃烬区的化学变化与氧浓度关系不大。由此可见，上述工况NOx还原效果的差异源于再燃区的影响和NOx在燃烬区的进一步降解。当α2=0.88时，NOx在再燃区内已得到了充分降解，燃烬区内NOx受到的影响是有限的。当α2=1.01时，弱氧再燃区的NOx降解率有限，但燃烬区内煤焦的异相还原作用弥补了这一不足，使该工况下NOx的还原效率提高。当α2=0.95时，同相和异相机制都不显著，NOx降解效果最差。

2.3 燃烧方式对NOx还原效果的影响

锅炉燃烧方式有旋流燃烧（cyclone-firing）和切向燃烧（tangential-firing）等几种类型。不同的燃烧方式炉内温度和烟气混合情况会有所不同，会对再燃效果造成一定的影响。一维试验火焰多为柱塞流形式，不适用于对燃烧方式进行研究，而工业炉试验结果可以用来进行不同燃烧方式脱硝效果的对照。美国加州电力研究所和芝加哥燃气研究所进行过1.75 MW旋风炉煤粉再燃试验，再燃比为21%，α2在0.85～0.95之间，炉膛出口过量空气系数为1.15，NOx还原效率为42%. 上述旋风炉试验条件与本文阐述相近，虽然旋风炉的炉内温度高，混合充分，有利于煤粉对NOx的还原，但是数据显示，燃烧方式对再燃脱硝效果影响不大。

3 结论

四角炉试验和一维试验都可以研究煤粉再燃技术，但是，四角炉由于具备系统的完整性和连续性，其研究内容比一维试验炉更丰富，NOx在整个烟气流程中的不同变化得到较为完整的考察。

在四角炉煤粉再燃试验中发现，NOx的降解发生在系统的各个区域，影响因素众多。其中，主燃区α1与NOx的产生成正比，与NOx的降解效果成反比；再燃区还原性气氛有助于NOx降解，贫氧氛围也可实现NOx的还原；燃烬区依然存在NOx的降解，且异相还原机制起主要作用。相比之下，一维试验对NOx还原的研究着重点在于再燃区，且内容单一。

文中提出的NOx还原率定义公式可以合理地评价四角炉应用再燃的NOx还原效果，并可将其进行推广，应用到实际生产过程中，而一维试验公式仅适用于对单一燃烧区内的再燃情况进行研究。

四角炉试验可以方便进行燃烧方式对再燃脱硝影响的研究，一维试验多为柱塞流的燃烧方式，未能计及这种影响。