工业可燃废气再燃低NOx排放实验研究及工程应用*

贾彦兵 周 托 王志宁 郭学茂 黄 中 蔡 晋

(1.国电电力发展股份有限公司，100101 北京；2.清华大学能源与动力工程系，100084 北京；3.清华大学山西清洁能源研究院，030032 太原；4.太原锅炉集团有限公司，030032 太原)

0 引 言

煤作为一次能源，其主要利用方式是燃烧，但燃煤产生的大量氮氧化物(NOx)是主要的大气污染物之一。燃料再燃技术尤其是气体燃料再燃技术，以其脱氮效率高、改造费用低、不存在炉膛结渣和高温腐蚀等优点，被认为是十分有效、最具前途的脱氮方法之一[1-4]。气体再燃燃料的选择范围很广，可以是气态烃类燃料、煤或生物质气化气，也可以是某些工厂产生的可燃废气，对这些气体燃料的再燃特性，国内外学者都做了大量的研究和报道[5-13]，并将一些成果进行了工业应用，取得了一定的改造效果[14-16]。徐莹等[8]通过模拟计算研究了CH4，CO，H2作为再燃燃料的还原效率，结果表明CH4的还原效率最优。张劲松等[9]研究了等离子体煤制气再燃过程中多个因素对炉内NOx排放的影响。但关于工业可燃废气对NOx的还原研究尚不够系统全面，同时结合工程试验的报道也较少。

工业生产过程中产生的可燃废气主要成分为N2和CO，由于其热值较低，得不到很好的利用，而直接放散又会造成环境污染，因此，大部分工业可燃废气是通过在锅炉中掺烧的方式来处理的[17]。某集团下属有冶金厂和化工厂，有大量的工业可燃废气产生源，对于这些工业可燃废气，主要利用热电厂的130 t/h煤粉锅炉掺烧进行处理。如果通过锅炉改造，利用工业可燃废气再燃降低锅炉的NOx排放，不仅可以很好地利用废气资源，而且可以降低污染物排放，是一举两得的解决方案。笔者通过建立气体再燃实验台，研究了工业可燃废气再燃的NOx脱除特性，并将研究结果用于实际锅炉采用的再燃技术改造，取得了良好的运行效果。

1 实验系统

实验系统主要由高温管式炉本体、给粉系统、配气系统、排气系统及取样分析系统组成。如图1所示，煤粉由给粉机(7)供给，并使其与一次风混合后通过水冷给粉管(8)送入炉膛；工业可燃废气(N2，CO，CO2和H2)由配气系统模拟，钢瓶(4)出来的气体经减压阀(2)减压后，调节各组分流量在气体混合器(5)内混合均匀，通过刚玉管(9)喷入炉膛，以实现再燃；同样燃尽风通过刚玉管(10)送入炉膛，使未燃成分充分燃尽。

图1 气体再燃低NOx排放实验系统

高温管式炉中刚玉管内径为70 mm，刚玉管长度为2 400 mm，实验过程中煤粉给入量为4 g/min。主燃区停留时间和再燃区停留时间，分别根据主燃区和再燃区的炉膛轴向长度及不同区域内的燃气流速决定。通过改变再燃气体喷管的插入深度来改变主燃区停留时间，通过改变燃尽风喷管的插入深度来调节再燃区停留时间。最终烟气采用德图公司生产的TESTO350型烟气分析仪(12)进行分析。高温管式炉采用上、下两段电加热，分别控制加热温度，最高温度可达1 873 K，为了保证实验过程中的恒温区域，再燃气体和燃尽风在进入炉膛前通过预热炉(6)预热至650 ℃，同时保持高温管式炉的电加热系统一直开启，维持整个燃烧区的温度在设定值。

2 实验工况

本实验的目的是研究工业可燃废气再燃过程中各主要因素对NOx排放的影响。表1所示为工业可燃废气的成分，表2所示为实验煤样的工业分析和元素分析结果。本研究选择了主燃区过量空气系数、主燃区停留时间、再燃燃料热量比例、再燃区温度及再燃区停留时间共5个因素，并采取轮回实验的方法对这些因素进行研究，实验条件见表3。

表1 工业可燃废气的成分

表2 煤样的工业分析和元素分析

表3 实验条件

3 结果与讨论

3.1 主燃区过量空气系数对NOx排放的影响

再燃燃料热量比例为15%，再燃区停留时间为0.8 s，炉膛温度为1 673 K条件下，主燃区过量空气系数对NOx排放的影响见图2。由图2可以看出，无再燃工况(原始工况)下，随主燃区过量空气系数的增大，烟气中NOx的质量浓度也随之增大，这是由主燃区O2体积分数的增加引起的，在主燃区过量空气系数大于1.0时，由于主燃区的高温使得热力型NOx大量生成，其排放质量浓度迅速上升，主燃区过量空气系数为0.9时的NOx排放质量浓度大约为主燃区过量空气系数为1.3时NOx排放质量浓度的60%。

图2 主燃区过量空气系数对NOx排放的影响

3.2 主燃区停留时间对NOx排放的影响

主燃区停留时间对最终NOx排放也有着很大的影响，实验过程中通过调节再燃喷口的位置来改变停留时间。图3所示为主燃区停留时间对NOx排放的影响。由图3可以看出，随着主燃区停留时间的增加，最终NOx排放质量浓度逐渐下降。分析认为增加主燃区停留时间，即增加再燃气体喷口与主燃烧器的距离，有利于在主燃区消耗更多的一次风的氧气，避免了更多的氧量进入再燃区，从而增强了再燃区的还原性气氛，这样NOx的还原效果更佳，这与文献[2，18]采用天然气再燃降低NOx排放得到的结论是一致的。在主燃区停留时间大于1.0 s后，NOx排放质量浓度趋于稳定，而且实际工程应用中主燃区停留时间受到炉膛结构的限制，因此要综合考虑各种因素的影响。

图3 主燃区停留时间对NOx排放的影响

3.3 再燃燃料热量比例对NOx排放的影响

在再燃区内必须送入足够量的再燃燃料，以保证再燃区内还原NOx所必需的还原介质浓度。如果再燃气体量过少则达不到理想的降低NOx的效果，而过多的再燃气体进入炉膛会影响炉内燃烧状态[19]。图4所示为再燃燃料热量比例对NOx排放的影响。在一般情况下，再燃燃料热量比例在15%～20%比较合适。

实验结果表明，不同主燃区过量空气系数下随着再燃燃料体积分数的增加，NOx排放量均降低，脱氮率均增加。在再燃燃料热量比例为15%时能取得较好的脱氮效果。

3.4 再燃区温度对NOx排放的影响

研究[20-21]表明，再燃区温度越高，NOx的还原率越高。图5所示为再燃区温度对NOx排放的影响。由图5可以看出，无再燃条件下，炉膛温度范围在1 573 K～1 773 K时，随着温度的升高，NOx的生成量也随之增大；在相同再燃量的情况下，随着温度升高，NOx排放量减小。这主要是由于高温有利于提高还原介质还原NOx的能力，提高再燃区温度，不仅能提高NOx的还原率，而且能促使含氮中间产物转变为N2。虽然随着温度的升高，在主燃烧区中产生的NOx质量浓度也升高，但是再燃区中的还原作用加强，NOx质量浓度降低很快。

图5 再燃区温度对NOx排放的影响

3.5 再燃区停留时间对NOx排放的影响

再燃区停留时间对NOx排放的影响见图6。由图6可知，再燃区停留时间越长，再燃气体与NOx接触反应的时间也越长，使得NOx的还原反应进行得越充分，有利于提高脱氮效率。当再燃区停留时间为0.8 s时，NOx降低率最大可达35%，但继续增加再燃区停留时间对降低NOx帮助不大[22]。同时，在实际应用中，由于受到锅炉燃烧方式和燃尽度要求的限制，同时还要保证主燃区停留时间，因此，再燃区停留时间不宜过长。

图6 再燃区停留时间对NOx排放的影响

4 工程应用

某集团下属热电分厂有2台130 t/h煤粉锅炉，锅炉采用四角切圆燃烧方式，燃用当地褐煤(煤质分析见表2)，正常运行情况下掺烧厂区内的工业可燃废气，锅炉NOx的原始排放质量浓度在250 mg/m3～300 mg/m3。由于现阶段当地环保标准要求燃煤锅炉的烟气必须满足超低排放，因此对锅炉进行了超低排放改造，其中针对NOx超低排放改造，采用炉内气体再燃结合尾部SCR的技术方案。

依据实验研究获得的结果，确定了锅炉采用工业可燃废气再燃低NOx排放改造的关键参数，将炉内的燃烧过程分为三个区域：主燃区、再燃区和燃尽区。具体改造的方案为：将原有的工业废气喷口由最下层移到主燃烧器上部，形成再燃气体喷口；在再燃气体喷口上部4 m的水冷壁上开设燃尽风喷口；同时，调整主燃烧器的过量空气系数为1.0，保证主燃区停留时间为1.0 s左右，再燃区停留时间为0.8 s左右。锅炉基本参数和运行结果见表4。锅炉通过采用工业废气再燃降低NOx排放的改造后，由于过热蒸汽温度略有升高，通过适当减少喷水量满足了设计要求，锅炉飞灰含碳量由未改造前的3.2%略微升高到3.4%。经热态测试，锅炉NOx原始排放质量浓度为193 mg/m3，再燃脱氮率为29.8%，结合尾部的SCR，最终实现了NOx排放质量浓度低于50 mg/m3的超低排放要求，改造取得了良好的运行效果。

表4 锅炉基本参数和运行结果

5 结 论

1) 主燃区过量空气系数和主燃区停留时间是影响再燃效果的重要因素。实验表明，当主燃区过量空气系数为1.0时，能保证较高的脱氮效率；同时，主燃区停留时间大于1.0 s时，再燃还原NOx的效率较高。

2) 再燃区停留时间是影响再燃区NOx还原的关键因素。再燃区停留时间越长，再燃降低NOx排放的效果越好，当再燃区停留时间为0.8 s时，NOx排放量最大可降低达35%。

3) 在一定范围内，再燃燃料热量比例越高，NOx排放质量浓度越低。一般来说，对燃煤锅炉而言，再燃气体热量比例维持在15%～20%比较合适。

4) 采用工业可燃废气作为再燃气体，对130 t/h煤粉锅炉进行再燃技术改造，锅炉NOx原始排放平均质量浓度由改造前的275 mg/m3降低至改造后的193 mg/m3，再燃脱氮率为29.8%，结合尾部的SCR，最终NOx排放质量浓度满足了低于50 mg/m3的超低排放要求，取得了良好的改造效果。