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层燃锅炉低氮燃烧技术研究 * 王凡1刘宇1卢长柱2田刚1张凡1岳涛3 1． 中国环境科学研究院， 北京 100012; 2． 吉林省石油化工设计研究院， 长春 130021; 3． 北京市劳动保护科学研究所， 北京 100054 摘要 通过对 2 t/h 层燃锅炉燃烧条件的分析， 提出低氮燃烧技术改造方案， 并进行燃料分级燃烧、 空气分级燃烧和烟 气循环对 NOx 排放控制影响的研究。研究结果表明 采用分室配风实现空气分级燃烧和燃料分级燃烧， NOx 排放量 由 260 ～359 mg/m3降为 137 ～182 mg/m3; 循环烟气率达 10 ～15时， 烟气循环可实现降低 NOx 排放 3 ～5; 相 同燃烧状况下， 低氮燃烧技术优化后 NOx 的排放浓度由低氮燃烧改造前的 301 ～430 mg/m3降低到 137 ～182 mg/m3。 层燃锅炉低氮燃烧改造后烟气中 NOx 浓度低于 200 mg/m3， 可作为有效的 NOx 控制技术。 关键词 工业锅炉; 层燃锅炉; 分级燃烧; 低氮燃烧 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201401033 STUDY ON LOW- NOXCOMBUSTION TECHNOLOGY FOＲ GＲATE FIＲING INDUSTＲIAL BOILEＲS Wang Fan1Liu Yu1Lu Changzhu2Tian Gang1Zhang Fan1Yue Tao3 1． Chinese Ｒesearch Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China; 2． Jilin Ｒesearch Academy of Petrochemical Design， Changchun 130021，China; 3． Beijinng Municipal Institute of Labor Protection，Beijing 100054，China AbstractBased on the analysis of combustion conditions of the experimental gratefiring furnaces with a capacity of 2t/h，a low- NOx combustion modification program was proposed． The effects of influencing factors including fuel staged combustion， air staged combustion and flue gas circulating on NOx emissions were investigated． The results showed when air- staged combustion and fuel staged combustion were realized by separate room air distribution，NOx emissions decreased from 260 ～ 359 mg/m3to 137 ～182 mg/m3． When flue gas circulating rate reached 10 ～ 15，NOx emissions decreased by 3 ～ 5． Under the same combustion conditions， NOx emissions decreased from the original 301 ～430 mg/m3to 137 ～182 mg/m3 after low NOx combustion technology was used The NOx concentration in the flue gas of the gratefiring boiler with the application low- NOx combustion technology was below 200 mg/m3，which shows great application prospects． Keywordsindustrial boiler;gratefiring boiler;staged combustion;low- NOx combustion * 中央级公益性科研院所基本科研业务专项项目 2009KYYW02 ; 国 家高技术研究发展计划 863 课题 2012AA06A11303 。 收稿日期 2013 －03 －31 0引言 我国工业锅炉以燃煤为主， 其中层燃锅炉占总台 数的 93. 7， 而室燃炉和循环流化床锅炉只占总台 数的 6. 3。根据测算数据， 我国现有燃煤工业锅炉 总蒸发量为 250 万 t/h， 占全国工业锅炉总台数和总 蒸发量的 85左右。每年消耗原煤约 6. 9 亿 t， 氮氧 化物排放量为 271 万 t。工业锅炉效率低、 燃烧排放 的 NOx 浓度一般为 400 ～800 mg/m3， 对人体健康和 生态环境构成巨大的威胁。继 SO2实施总量控制之 后， 对氮氧化物进行控制管理是当前关注的焦点［1 ］。 目前国内外研究开发 NOX排放控制技术主要是 针对火电行业， 实施最多的是低氮燃烧技术和烟气脱 硝技术。烟气脱硝技术以选择性催化还原 SCＲ 和 选择性非催化还原 SNCＲ 为主， 国内烟气脱硝技术 仅处于初步应用阶段［2- 5 ］。近年来随着对低氮燃烧技 术的研发， 国内已经基本具有自行设计、 自行制造和 自行安装调试的能力， 低氮燃烧技术已成为中国燃煤 电厂 NOx 控制的首选技术。低氮燃烧技术主要技术 措施是改善燃烧条件［6- 7 ］， 目前国内外研究较多的是 041 环境工程 Environmental Engineering 空气分级燃烧法， 燃料分级燃烧法， 烟气再循环 法等 ［8- 14 ］。 火电行业的低氮燃烧锅炉和工业锅炉在燃烧方 式、 炉膛结构、 燃烧温度等方面有极大不同， 电站锅 炉较成熟的低氮燃烧技术不能直接用于工业锅炉， 我国工业锅炉的燃烧条件、 燃料、 锅炉结构、 运行负 荷和操作条件等变化较大， 低氮燃烧技术和设备开 发难度较大。国内对工业锅炉低氮燃烧技术研究 得较晚， 还需要进一步的中试和工业应用实验。目 前国内绝大多数的工业锅炉都没有采取 NOx 控制 技术。 1实验部分 1. 1实验锅炉 2t/h 实验锅炉型号 DZL2- 0. 69- AII， 燃煤为大同 二类煤， 煤质及工业分析如表 1 所示。低氮燃烧改造 前锅炉结构如图 1 所示， 为四风室链条炉排锅炉。鼓 风机 型 号 为 4- 72- 12No3. 2A，风 量 为 1 688 ～ 3 517 m3/h， 风压力 1 300 ～ 792 Pa。燃煤量为 380 kg/h， 烟气排放量 3 580 m3/h， 排烟温度为 185 ℃。 表 1燃煤成分分析 Table 1The proximate analysis of coal 收到基 碳/ 收到基 硫/ 收到基 氮/ 收到基 灰分/ 收到基 水分/ 干燥无灰基 挥发分/ 收到基低位发 热量/ kJ kg －1 58. 170. 320. 786. 086. 1835. 2125558 1. 2分析测试条件 利用 GASMET 4000 测量锅炉出口烟气成分和参 数， 采样气体全程加热 180 ℃， 采样气体流量为 2 ～ 10 L/min， 两级过滤系统， 检测器采用 Peltier 制冷， 采 用红外光检测， 光谱特征区间为 900 ～ 4 200 cm －1。 烟气 NO 的检出限低于 1. 74 mg/m3， NO2、 CO、 CH4、 NH3等成分的检出线低于 1 mg/m3。 图 1低氮燃烧改造前的炉膛结构 Fig．1The structure of the er chain grate boiler 锅 炉 炉 膛 温 度 较 高，最 高 燃 烧 温 度 可 达 1 300 ℃， 采用 GASMET 4000 测量气体分析成分受到 限制。利用真空气体采样箱采集炉膛烟气， 采用10 L Pelican 气密式安全箱， 气体采样泵采用 BUCK 防爆 型个体采样泵， 流量为 0 ～5 L/min。采样启动时， 将 箱内空气抽出， 箱内产生负压， 箱外的烟气样品进入 5 L Tedlar 采样袋， 采样后的气体样品避光保存待测。 采用 Nicolet 6700 傅立叶红外光谱仪测量炉膛气 体样品， 配置 MCT、 DTGS 双检测器， 光谱特征区间为 400 ～4000 cm －1， 分辨率 0. 1 ～ 0. 005 cm－1。测量气 体样品中 NO、 NO2、 H2O、 CO、 CO2和 CH4等。 1. 3低氮燃烧技术分析 根据工业锅炉的燃烧特点和实验研究结果， 将分 级燃烧和烟气循环低 NOx 技术应用于层燃炉。通过 在锅炉炉膛中增加一个竖拱， 将炉膛内部分隔成两部 分。通过改变层燃锅炉的结构和配风方式， 使锅炉的 低氮燃烧分为两个阶段， 第一阶段作为挥发分析出 区， 主要的生成物有 NH3、 CH4、 CO 等， 见图 2 中①; 第二阶段为 NOx 还原区， 见图 2 中②， 主燃烧区中生 成的 NOx 可进一步与第一阶段生成的挥发分发生还 原反应生成 N2和水， 从而最终达到降低烟气中氮氧 化物排放的目的。 图 2低氮燃烧锅炉结构 Fig． 2Low- NOx combustion boiler structure 141 清洁生产与节能减排 Cleaner Production，Energy- Saving ＆ Emission Ｒeduction 改变层燃锅炉炉拱的结构， 使在锅炉的前部煤层 温度可达 350 ～850 ℃， 煤层停留时间为 8 ～ 15 min， 根据燃煤挥发分生成的难易程度确定， 预热室下部煤 层空气量只需要鼓风机总空气量的 5 ～ 10。位 于竖拱前部的炉膛空间由于供风量较少、 温度较低， 煤在该位置经过复杂的热解反应生成 CH4、 HCN 和 NH3等。由于该位置含氧量低， 较容易形成还原性气 氛， 生成少量的 NO。 位于竖拱后部的炉膛内部由于过量空气系数高， 形成氧化气氛， 在竖拱前部生成的 CH4、 HCN 和 NH3 等还原性气体进一步与 NO、 O2反应， 生成 N2等， 主 要的反应式如式 1 式 5 4NO CH4→2N2 CO2 H2O 1 NO 2HCN 2O2→ 3 2 N2 2CO2 H2O 2 2NO C→N2 2CO 3 2NO 2CO→N2 CO2 4 4NH3 4NO O2→4N2 6H2O 5 主燃区的供风量为鼓风机风量的 95 左右， 燃 烧温度控制在 1 080 ～ 1 280 ℃， 降低了热力型 NOx 的生成， 使主燃区生成的氮氧化物主要为燃料型氮。 通过竖拱的上部使主燃区的过剩空气与锅炉前部煤 层产生的挥发分充分混合， 实现燃料分级燃烧。通过 竖拱使锅炉前部和后部的主燃区分开， 达到分室供风 的效果。烟气中的挥发分在锅炉前部的旋转燃烧室 充分燃烧， 从而降低烟气中的 CO 排放量， 并使燃煤 挥发分中的 NH3、 CH4、 CO 等与主燃区生成的 NOx 反 应最终生成 N2和水， 达到降低氮氧化物排放的效果。 2结果与分析 2. 1分级燃烧对 NOx 排放的影响 通过改变炉排下各风室的供风量的方法实现层 燃炉空气分级燃烧， 实现低氮燃烧。原有的四风室改 为六风室， 沿炉排将鼓风分两级供入炉内， 第一、 二风 室为贫氧燃烧区， 煤经热解产生的的 NH3、 CH4、 CO 等还原性气体。三至六风室为焦炭燃烧区， 采用富氧 燃烧， 通过优化供风实现焦炭还原 NO。采用分室配 风后 NOx 排放量由 260 ～ 359 mg/m3降为 137 ～ 182 mg/m3， 稳定降氮效率达 30。 采用GASMET 4000 测量锅炉出口烟气成分， 图3 所 示的是过剩空气系数对 NOx 排放关系， 研究发现空气过 剩系数在1.5 时， 烟气 NOx 浓度为127 mg/m3。 图 4 所示为二次风对降氮效果的影响， 在不改变 图 3过剩空气系数对低氮燃烧效果的影响 Fig．3The effect of excess air coefficient on low- NOx combustion 总供风量的条件下， 研究旋流主燃烧区二次风量和降 氮效率的关系。研究发现， 增加二次风量时 NOx 浓 度反而上升， 研究以为， 主燃烧区温度较高， 通入二次 风时可使 NH3、 CH4、 HCN 和 CO 等还原性气体燃烧， 进一步生成 NOx， 影响降氮效果。 图 4二次风对低氮燃烧效果的影响 Fig．4The effect of secondary air on low- NOx combustion 2. 2烟气循环对 NOx 排放的影响 将一部分低温烟气直接送入第三至六风室内， 降 低了氧气浓度， 可提高焦炭的 NO 还原率。烟气循环 有利于提高燃烧空气温度， 降低能耗。图 5 所示是烟 气循环率影响降氮效率的曲线， 研究结果表明， 烟气 循环率为 8 ～20 时， 排烟 NOx 会明显降低， 降低 NOx 的效率为 3 ～5。 通过对以上锅炉炉膛结构的改造， 锅炉受热面积 并不改变， 并可提高锅炉燃烧温度， 可使锅炉的燃烧 效率不降低的条件下。 2. 3炉膛气体成分对 NOx 排放的影响 采用真空采样对炉膛内部不同位置的气体进行 241 环境工程 Environmental Engineering 图 5循环烟气影响低氮燃烧效果 Fig．5The effect of circulating flue gas on low- NOx combustion 采样， 各位置如图 2 所示。结合傅立叶红外光谱仪分 析各种气体成分， 研究结果如表 2 所示。 表 2不同位置的气体成分 Table2Gases concentrations at different locations 成分 图2 中位置点/ mg m －3 ①②③ CO29219541 CH417191．6 NH318112 NO198187156 NO2311 由表 2 分析表明， 在位置①主要为焦炭燃烧， CO 生成量较高， 同时由于该位置空气过剩系数较高， 氧 含量大， 生成部分 NO2。在位置②主要为贫氧燃烧， 煤高温热解生成 CO、 CH 和 NH3等气体， NO 浓度 较高。 比较位置②和③， NO 的生成量受 CO 和 CH4的 影响较明显， 随着 CO 和 CH4浓度的变化， NO 的浓度 也有较大的变化， 说明 NO 的生成量受挥发分还原作 用的影响。 通过优化煤热解区、 焦炭燃烧区和气体主燃烧区 燃烧条件， 提高 NH3、 CH4、 HCN 和 CO 等成分与 NO 反应的几率， 提高降氮效率。 2. 4低氮燃烧效果分析 表 3 所示的是采用傅立叶红外烟气分析系统测 得的低氮燃烧实验结果， 比较发现， 在燃烧同一煤种， 相同燃烧状况的条件下， 未采取低氮燃烧锅炉 NOx 的排放浓度为 301 ～ 430 mg/m3， 采用低氮燃烧后烟 气中 NOx 的浓度为 137 ～182 mg/m3， 氮氧化物浓度 降低达 30， 烟气中 NOx 的浓度低于 200 mg/m3 ， 有 较好的降氮效果。 表 3实验测试结果 Table 3The experimental test results 项目检测数据 烟气温度/℃ 128 过量空气系数 α1. 53 烟气含湿量/ 7. 1 烟道工况烟气流量/ m3 h －1 3857 烟道标态烟气流量/ m3 h －1 2625 NOX平均排放浓度/ mg m －3 136 SO2平均排放浓度/ mg m －3 578 CO 平均排放浓度/ mg m －3 49 CO2平均排放浓度/9. 3 O2平均排放浓度/ 11. 2 3结论 1 空气分级燃烧和燃料分级燃烧可应用在工业 锅炉低氮燃烧技术中， NOx 排放量由 260 ～ 359 mg/ m3降为 137 ～182 mg/m3。 2 循环烟气率达 10 ～ 15 时， 烟气循环可实 现降低 NOx 排放 3 ～5。 3 采用傅立叶红外烟气分析系统测得的低氮燃 烧实验结果， 分析发现， NO 的生成量受 CO 和 CH4的 影响较明显， 随着 CO 和 CH4浓度的变化， NO 的浓度 也有较大的变化， 说明 NO 的生成量受挥发分还原作 用的影响。 4 相同燃烧条件下， 未采取低氮燃烧锅炉 NOx 的排放浓度约 301 ～ 430 mg/m3， 采用低氮燃烧后烟 气中 NOx 的浓度为 137 ～182 mg/m3， 氮氧化物浓度 降低达 30， 有较好的降氮效果。 参考文献 ［1］郝吉明． 中国要制定氮氧化物控制策略［J］． 科学时报，2007 10 23． ［2］孙克勤， 钟秦． 火电厂烟气脱硝技术及工程应用［M］． 北京 化学工业出版社， 2007． ［3］王学栋． 燃煤锅炉氮氧化物排放特性研究及烟气脱硝催化剂 的研制［D］． 济南 山东大学， 2009． ［4］Kinga Skalska， Jacek S Miller， et al． Trends in NOx abatement A review［J］． Science of the Total Environment，2010， 4083976- 3989． ［5］Khandoker A H，Mohammad N M J，Azeman M． Application of selective non- catalytic reduction of NOx in small- scale combustion systems［J］． Atmospheric Environment， 2004， 38 6823- 6828． ［6］Kelemen S Ｒ，Gorbaty M L，Kwiatek P J，et al．Nitrogen transations in coal during pyrolysis［J］． Energy Fuels， 1998， 12 1 159- 173． 下转第 152 页 341 清洁生产与节能减排 Cleaner Production，Energy- Saving ＆ Emission Ｒeduction 水中硅含量高 493 mg/L 、 碱度高 590 mg/L 吻合。 结合图 10、 图 11 可知 实际废水污泥可能含有的成 分为氟化钙、 碳酸钙、 硅、 氢氧化钙等。pH 6. 5 ～ 7. 0 时的污泥元素与 pH 9. 5 ～10. 0 时相比， 氟含量 较高， 氧、 钙、 碳含量较低， 这是因为较高的 pH 值下， 未反应的氢氧化钙更多地成为沉淀， 且废水中的各种 杂质与钙反应生成了如碳酸根等沉淀， 这一结果与污 泥氟化钙纯度测定结果吻合。 4小结 沉淀法处理太阳能电池生产过程中产生的高浓 度含氟废水时， 会产生大量氟化钙污泥。此类污泥成 分复杂， 主要元素组成为钙、 氧、 氟、 硅、 碳， 氟化钙纯 度低 不到 40 ， 硅含量高， 资源化困难。不同药剂 种类、 pH 值、 加药量条件下得到的污泥产量差异较 大。综合考虑出水氟离子浓度、 污泥产量、 污泥氟化 钙纯度以及药剂成本等因素， 选择工业级氢氧化钙为 除氟沉淀剂， 加药量为 n Ca ∶ n F1∶ 1， 反应pH 6. 5 ～7. 0。此条件下去除单位氟离子的干污泥产率 约为 3. 59 g/g。 参考文献 ［1］程刚，黄翔峰，刘佳，等． 钙盐沉淀法处理集成电路工业含氟 废水影响因素研究［ J］ ． 环境科学导刊， 2007， 26 4 35- 38． ［2］沈健． 含氟废水处理设计及有关问题探讨［J］ ． 工业用水与废 水， 1999， 30 1 27- 29． ［3］陈豪立． 石灰沉降法处理含氟废水［J］ ． 贵州化工， 1998， 4 14- 17． ［4］李金城， 张华， 许立威， 等． 酸性高浓度含氟废水处理技术［J］． 化工环保， 2003， 23 1 28- 31． ［5］吴奇藩， 孔庆安． 半导体厂含氟废水的深度处理［J］． 环境工 程， 1994， 12 6 9- 12． ［6］赵薇， 张世江， 张帆． 高氟废水治理技术［J］ ． 环境保护科学， 1994， 20 2 16- 19． ［7］宋同安， 苏燕彬， 张天然， 等． 多晶硅太阳光伏电池生产废水的 除氟工艺 中国 CN 102234159［P］． 2011 －11 －9． ［8］周文雄． 光伏废水除氟方法 中国， CN 102001766A［P］． 2011 －04 －06． ［9］LeeTzen- Chin， LiuFeng- Jiin．Ｒecoveryofhazardous semiconductor- industry sludge as a useful resource［J］． Journal of Hazardous Materials， 2009， 165 359- 365． ［ 10］Aldaco Ｒ，Garea A，Fernandez I． Ｒesources reduction in the fluorine 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