富氧富水蒸气条件下燃烧高氮燃料的NOx排放特性

DOI：10.11949/j.issn.0438?1157.20181042

富氧富水蒸气条件下燃烧高氮燃料的NOx排放特性

朱传强1,2,3，刘殊远1，余剑1，

高士秋1，许光 1

(1中国科学院过程工程研究所多相复杂系统国家重点实验室，北京 100190; 2中国科学院大学化学化工学院，北京 100190; 3光大环保技术研究院（南京）有限公司焚烧技术研究所，江苏 南京 211100)

摘 要

在富氧富水蒸气条件下，研究了富含氮的燃料白酒糟在流化床中燃烧时NOx的排放特性。结果表明，在过量空气系数1.2条件下，水蒸气和O2对NOx的生成相互影响。当O2浓度低于约35%时，向燃烧气中加入水蒸气能抑制NOx生成，使烟气中NOx的排放浓度和燃料N转化为NOx的转化率降低；而当氧气浓度高于约35%时，加入水蒸气促进了NOx生成，表明提高氧气浓度使得氧化作用起到主导地位。NOx生成量随温度的升高先增加后减少，在较高氧气浓度下，NOx生成量随温度升高而降低的转折点发生在较低的温度；燃烧气氛中添加水蒸气延迟了转折点的发生，使转折点发生在较高温度。

引 言

随着我国工业的发展，NOx排放问题日益受到关注。NOx排放量的快速增加，产生的酸雨及光化学烟雾严重威胁着人体健康和生态环境。同时由于CO2排放量增加导致的全球变暖问题也引起国内外的高度重视，而富氧燃烧正是易于CO2捕集的重要技术途径。富氧燃烧由于引入的惰性气体量少，具有延长燃烧反应时间、促进残炭燃尽、降低燃尽温度等优点。

当高水分燃料，例如褐煤、污泥、轻工业生物质残渣等应用于富氧燃烧时，燃烧过程中会有大量的水蒸气生成并存在于燃烧空间，将对NOx生成及燃料燃烧效率产生影响。在富水蒸气条件下，燃料燃烧过程中NOx的排放和生成机理已经开展了一些研究。Musgrave等的研究表明，加入水蒸气能增强NO还原反应速率，在920℃时的NO还原效果主要取决于水蒸气量，其反应速率与CO浓度无关。魏小林等研究高水分煤燃烧表明，随着燃料水分的增加，NOx、SOx的排放量下降。Landman等以天然气为燃料，发现水蒸气的加入还原了NOx，因为其降低了燃烧温度和氧气分压，并促进了相关化学反应。在实际燃烧过程中，NO还原反应的发生伴随着CO的氧化。Wei等在研究水蒸气对CO还原NO的影响时指出，NO的浓度主要取决于燃烧温度和气氛中的水蒸气量，增加温度和水蒸气含量有利于OH和H 自由基浓度的增加，使增加的H在NOx还原中发挥重要作用，而实现的NO还原效果主要取决于气氛中的H和CO与NO 的相互作用。苟湘等研究了水蒸气对煤粉燃烧生成NO的影响，发现在高温低氧条件下加入一定量的水蒸气可显著抑制NO的生成，并能加速燃烧。水蒸气作用煤粉再燃还原NO时，既能加强还原效果，又能提高煤粉燃尽率。刘泉等利用模型燃烧室研究了水蒸气稀释燃烧降低污染物排放，发现随着水蒸气的稀释，燃烧室的温度场、浓度场都发生了变化，在0.5<H2O/fuel<1.0时，燃烧污染物排放较少，也能保证合适的的燃烧效率。Reed等的专利中说明，水蒸气先与燃料气预混加热后，再进入反应器燃烧，能很大程度上降低NOX排放，同时促进燃烧过程。

结 论

在连续运行的流化床燃烧装置中，研究了富氧富水蒸气条件下燃烧高含氮燃料白酒糟的NOX排放特性，得到以下结论。

（1）在过量空气系数为1.2的条件下，燃烧气氛中添加水蒸气和O2浓度对NOX生成的影响相互竞争。在较低的氧气浓度（约小于35%）下，添加水蒸气降低NOX的作用占主导；随着水蒸气添加量的增大，燃烧烟气中NOX生成量减少，但减少的幅度随着燃烧气中O2浓度的升高而减小。在较高氧气浓度下（约大于35%），添加水蒸气促进了烟气中NOX生成，随着水蒸气量的增大，NOX生成量也逐渐增大。

（2）在不同O2浓度下，白酒糟在较高温度下燃烧生成的NOx反而降低，加入水蒸气延迟了这种降低作用的发生或使NOx生成降低发生在更高的温度下。

1 实验装置和方法

1.1 实验装置

图1 实验装置工艺流程

1—gas cylinders; 2—valve; 3—mass flow meter; 4—gas mixer; 5—water tank; 6—pump;7—steam generator;8—screw feeder; 9—cooler; 10—furnace; 11—reactor; 12—shaft plate; 13—cyclone separator; 14—conical receiver; 15—scrubbing and drying; 16—thimble filter; 17—flue gas analyzer; 18—computer

1.2 实验原料

表1　白酒糟和半焦的工业、元素分析及半焦收率和

半焦中N占酒糟中N的质量分数

1.3 数据处理

2 结果与讨论

2.1 白酒糟燃烧特性分析

图2 白酒糟燃烧的TG、DTG、DTA曲线

2.2 不同氧气浓度条件下添加水蒸气对

NOx生成的影响

图3 在过量空气系数1.2和温度900℃下，

不同氧气浓度时水蒸气添加量对NOx生成的影响

2.3 不同温度对添加水蒸气条件下NOx生成影响

图4 不同温度及有无水蒸气条件下NOx生成量的比较

2.4 半焦燃烧及其NOx生成特性

图5 温度900℃时半焦燃烧烟气中O2与

NOx浓度随时间的变化

图6 不同水料比条件下半焦燃烧NOx生成的对比

（900℃, 25% O2）