试论循环流化床富氧燃烧氮氧化物排放特性

摘 要：大气环境的不断恶化，气候变暖问题成为全球普遍关注的问题，而CO2是造成温室效应的“罪魁祸首”。富氧燃烧技术的诞生一方面能够对CO2的排放量进行有效控制，另一方面实现了能源的有效利用，降低了氮氧化物及硫化物的排放量，对于人类社会的生存发展意义重大。该文通过建立50 kW循环流化床燃烧试验系统进行富氧燃烧试验，对进口氧气体积、燃烧温度进行范围设定，并设置不同的工况，以获得循环流化床富氧燃烧时燃料转化率以及氮氧化物（主要为NO、N2O）的排放特性。从试验结果来看，燃料转化率以及氮氧化物的排放量主要受循环流化床富氧燃烧过程中进口氧气体积分数、燃烧温度以及过量氧气系数三大因素的影响，对此三大因素进行合理控制能够有效控制燃烧过程中氮氧化物的排放量，这对于控制大气污染、改善全球气候变暖问题具有积极意义。

关键词：循环流化床 富氧燃烧 NO排放 N2O排放 N转化率

中图分类号：TK16 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）03（c）-0088-03

人类社会经济迅猛发展，人们的生活日新月异，人类生产和生活活动的日益频繁带来的环境问题也逐渐凸显出来。大气环境不断恶化，全球气候变暖的问题正在逐渐威胁着人类社会的生存和发展，全球各国都对气候关键加大关注力度，并致力于空中大气污染，改善大气环境。大量温室气体的排放引起的温室效应造成了全球气候的异常，环境问题引发全球的气候危机，CO2作为温室效应的“罪魁祸首”，在温室气体中占有很大的比重。随着富氧技术的产生和应用，使CO2的排放控制问题得到了有效解决，也因此受到全球各国的广泛关注，并纷纷致力于对富氧燃烧技术的深入学习和研究。

1 富氧燃烧技术的概述

富氧燃烧技术是在温室气体大量排放的背景下应运而生的，其作为一种先进的燃烧过程中的CO2捕捉收集技术，将再循环烟气与氧气进行混合来取代空气进行燃烧，经过燃烧后产生的烟气中CO2体积分数得到明显提升，可高达90%甚至以上。经过处理后的烟气不仅能够直接对其加以利用，也可以封存起来作为储备燃料。相较于煤粉炉富氧燃烧技术来说，循环流化床富氧燃烧技术的诞生和应用都要晚些，但是后者是在前者的启发之下，将循环流化床和富氧燃烧两项技术的各自所长进行结合并發挥，可谓“强强联手”。具有燃料适应性强、应用范围广泛、低NOx排放量、降低脱硫成本等诸多优势。在燃烧的过程中能够快速高效地实现CO2的捕捉收集，实现CO2的富集，这使得循环流化床富氧燃烧技术一经问世就受到全球多个国家的高度关注，成为全世界研究的热点问题。

富氧燃烧过程中空气被混合气体所取代，而在混合气体中，N2是非常有限的，所以在循环流化床富氧燃烧时产生的烟气中包含的NOX主要是由燃料氮的氧化作用而产生的。因为燃烧气氛的不同，从转化规律来看，NOX在富氧燃烧状态下和空气燃烧状态下生成和转换的规律是存在明显的差异的。对此，国内外大量的专家和学者纷纷建立起循环流化床燃烧试验装置，针对NOX的排放特性从不同角度、不同工况下进行试验研究。从已有的研究资料来看，对于循环流化床富氧燃烧过程中氮氧化物中NO、N2O排放特性的影响因素方面的研究并不多，现有的研究也缺乏一定的针对性，于是该文设计的试验通过建立一个50 kW的循环流化床燃烧试验系统，从进口氧气体积分数、燃烧温度、过量氧气系数3个因素方面对氮氧化物中NO、N2O排放特性进行研究，同时对影响燃料N转化率的因素进行研究和探索。

2 试验研究

2.1 试验系统的建立

如图1所示，该文研究建立的50 kW循环流化床富氧燃烧试验系统可以进行包括富氧空气、普通空气、O2/CO2在内的不同燃烧气体的燃烧，能够满足20%～50%范围内进口氧气体积分数，能够满足850 ℃～960 ℃燃烧温度的试验。试验系统具体组成和燃烧试验流程如图1所示。

在该试验系统中，燃烧室为100 mm的直径，3 000 mm的高度，设置有U型气动反料阀用以对返料进行控制。为了能够使该试验系统的热负荷变化幅度保持在合理的范围内，在料腿位置设置有专门的料腿冷却器，利用对燃烧室功率和冷料腿进水量的控制来达到热负荷控制的目的。该试验系统中供风系统的组成包括空气压缩机、气瓶组，用以提供试验中需要使用的不同气体。因为设置了多种气源，所以该试验系统可以实现多种不同气氛的燃烧试验，包括空气燃烧试验、富氧空气燃烧试验、O2/CO2空气燃烧试验。气体流量的控制通过与之相对应的流量计来实现。

试验系统中的给料机可以对系统分别提供多种不同的燃料，也可以同时供给多种燃料进行混合燃料燃烧试验。系统中的测控系统包括温度计、压力计、数据采集器、计算机。温度测点与压力测点的设定在同样的位置，6个测点均匀分布于提升管的不同高度上，同时专门有2个测点分别设置在旋风分离器的出口位置和返料区的底部位置。温度、压力、氧气体积分数、其余组分的体积分数都各自设置有专门的仪器仪表进行测量，并传输于计算机系统，由计算机系统进行保存并通过显示界面显示出来。

2.2 试验物料

在该文试验中使用的燃料有2种，该文特选具有一定代表性的大同煤和神木半焦作为试验燃料。其中神木半焦的主要成分为固定碳，来自于神木煤在固定窑炉中经过热解提油处理后形成的一种燃料，因此只含有少量的挥发成分，所以拥有很好的稳定性。2种燃料的粒径均在0.1～1 mm的范围之内。2种燃料的热值、工业分析和元素分析的结果如表1所示，同时该文试验所用床料为石英砂，料径为0.1～0.5 mm。

该文研究主要针对的是循环流化床富氧燃烧时氮氧化物中的NO、N2O的排放特性，因此试验重点在于研究分析进口氧气体积分数、燃烧温度、过量氧气系数3种主要因素的影响作用。于是设定进口氧气体积分数的范围在20%～50%，燃烧温度设定在850 ℃～960 ℃的范围。试验为6种不同工况，结果如表2所示。

不同工况中试验一直保持稳定的状态进行，温度上下呈小幅度的滑动，物料一直保持畅通的循环状态，烟气保持稳定排放量。试验过程中使用高纯度液氧，氧气中的N2可忽略不计，试验台组织严密，不存在空气渗入的影响。燃料的N转化率可通过公式进行计算。

3 试验结果分析

3.1 进口氧气体积分数的影响作用

从试验中可以看到，富氧气氛下和空气气氛下燃料燃烧NO排放量有明显的变化，前者排放量相较于后者排放量下降的幅度很明显，但是2种气氛下燃料燃烧N2O的排放量，前者却又稍微高于后者。这是因为在富氧气氛下，因为其中含有大比重的CO2，使得燃料的燃烧速率减慢，是焦炭气化反应得到了进一步的促进作用，大量新焦炭和CO的存在大大增加了NO还原反应成N2和N2O的程度，这样一来，NO排放量自然要少很多，而N2O的排放量自然要增加。但是从N转化率的角度来说，煤的燃烧在富氧气氛下和在空气气氛下N转化率要低很多，这就说明在富氧气氛下煤的燃烧对于降低氮氧化物的排放量是有一定作用的。我们在试验过程中，在保持硫化风速不变的条件下，提高进口氧气体积分数，并增加给料量，燃烧室内物料增加，相应的焦炭浓度也增加。燃烧不彻底的焦炭对NO发生反应，使得NO量减少而N2O的量增加。但是N转化率的降低说明进口氧气体积分数的提高对于氮氧化物的排放量的减少是有一定的积极作用的。

3.2 燃料种类的影响作用

通过对试验过程中各项数据的观察和分析，我们发现，在各方面条件都相同的条件下，神木半焦和大同煤在NO、N2O，以及CO的排放方面是存在明显差异的。在NO排放量方面，大同煤远低于神木半焦，仅相当于神木半焦的20%，而N2O却远高于神木半焦。在N转化率方面，大同煤也远低于神木半焦，这就说明使用不同的燃料在NO、N2O的排放量方面是具有明显差异的。大同煤燃烧产生的烟气中含有高体积分数的CO，这使得NO半焦反应被进一步促进，从而使NO排放量降低。而且大同煤中含有较高的挥发性成分，在挥发过程中产生的NH也能够对NO产生一定的还原作用，这也是大同煤比神木半焦N2O排放量明显增加的原因所在。

3.3 燃烧温度的影响作用

燃烧温度的控制是该文试验中的重要参数，对氮氧化物排放特性影响较大。在富氧气氛下，大同煤无论是NO排放量还是N2O的排放量都随着燃烧温度的变化而出现明显的变化。随着燃烧温度的不断提高，NO排放量呈现出明显升高的发展趋势，而N2O的排放量却呈现出明显降低的趋势，N转化率也同样呈现出下降的趋势。但是燃烧温度在850 ℃以上时，下降的速度逐渐放缓。由此可以说明在富氧气氛下燃烧时，随着燃烧温度的不断升高，会对氮氧化物的排放起到一定的降低作用，综合来说，温度在850 ℃可算是一个最优燃烧温度了。煤燃料在循环流化床燃烧时会产生大量的N2O，这与燃烧温度有直接的关系。从该文试验结果来看，以900 ℃为临界点，900 ℃以下N2O排放量要高于NO排放量，但是如果燃烧温度达到900 ℃以上时，N2O的排放量就会大幅度降低。究其原因，是因为N2O会因为温度的持续升高发生热分解作用，分解成N2和O。

3.4 过量氧气系数的影响作用

过量氧气系数，即在同等单位质量的条件下，燃料燃烧实际消耗的氧气量除以燃料燃烧理论上消耗的氧气量。从试验结果来看，大同煤燃料在富氧气氛下燃烧，过量氧气系数的增加，无论是NO排放量，还是N2O排放量乃至N转化率都随之增加。过量氧气系数的增加，焦炭燃烧速率加快，燃烧程度也相应增加，促进了燃料对氮的释放。在过量氧气系数较低的情况下，因为没有足够的氧量供应，燃料不能充分燃烧，会增加CO的排放量。随着烟气中CO量的增加，CO对烟气中的NO和N2O产生还原反应。因此，循环流化床富氧燃烧时，只要保持在合理的范围之内，可尽量保持低水平的過氧系数，这样对于降低氮氧化物中NO、N2O的排放量是非常有利的。

4 结论

该文针对循环流化床富氧燃烧氮氧化物的排放特性问题进行研究，在查阅大量文献资料和学习前辈经验的基础上，建立循环流化床富氧燃烧试验系统，通过采用不同的燃料，在不同工况条件下，采取控制进口氧气体积分数、燃烧温度、过量氧气系数三大主要因素的方法，来探讨影响循环流化床富氧燃烧氮氧化物中NO、N2O的排放特性，得出结论如下。

（1）大同煤与神木半焦2种燃料，在富氧气氛条件下燃烧，在NO排放量方面大同煤比神木半焦明显高，而在N2O排放量方面，大同煤比神木半焦明显低，在N转化率方面，大同煤比神木半焦要低。

（2）在富氧气氛条件下燃烧，当进口氧气体积分数达到40%的状态，燃烧温度对于NO、N2O排放量方面有明显的影响。随着燃烧温度的不断提高，NO排放量随之升高，而N2O的排放量却随之降低，同时N转化率也随之降低。

（3）富氧气氛与空气气氛相较而言，同样的大同煤，在富氧气氛条件下NO排放量远低于空气气氛，但是N2O排放量却稍微高于空气气氛，N转化率较空气气氛明显降低。

（4）同样的大同煤燃烧，进口氧气量增加NO排放量却明显降低，而N2O排放量却正好与之相反呈现明显增加。但是随着过量氧气系数的不断增加，2种气体排放量都随之增加。

由此可见，在循环流化床富氧燃烧时，增加进口氧气体积分数、提高燃烧温度、在合理范围内尽可能保持低水平的过量烟气系数对于降低氮氧化物的排放量，并降低N转化率都具有积极的作用，是节能减排、维护大气环境的一项有效措施。

参考文献

[1]谭力，段翠九，赵科，等.循环流化床富氧燃烧的炉膛传热特性[J].中国电机工程学报，2012，32（S1）：133-137.

[2]段伦博，周骛，屈成锐，等.50kW循环流化床O2/CO2气氛下煤燃烧及污染物排放特性[J].中国电机工程学报，2011，31（5）：7-12.

[3]邹春，黄志军，初琨，等.燃煤O2/CO2循环燃烧过程中SO2与NOx协同脱除的中试研究[J].中国电机工程学报，2013，29（2）：20-24.

[4]Li Wei，Li Shiyuan，Ren Qiangqiang，et al. Study of oxy-fuel coal combustion in a 0.1 MWth circulating fluidized bed at high oxygen concentrations[J].Energy & Fuels，2014，28（2）：1249-1254.

[5]Jia L，Tan Y，McCalden D，et al.Commissioning of 0.8 MWth CFBC for oxy-fuel combustion [J].International Journal Greenhouse Gas Control，2012（7）：240-243.

推荐访问:流化床 氧化 试论 物排放 特性