水煤漿揮發(fā)分再燃對NO還原的影響

第28卷第5期中國電機工程學(xué)報ol.28No.5Feb.15,2008008年2月15日Proceedings of the Csee@2008 Chin. Soc. for Elec Eng文章編號:0258-8013(2008)08007404中圖分類(lèi)號:TK16文獻標識碼:A學(xué)科分類(lèi)號:47010水煤漿揮發(fā)分再燃對NO還原的影響孟德潤,周俊虎,趙翔,楊衛娟,周志軍,劉建忠,岑可法(能源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗室(浙江大學(xué)),浙江省杭州市310027)Influence of Coal Water Slurry Volatile Reburning on NO ReductionMENG De-run, ZHOU Jun-hu, ZHAO Xiang, YANG Wei-juan, ZHOU Zhi-jun, LIU Jian-zhong, CEN Ke-fa(State Key Laboratory of Clean Energy Utilization(Zhejiang University), Hangzhou 310027, Zhejiang Province, China)ABSTRACT: The homogeneous mechanism of volatile was a制技術(shù),再燃使用的燃料有天然氣、煤粉、煤焦、major concern when coal water slurry(CwS) was used as油、水煤漿、生物質(zhì)等,對于煤粉和氣體燃料的實(shí)reburning fuel. Influences of volatile reburning on NO驗和數值模擬已經(jīng)有較多的研究煤粉和水煤漿reduction such as coal rank, coal water slurry concentration的再燃反應原理都是由均相還原反應和煤焦與NOoxygen concentration of flue gas, reburning zone temperature,particle size, were investigated. Reburning zone was simulated的異相還原反應兩部分組成。均相反應是指揮發(fā)分on a fixed bed reactor with a synthetic flue gas consisting o中CH與NO間的相互反應,燃料中的氮,在還原性CO2,O2, NO and Ar. The result show the no reduction ratio is氣氛下通過(guò)反應NH+NO→Nz增強均相還原作用closely correlated with parent coal rank. For coals contain異相反應主要是NO吸在焦炭的內外表面,與焦炭的equivalent volatile matter content, the more high nitrogen內外表面發(fā)生的化學(xué)反應。再燃區的煙氣一般在content, the more high No reduction ratio. The content o1000℃以上,水煤漿的加熱速度較大,揮發(fā)分的析volatile matter and No reduction ratio benefit from higher出時(shí)間會(huì )在10ms左右,如果停留時(shí)間過(guò)短,揮發(fā)分burning zone temperature; Oxygen concentration of flue gas的析出將在焦表面形成一個(gè)氣膜,阻礙NO與焦異相oncentration increasing No reduction ratio decrease反應的進(jìn)行,這樣,揮發(fā)分還原NO的均相反應就significantly; No reduction ratio finitely increase when small具有重要貢獻。目前對影響水煤漿再燃和揮發(fā)分還particle size used原NO2實(shí)驗的研究8不多,文中對不同煤種的水煤KEY WORDS: NO: reburning; volatile matter; coal water漿,在不同的再燃區溫度、氧氣濃度、顆粒粒徑對揮發(fā)分再燃效果的影響進(jìn)行了研究摘要:為了解水煤漿再燃過(guò)程中均相還原反應效果的影響因1實(shí)驗裝置簡(jiǎn)介素,在固定床反應器上,利用合成煙氣模擬再燃區環(huán)境,對不同煤種的水煤漿,在不同的濃度、再燃區溫度、氧氣濃度實(shí)驗中用到的實(shí)驗裝置如圖1所示,利用管式顆粒粒徑對揮發(fā)分再燃效果的影響進(jìn)行了研究。實(shí)驗結果顯加熱爐對研究的樣品加熱。首先在第1根陶瓷管中示:揮發(fā)分的再燃效果隨著(zhù)水煤漿濃度的降低而升高,隨著(zhù)通進(jìn)純的Ar,流量為總的煙氣流量的50%左右,使煤階的降低而增加。另外,揮發(fā)分含量相同,含氮量高的再第1根陶瓷管內保持在還原性氣氛,然后進(jìn)入第2燃效果要好一些。再燃區反應溫度的升高有益于水煤漿揮發(fā)根陶瓷管。在第2根陶瓷管中經(jīng)過(guò)混氣系統通入其分的釋放以及再燃反應。揮發(fā)分作為再燃燃料時(shí),再燃區煙余的Ar、O2、CO2、NO的混合氣體。由于2股氣氣含氧量的影響最大,再燃效果隨含氧量的增加而降低。制漿原煤粒徑的大小對揮發(fā)分再燃的效果有所影響,隨粒徑的體的氣源壓頭相等,而混氣系統的流阻比第1根陶減少再燃效果略有增加瓷管力榻失大,所以第1根管內的壓力關(guān)鍵詞:NO2;再燃;揮發(fā)分;水煤漿比多中國煤化工會(huì )倒流。電爐加熱到預CNMHG將水煤漿樣快速置0引言于第1根陶瓷管的高溫段熱解,熱解出來(lái)的揮發(fā)分再燃是國內外目前廣泛應用的一種NO排放控以Ar為載氣進(jìn)入第2根陶瓷管中與煙氣混合進(jìn)行第5期孟德潤等:水煤漿揮發(fā)分再燃對NO還原的影響O2.NO, COzN量高于臺山煤,導致?lián)]發(fā)分中含N基團增加,而水煤漿樣含N豐富的揮發(fā)分在還原性氣氛下具有較強的NO還原能力,因此揮發(fā)分中的HCN和NH3含量越多越有利于揮發(fā)分均相還原NO0,揮發(fā)分和含N量煙的不同均是導致再燃還原NO效率不同的重要原因。從圖2中還可以看出,隨著(zhù)煤漿濃度的降低,分析煤漿中的水份增加,揮發(fā)分再燃脫銷(xiāo)率升高。主要圖1實(shí)驗裝置圖原因如下:①水分先汽化為水蒸汽,水蒸汽的析出Fig. 1 Experimental sy會(huì )打開(kāi)封閉的孔隙,焦炭的表面積和孔容積變大,再燃反應。煙氣第2根陶瓷管穩留時(shí)有助于減小揮發(fā)分析出的阻力,增加揮發(fā)分的釋放間大約是04s量;②水蒸汽可以在高溫下和焦碳反應生成另外的在實(shí)驗前,系統流通管路用模5mn還原物CO和H2,促進(jìn)均相反應的進(jìn)行,降低NO吹掃,待煙氣分析儀顯示參數穩料的的排放量:③在高溫下水蒸汽可以提供大量的H和97mm瓷舟送入反應器高溫段,。實(shí)OH自由基,加速環(huán)狀大分子結構的分解,促進(jìn)驗采用的水煤漿樣是由神華煤、3煤、HCN、NH3和CH的形成,增加HCN、NH3和B煤、陽(yáng)泉煤,臺山煤制成,其中100%CH的釋放量。同時(shí)OH有助于促進(jìn)HCN的氧化反濃度的水煤漿。神華煤的粒徑分別3pm,應,使得HCN快速轉化為N原子,與NO發(fā)生還其余煤粉粒徑為50μm煤質(zhì)分析」1。原反應1213,降低NO的排放,提高再燃效果,因實(shí)驗中模擬主燃區來(lái)流煙氣組成為:qCO2)=16%,此水煤漿的濃度降低,揮發(fā)分再燃脫硝效果升高qNO)=0.05%,gO2)=0%、2%、4%、6%,其余為Ar平衡氣體。采用 ROAEMOUNT煙氣分析儀進(jìn)行在線(xiàn)監測尾部煙氣成分,O2、CO2和NO的測量精度分別為0.25%、土1%和1.5×10-3%,由于實(shí)驗中NO2數量較少,故只考慮NO陽(yáng)泉煤表1試驗樣品的工業(yè)分析與元素分析Tab. 1 Proximate analysis and ultimate analysis of sample水煤漿濃度/%煤種元素分析w%圖2水煤漿濃度對揮發(fā)分再燃效果的影響Fig. 2 Effect of CwS concentration on NO reductionB煤56.6210.25.1922再燃區溫度的影響4202從圖3中可以看出在gO2)=2%濃度下,隨著(zhù)煤種業(yè)分析w溫度的增加,揮發(fā)分再燃效果增加,這主要是因為隨著(zhù)溫度的升高,一方面,揮發(fā)分的數量增加,同20.74B煤2.8824.7845.02時(shí)大分子碳氫化合物分解生成CH基,使得揮發(fā)分179790770.74臺山的還原性增強。隨著(zhù)溫度的提高,HCN和NH3的20744.251091131621645350釋放量均增加4,在還原性氣氛下,隨著(zhù)還原性物質(zhì)的增加,還原反應能夠充分進(jìn)行,再燃效果提高2試驗結果與分析另一方面,從化學(xué)反應動(dòng)力學(xué)角度來(lái)說(shuō),在一定范2.1煤種及水煤漿濃度的影響圍內,溫度的升高將會(huì )促進(jìn)反應的進(jìn)行,由于再燃從圖2中可以看出在1000℃、g(O2)=2%濃過(guò)程中處于貧氧富燃料的還原性氣氛,溫度越高度下,隨制漿原煤中揮發(fā)分含量的增強,即隨著(zhù)煤NO應進(jìn)行的紐癥_因此再燃區的溫度階的降低,揮發(fā)分再燃脫硝效果增加。揮發(fā)分越大對Nd中國心/一定程度下提高的煤種,產(chǎn)生CH基的數量也較多,對于再燃還原再燃CNMHG的效率。至于B和NO就越有利。另外陽(yáng)泉與臺山的揮發(fā)分含量接近,陽(yáng)泉水煤漿兩個(gè)溫度下的脫硝率變化不大,其原因而前者的揮發(fā)分再燃效果要高,可能是陽(yáng)泉煤中含可能是它們釋放的揮發(fā)分還原性物質(zhì)的濃度在高溫國電機工第28卷B煤臺山煤粉物質(zhì)解離程度更好,揮發(fā)分呈上升趨勢,含量升長(cháng)廣煤■陽(yáng)泉煤高。另外由于反應比表面積增大,焦與水蒸汽發(fā)生的反應速度變快,可以生成更多的CO和H2。而當顆粒較大時(shí),在熱解過(guò)程中升溫速率相對較慢,顆粒內部可能存在一定的溫度梯度,熱解的發(fā)生和揮發(fā)分的形成都沒(méi)有小顆粒迅速。另外靠近大顆粒中心再燃區溫度/℃處產(chǎn)生的熱解的初始產(chǎn)物有相當一部分在顆粒內部圖3再燃區溫度的影響Fig 3 Effect of reburning zone temperature向外的擴散過(guò)程中,可能在固相表面再次凝聚或聚on no reduction合等二次反應而發(fā)生碳沉積,煤粒越大,沉積量越下受溫度的影響比較小,因此造成隨著(zhù)溫度的增加大,因而得到的熱解產(chǎn)物就越少。對于小顆粒,由揮發(fā)分再燃效率變化不大于其具有較大的比表面積和較小的內部擴散距離,2.3煙氣中含氧量的影響更有利于揮發(fā)分的釋放而減小了二次反應的影響從圖4中可以看出,對于1000℃下,50%濃度因此使用較大顆粒煤粉制成的水煤漿的揮發(fā)分再燃的水煤漿,O2量的增加對再燃還原NO2的效果影響還原NO效率低于細煤粉制成的水煤漿。最為顯著(zhù),隨著(zhù)煙氣中含O2量的增加,再燃效果降但是粒徑的減小,脫硝效果提高的不多,這主低,一方面這是由于當再燃燃料一定,只有在有一要是水煤漿受熱后,揮發(fā)分先被釋放出,當10%定CH基濃度的情況下,NO的還原反應才會(huì )順利15%的煤粉脫揮發(fā)分后,揮發(fā)分氮才開(kāi)始釋放617進(jìn)行,當煙氣中的O2含量增加時(shí),揮發(fā)分中的CH1由于顆粒的細化,使得煤粉的特性有很大改善,揮基較易和O2先發(fā)生反應,不易于保持一定的CH發(fā)分析出的速率提高,這就意味著(zhù)燃料中會(huì )有更多基濃度,因而與NO發(fā)生還原反應的部分減少。另的含氮的官能團參加析出揮發(fā)分的反應,而生成較方面再燃過(guò)程中NO和CH反應生成HCN,隨后多的揮發(fā)分氮,從而燃料氮以氣體形式析出更加完生成的HCN和隨揮發(fā)分釋放的HCN發(fā)生下列氧化全,相反以焦氮形式存在的氮會(huì )減少。揮發(fā)分中氮反應:HCN+OH→HOCN+H,HCN+OH→HNCO+H,化物進(jìn)行氧化反應所需的活化能較低,其中的氮化HCN+O→NCO+H,HCNO→NH+CO,一旦反應物迅速與氧氣反應,當氧氣濃度較高時(shí),會(huì )有更多完成,其含氮氧化產(chǎn)物將快速轉化為氮原子2。當的NO生成,使得NO的生成量短時(shí)間內急劇增煙氣中O2濃度較高時(shí),大部分氮原子接下來(lái)不是與加8,所以細顆粒水煤漿的脫硝率并沒(méi)有提高很NO發(fā)生還原反應生成N2,而是被重新氧化為NO,多。但煤粉顆粒越細小,制粉的電能將顯著(zhù)增加∞,造成了NO還原率的下降因此制漿時(shí)要綜合考慮再燃效果和磨粉成本,合理長(cháng)廣煤選擇煤粉細度。臺山煤煙氣中氧濃度隔下,隨著(zhù)神華煤粒徑的減小,再燃效果有所升高,3物“包圖5顆粒徑的彩分圖4氧氣濃度的影響Fig 4 Effect of oxygen concentration on NO reduction水煤漿濃度%4制漿原煤粒徑的影響從圖5可以看出在1000℃下,gO2)=2%濃度ct of particle size on NO reduction小顆粒煤粉比表面積大大增加,而煤粉本身的熱阻V凵中國煤化工首水媒漿濃度的降低卻減小,因而在加熱時(shí),水煤漿氣流的溫升速度較而CNMHG分再燃效果增加快,顆粒中心在整個(gè)過(guò)程平均溫度較高,能迅速達另外揮發(fā)分含量相同,含氮量高的再燃效果要高一些到終溫,揮發(fā)分能夠更快地析出。同時(shí),小顆粒煤(2)再燃區的反應溫度、水煤漿揮發(fā)分成分的第5期孟德潤等:水煤漿揮發(fā)分再燃對NO還原的影響釋放以及再燃反應的影響較大,再燃效果隨反應溫997,76(11):985-993度的增加而升高。[l高正陽(yáng),閻維平,劉忠,再燃過(guò)程再燃煤粉燃料N釋放規律的試驗(3)揮發(fā)分作為再燃燃料時(shí),再燃區煙氣含氧研究[.中國電機工程學(xué)報,2004,24(8):238-242.量的影響最大。再燃效果隨煙氣中含氧量的增加而Gao Zhengyang, Yan Weiping, Liu Zhong Experimental investigationson fuel-N release characteristic of reburn fuel[J]. Proceedings of the降低。CSEE, 2004, 24(8): 238-242(in Chinese(4)制漿原煤粒徑的大小對揮發(fā)分再燃的效果2 Burch TE, Tillman FR, Chen wY. Partitioning of nitrogenous species有影響,隨粒徑的減少再燃效果略有增加,但增加in the fuel-rich stage of rebuming[J]. Energy and Fuels, 1991, 5(2);有限。t13 Miller A J, Bowman C T. Mechanismdeling of nitrogen參考文獻chemistry in combustion(JI. Progress inand CombustionScience,1989,15(4):287-3381! Maly PM, Zamansky V M, Ho L, et al, Alternative fuel reburnin4金晶張忠孝,李瑞陽(yáng).超細煤粉再燃的模擬計算與試驗研究中印].Fuel,1999,78(3):327-33424(10):215-2182] Smoot L D, Hill S C, Xu H. NO, control through reburningjing, Zhang Zhongxiao, Li Ruiyang. Numerical simulatioexperimental study on micronized coal reburning[J]. Proceedings of the3]郭永紅,孫保民,劉彤.褐煤的超細粉再燃中NO2的生成與還原的CSEE,2004,24(10):215-218 (in Chinese)數值模擬U.中國電機工程學(xué)報,2005,25(9):9498[5」劉忠,閣維平,高正陽(yáng)超細煤粉的細度對再燃還原NO的影響J中Guo Yonghong, Sun Baomin, Liu Tong. Numerical simulation of NO,國電機工程學(xué)報,2003,204208.formation and deoxidization with micro-pulverized coal reburninLiu Zhong, Yan Weiping, Gao Zhengyang, et al. The effect of thetechnology for lignite[J]. Proceedings of the CSEE, 2005, 25(9)micro-pulverized coal fineness on nitric oxide reduction by reburning94-98(in Chinese)U]. Proceedings of the CSEE, 2003, 23(10)14]張忠孝,姚向東,烏曉江,氣體再燃低NO排放試驗研究門(mén),中國16 Pershing D W, Wendt JOL. Relative contributions of volatile nitrogen電機工程學(xué)報,2005,25(9):99-102.and char nitrogen to NO, emissions from pulverized coai flamesZhang Zhongxiao, Yao Xiangdong, Wu[] Industrial Engineering Chemistry Process Design andon low NOx emission using gas reburning. Proceedings of theDevelopment, 1979, 18(1): 60-67CSEE, 2005, 25(9): 99-102(in Chinese[I7] Wendt JO L, Pershing D W. Physical mechanisms governing the15]沈伯雄,孫幸福,天然氣先進(jìn)再燃區脫硝效率影響因素的實(shí)驗與模oxidation of volatile fuel nitrogen in pulverized coal names擬研究J.中國電機工程學(xué)報,2005,25(5):146-149[]. Combustion Science and Technology, 1977, 16(1): 111-119Shen Boxiong, Sun Xingfu. Study on the parameters that influence theI18]陳占軍,金晶,樊俊杰.超細煤粉燃燒NO3析出特性試驗J.上海efficiency of DE-NO in advanced natural gas reburning area by理工大學(xué)學(xué)報,2005,27(1):6-perimental and kinetic model[]. Proceedings of the CSEE, 2005Chen Zhanjun, Jin Jing, Fan Junjie, et al. Experimental study on NO,5(5): 146-149(in Chineseelease behavior of superfine pulverized coal[J]. Journal of University[6] Adams B R, Harding N S. Reburning using biomass for NO controlof Shanghai for Science and Technology, 2005, 27(1): 6-10(in247]鄭守忠.煤粉再燃燒技術(shù)中煤焦異相還原高溫煙氣中NO的實(shí)驗和[19] Molina A, Eddings E G, Pershing D w. Nitric oxide destruction during理論研究[D.南京:東南大學(xué),199coal and char oxidation under pulverized-coal combustion conditionsZheng Shouzhong. The experimental and theory research on theU]. Combustion and Flame, 2004, 136(3): 303-312.heterogeneous reduction of No by char in the high temperature flue gas L20閻維平,高正陽(yáng),劉忠.煤粉細度對再燃還原煙氣氮氧化物影響的when pulverized coal rebuming technology is applied [D]. Nanjing實(shí)驗研究①,電力科學(xué)與工程,2003,(2):1-4Southeast University, 1999(in Chinese)Yan Weiping, Gao Zhengyang, Liu Zhong, et al. The effect of the8]鐘北京,傅維標。煤的揮發(fā)分對NOx再燃特性的研究門(mén).燃燒科micro-pulverized coal fineness on nitric oxide reduction by rebuming學(xué)與技術(shù),2000,6(2):185-189U]. Electric Power Science and Engineering, 2003,(2): 1-4(inZhong Beijing, Fu Weibiao. Study on NO reduction during reburningChinese)coal with volatiles[J]. Journal of Combustion Science and Technology2000,6(2):185-189( n Chinese)收稿日期:2006-12089]董若凌,周俊虎,孟德潤.再燃區水煤漿脫硝反應特性的試驗研究作者簡(jiǎn)介門(mén).中國電機工程學(xué)報,2006,26(4}:56-59孟德潤(1979),男,博士研究生,主要從事煤的清潔燃燒、污染Dong Ruoling, Zhou Junhu, Meng Derun. Experimental investigation物排放控制方面的研究,mengden@yahoo.com.cnn NOx reduction performance of coal water slury in the reburning周俊虎(1962一),男,教授,博士生導師,主要從事環(huán)境及能源清zone[J]. Proceedings of the CSEE, 2006, 26(4): 56-59(in Chinese[10] Liu H, Hampartsoumian E, Gibbs B M. Evaluation of the optimal fucl中國煤化工characteristics for efficient NO reduction by coal reburning [J]. FuelCNMHG編輯王慶霞)