煤和煤焦還原NO的實(shí)驗研究

第21卷第3期工程熱物理學(xué)報Vol.21, No.32000年5月JOUR.NAL OF ENGINEERING THERMOPHYSICSMay, 2000煤和煤焦還原NO的實(shí)驗研究鐘北京施衛偉傅維標(清華大學(xué)工程力學(xué)系，北京 10084 )摘要本文報告了在NO初始濃度為1000x 10-6、不同的反應區溫度和化學(xué)當量比的條件下，不同煤粉及其煤焦對NO還原的實(shí)驗結果.實(shí)驗結果表明，NO 的還原率不僅取決于反應區的化學(xué)當量比和反應溫度,而且更重要的是取決于再燃燃料的性質(zhì)、以及再燃燃料中金屬氧化物的含量。煤粉作為再燃燃料還原NO時(shí)，煤焦的異相機理起主要作用.關(guān)鍵詞.煤和煤焦; NO 還原;化學(xué)當量比中圖分類(lèi)號: TK16文獻標識碼: A文章 編號: 0253-231X(2000)03- 0383-051前言煤炭的直接燃燒是我國大氣中氮氧化物NOx的主要來(lái)源，因此，掌握低NO的煤燃燒技術(shù)是我們面臨的迫切需要解決的問(wèn)題.燃料再燃[川是低NOz燃燒技術(shù)的-種,是控制污染物NOx排放的重要途徑之- - 。當選擇合適的再燃燃料時(shí),再燃技術(shù)能大幅度降低NO.的排放量。再燃燒法的特點(diǎn)是,將爐內燃料的燃燒分成三個(gè)區域:主燃燒區、 再燃區和燃盡區。在再燃區化學(xué)當量比小于1.0,形成還原性氣氛。在這種條件下再燃燃料與主燃燒區形成的NO:反應,使部分或大部分NO.還原成N2,從而實(shí)現低NOz排放。一般研究者認為，再燃燃料選用易燃氣體較為理想，但最近的研究表明(2.3), 褐煤也是一種理想的再燃燃料。本文的目的就是利用褐煤、煙煤及其它們的煤焦作為再燃燃料,通過(guò)實(shí)驗研究影響NOz還原過(guò)程和還原率的因素。2實(shí)驗裝置實(shí)驗是在一維沉降爐中 完成的,其系統如圖1所示，該實(shí)驗裝置主要包括:反應器、電加熱系統、供粉系統、氣路系統、冷卻系統、溫度測試及顯示系統、煙氣取樣及分析系統等幾部分組成[4。反應區所要求的溫度水平及溫度分布通過(guò)電加熱系統來(lái)控制，實(shí)驗所需的含一定 NO濃度的模擬煙氣經(jīng)預熱器后送入反應器，然后作為再燃燃料的煤粉及煤焦經(jīng)給粉器按實(shí)驗要求送入，使其與NO發(fā)生還原反應，最后在反應區出口，用電腦煙氣分析儀測定排氣中NO濃度的變化。3實(shí)驗結果及分析3.1再燃燃料性 質(zhì)對還原效率的影響中國煤化工圖2和圖3給出了NO初始濃度為1000,MYHCNMHG為900°C和11009C實(shí)驗條件下，不同再燃燃料對NO還原的效果隨反應區化學(xué)當量比(SR)的變化。由圖收稿日期: 1999-05-16; 修訂日期: 2000-01-07基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(No.59606011)作者簡(jiǎn)企鐘北高(1963-),男，江西瑞金人，副教授，博士,主要從事有機燃料清潔燃燒理論和燃燒技術(shù)的研究384I程熱物理學(xué)報21卷~8-12,17~11~18 !1、3中中中中中1314' 15’ 16'圖1實(shí)驗系統示意 圖.1氮氣瓶，2空氣壓縮機，3流量計，4 NO氣瓶，5空氣預熱器，6調壓器,7. 上水管，8供粉器，g供粉管，10取樣管，11加熱爐， 12熱電偶，13下水管，14 姻氣分析儀，15 電位器，16 直流電源，17 琴鍵開(kāi)關(guān)，18 硅碳棒中可以清楚地看出，不同的再燃燃料在相同的實(shí)驗工況下，N0 的還原率差別很大.使用小龍潭褐煤及褐煤焦時(shí)，NO 的還原率很高，而使用大同煙煤和煤焦時(shí)，NO 的還原率較低。圖4是根據圖2整理出來(lái)的使用六種再燃燃料時(shí)NO的還原率隨反應區化學(xué)當量比(SR)的變化。在化學(xué)當量比SR= 0.6~ 1.0范圍內，褐煤、褐煤焦對NO的還原能力明顯高于大同煙煤和煙煤焦,而在褐煤中小龍潭褐煤、褐煤焦的還原能力又高于富拉爾基褐煤、褐煤焦。造成這種差別的原因主要有以下幾方面:首先,煤粉揮發(fā)份是NO均相還原的主要組分,揮發(fā)份越高,在缺氧條件下越有利于NO的還原。褐煤的揮發(fā)份比煙煤含量高，如小龍潭褐煤的揮發(fā)份百分含量為35.33%,富拉爾基為32.58%，而大同煙煤僅為26.49%。1000初始NO濃度: 1000X10*反應溫度: 900C小龍潭褐煤800反應時(shí)間:0.4秒小龍潭褐煤焦600.高拉爾基褐煤中國煤化工行送400基褐煤焦MYHCNMHC同姻煤200大同煙煤焦0+0.50.60.70.80.91.1再燃區化學(xué)當量比圖2不同化學(xué)當量比下NO還原的實(shí)驗結果3期鐘北京等:煤和煤焦還原NO的實(shí)驗研究3851000.初始NO濃度: 100010~*反應溫度: 1100C小龍潭褐煤800 -反應時(shí)間: 0.4秒小龍潭褐煤焦三600富拉爾基褐煤聯(lián)400盲拉爾基褐煤焦會(huì )大同煙煤200.大同煙煤麃0.60.70.8091.01.1再燃區化學(xué)當量比圖3不同化學(xué)當量比下NO還原的實(shí)驗結果其次，煤焦比表面積是影響NO異相還原的主要因素。根據煤焦與NO異相反應的速率方程: V=kS.PNo， 可知，在其它條件相同的情況下，比表面積S越大，NO還原反應速率V越大。在我們使用的三種煤焦中，其比表面積分別為:小龍潭褐煤焦為69.68 m2/g，富拉爾基褐煤焦為52.45 m2/g，大同煙煤焦為22.68 m2/g.第三，煤灰中金屬氧化物對NO的還原反應具有催化作用。煤灰中金屬氧化物可以降低NO異相反應的活化能，加快NO還原反應的速度。根據三種煤的元素分析及工業(yè)分析數據，小龍潭褐煤的金屬氧化物含量最高，其次是富拉爾基褐煤，大同煙煤的含量最低。有關(guān)NO催化還原的更詳細的研究參見(jiàn)文獻[5]。上述三種因素的聯(lián)合作用，導致了小龍潭褐煤及煤焦具有最好的NO還原能力，而大同煙煤和煤焦對NO的還原能力最差。下面具體討論一下 異相機理對NO還原所起的作用。分析圖4,當化學(xué)當量比SR=0.8時(shí),小龍潭褐煤還原NO效率為86.9%，小龍潭褐煤焦為85.0%。所以,在小龍潭褐煤還原NO反應中,褐煤焦的異相反應起了重要作用，異相反應的還原率占總還原率的45.78%，同樣，在SR=0.7時(shí)，異相反應的還原率占總還原率的47.29%，SR=0.9時(shí)，為48.20%。對富拉爾基褐煤及其煤焦的分析可以得出類(lèi)似的結果。所以，褐煤作為再燃燃料時(shí)，異相機理對NO的還原起了重要的作用。10080.芬60-40 -中國煤化工爾基褐煤焦20.反應溫度: 900CYHCNMHG可煙煤反應時(shí)間:0.4秒初始NO濃度: 1000X10“大同煙煤焦0.50.6 .圖4NO還原率隨反應區化學(xué)當量比的變化工程熱物理學(xué)報21卷3.2再燃區化學(xué)當量 t比對NO還原效率的影響從圖2~4中可以清楚地看出，對于所有的再燃燃料，NO的還原率都強烈地依賴(lài)于再燃區的化學(xué)當量比，NO 的還原反應只有在貧氧條件下才能有效地發(fā)生。因為只有在貧氧條件~下,才能保證還原組分(如HCN, NH3等氣相組分和焦碳C)與NO反應，且SR越小，越有利于NO的還原。在富氧情況下，上述還原組分首先搶奪氧氣，而不易與NO反應，因為前者反應速度比后者大得多。由于這些原因，導致了實(shí)驗中得到的NO還原率與SR的關(guān)系。即為: NO 的還原率隨SR的減小而明顯增大，其中在SR從0.7~ 1.0的范圍內還原效率受SR的影響很大。3.3反應區溫度對還原效率的影響為了保證還原反應正常進(jìn)行,需要一定的反應溫度。溫度越高,反應停留時(shí)間越長(cháng),則還原反應越充分，NO的還原率越高。下面以小龍潭褐煤作為再燃燃料來(lái)分析反應溫度對NO還原率的影響。圖5給出了初始NO濃度是1000x10-6、用小龍潭褐煤作為再燃燃料時(shí)，反應溫度對NO還原率影響的曲線(xiàn)。從圖中可以看到，在相同的反應區化學(xué)當量比條件下，反應溫度為1100°C 時(shí)NO還原率大于900°C時(shí)NO還原率,這是因為，反應溫度越高，越有利于還原NO反應的進(jìn)行。所以，在工業(yè)實(shí)際中,在條件允許的情況下，應盡量提高再燃區中的反應溫度。100806040初始NO濃度: 1000X10~620.反應溫度T= 900C●反應溫度T =110000.50.60.70.91.01.1再燃區化學(xué)當量比圖5反應溫度對 NO還原率的影響(再燃燃料為小龍潭褐煤}4結論從以上的分析討論中可以得到以下結論:(1)在煤粉作為再燃燃料時(shí),褐煤對NO的還原能力明顯強干煙煤，且煤焦的異相還原機理也起了重要的作用。中國煤化工(2)煤的揮發(fā)份、煤焦的比表面積和燒FHCNMHG量都對NO的還原具有重要的影響。煤粉揮發(fā)份越高、煤焦比表面積越大、煤灰中金屬氧化物含量越多，則對NO的還原能力越強。(3)在NO還原反應中，再燃區化學(xué)當量比和溫度對.o的還原率也起著(zhù)決定性的作用。S月越史據 溫度越高，越有利于NO還原反應的進(jìn)行。3期鐘北京等:煤和煤焦還原NO的實(shí)驗研究387參考文獻[1]趙惠富.污染氣體NO的形成和控制，北京:科學(xué)出版社， 19932] Burch T E, TllmanF R, Chen w Y et al. Partitioning of Nitrogenous Species in the Fuel-Rich Stageof Reburning. Energy & Fuel, 1991, 5: 231- -237[3] Chen w Y, Ma Long. Efect of Heterogeneous Mechanisms During Reburning of Nitrogen Oxide.AIChE Journal, 1996, 42(7): 1968- -1975[4] 施衛偉.煤和煤焦還原NOz的實(shí)驗研究， [碩士論文].北京:清華大學(xué)工程力學(xué)系， 1999[5] 鐘北京，施衛偉,傅維標催化劑對NO還原率的影響.見(jiàn):中國工程熱物理學(xué)會(huì )燃燒學(xué)學(xué)術(shù)會(huì )議論文集，北京: 1999. V39-44EXPERIM ENTAL STUDY OF NO REDUCTIONWITH COAL AND CHARZHONG Beijing SHI Weiwei FU Weibiao(Engineering Mechanics Department, Tsinghua Uiniversity, Bejing 100084, China}A bstractThis paper has reported experimental results of NO reduction with coals andchars in conditions of initial NO concentrati中國煤化工reaction temperatureand stoichiometric ratio. Experimental resultYHCN M H Ging fciencg not onlyrest with reaction temperature and stoichiometric ratio in reburing zone, further more withproperties of fuels and the content of metal oxides. The heterogeneous mechanisms may bea main contribution to NO reduction using coals as reburning fuel.Key words, coals and chars; NO reduction; stoichiometric ratio