先進(jìn)再燃脫硝優(yōu)化試驗(yàn)與機(jī)理研究.pdf

1、我國煤炭資源相對豐富，能源消費(fèi)以煤為主。電力生產(chǎn)以火力發(fā)電為主，發(fā)電用煤占原煤消耗總量的近50﹪。燃煤鍋爐排放的氮氧化物是造成大氣環(huán)境污染的主要物質(zhì)之一。十多年來，我國火電氮氧化物排放總量逐年增加，污染日益嚴(yán)重。我國火電廠用煤種類多，劣質(zhì)煤較多，煤質(zhì)多變?；痣姍C(jī)組容量龐大，鍋爐燃燒方式多樣，不同時(shí)期建設(shè)的機(jī)組NO<,x>控制標(biāo)準(zhǔn)不同。單一低NO<,x>燃燒技術(shù)脫硝效率較低，尚不能滿足控制要求，而煙氣脫硝技術(shù)投資運(yùn)行成本很高，煤灰對SCR

2、．催化劑的影響、以及SCR引起SO<,3>排放增加為采用SCR技術(shù)帶來難以預(yù)料的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)。目前，我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)且成熟的脫硝技術(shù)不多，而燃煤電站煙氣脫硝迫在眉睫，急需成本低廉高效的脫硝技術(shù)。我國已經(jīng)對各種脫硝技術(shù)展開廣泛研究，其中再燃與SNCR．相結(jié)合的先進(jìn)再燃脫硝技術(shù)顯示出成本較低、脫硝效率高的優(yōu)勢，可以成為適合我國國情的可選脫硝技術(shù)之一。 本論文采用理論分析、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模擬、實(shí)驗(yàn)研究等方法對再燃、SNCR和先進(jìn)再燃脫硝

3、特性進(jìn)行系統(tǒng)研究。 (1)采用再燃詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理模擬研究了CH<,4>的再燃反應(yīng)特性，以及C<,2>、C<,3>石油氣、煙煤揮發(fā)分、生物質(zhì)氣、天然氣再燃反應(yīng)特性。搜集創(chuàng)建了碳酸鈉和五羰基鐵反應(yīng)子集，并模擬了碳酸鈉和五羰基鐵對甲烷再燃反應(yīng)的影響，分析了添加劑促進(jìn)NO還原的機(jī)理。發(fā)現(xiàn)添加劑作用效果與降低過量空氣系數(shù)的結(jié)果相似。含鈉與含鐵中間物種的鏈?zhǔn)睫D(zhuǎn)化消耗H，并生成OH，抑制反應(yīng)H+O<,2>=OH+O，從而明顯降低了反應(yīng)氣氛中H、

4、O、OH活性基濃度，抑制CH<,i>與O的反應(yīng)，同時(shí)促進(jìn)了CH<,i>與NO的反應(yīng)。 (2)在模擬研究SNCR過程中氨和尿素脫硝反應(yīng)特性的基礎(chǔ)上，模擬研究了碳酸鈉和乙醇對氨和尿素脫硝反應(yīng)的影響，分析了碳酸鈉和乙醇作用機(jī)理。模擬結(jié)果表明：碳酸鈉能夠拓寬反應(yīng)溫度窗口，降低最佳反應(yīng)溫度而不改變較高溫度下的反應(yīng)特性。碳酸鈉可以降低CO和N<,2>O的排放。乙醇能夠使溫度窗口向低溫方向移動(dòng)，降低最佳反應(yīng)溫度，明顯提高較低溫度下的脫硝效率，

5、但能降低高溫下的脫硝效率。乙醇摻入量增加，N<,2>O生成量也相應(yīng)增加。在較低的溫度下加入乙醇會(huì)導(dǎo)致CO的排放增加。含鈉物種的鏈?zhǔn)睫D(zhuǎn)化和乙醇在較低溫度下熱解氧化反應(yīng)提高了活性基濃度，尤其OH，從而促進(jìn)NH<,3>向NH<,2>轉(zhuǎn)化，提高了氨劑還原效率。 (3)實(shí)驗(yàn)研究了三種典型氣體再燃脫硝特性，并考察了工況參數(shù)和添加劑對氣體再燃脫硝的影響。驗(yàn)證了添加劑對再燃脫硝的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：液化石油氣適宜的再燃溫度1273 K～137

6、3 K，比天然氣低100K～150 K。液化石油氣和天然氣的最佳過量空氣系數(shù)為0.7～0.8。典型再燃條件下液化石油氣和天然氣的脫硝效率達(dá)到73﹪～75﹪。液化石油氣和天然氣隨再燃比增大，脫硝效率逐漸增大，壓縮天然氣由于含有氮化合物，最佳再燃比約為20﹪左右。較低再燃溫度下，氣體再燃停留時(shí)間越長脫硝效率越大。 醋酸鈣、醋酸鈉和碳酸鈉對氣體再燃有促進(jìn)作用。醋酸鈣促進(jìn)效果最好，其次醋酸鈉和碳酸鈉。各類添加劑的促進(jìn)作用對溫度具有選擇性

7、，發(fā)揮作用的最佳溫度為1273K左右。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)氯化鈉和硫酸鐵均對再燃沒有促進(jìn)作用。 (4)實(shí)驗(yàn)研究了四種生物質(zhì)的燃燒特性和再燃脫硝特性。通過實(shí)驗(yàn)找到了生物質(zhì)再燃脫硝適宜的工況參數(shù)：再燃溫度為1223 K～1323 K，再燃比15﹪，再燃過量空氣系數(shù)為0.6～0.8，停留時(shí)間1s左右。典型再燃條件下玉米秸、麥秸、花生殼和楊木屑再燃脫硝效率分別為67.4﹪、62.3﹪、56.4﹪和50.9﹪。實(shí)驗(yàn)條件下初始氮氧化物濃度越高，生物質(zhì)再

8、燃脫硝效率越高。分析生物質(zhì)燃燒特性與再燃脫硝特性之間的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)：燃料著火溫度較低，揮發(fā)燃燒速率大，燃燒溫度低，揮發(fā)分燃燒放熱大，對應(yīng)再燃溫度低，脫硝效果好；反之，再燃溫度較高，脫硝效果相對較差。 (5)在實(shí)驗(yàn)研究氨水和尿素選擇性非催化還原脫硝特性的基礎(chǔ)上，考察了四種添加劑對氨水和尿素脫硝的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了機(jī)理模擬研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：氨水和尿素脫硝的最佳反應(yīng)溫度1273K，二者對應(yīng)的溫度窗口分別為1223K～1340K和12

9、40K～1330K。實(shí)驗(yàn)得到SNCR脫硝適宜的氨氮比為1．5左右，適宜的停留時(shí)間約1s～1.5s。氨氮比一定時(shí)，初始NO<,x>濃度越低SNCR脫硝效率越低。氧濃度對尿素的脫硝性能影響明顯，氧濃度越大尿素的脫硝效率越低，而隨氧濃度增加，氨水的還原能力降低不明顯。 碳酸鈉作為添加劑可以拓寬SNCR溫度窗口，并使其向低溫方相移動(dòng)。煙氣中碳酸鈉濃度為200×10<'-6>時(shí)，氨水脫硝的溫度窗口為1200K～1373K，而尿素脫硝對應(yīng)溫

10、度窗口1200K～1340K。有機(jī)添加劑乙醇、丙三醇和乙酸甲酯在較低溫度下激發(fā)了還原反應(yīng)，提高了低溫下氨劑還原效率，而在溫度窗口附近降低了脫硝效率。碳酸鈉可以減少噴入氨劑引起的CO排放，而有機(jī)添加劑可不同程度地增加CO排放。 (6)實(shí)驗(yàn)研究了SO<,2>對再燃和SNCR過程中NO還原的影響，以及SO<,2>與添加劑的相互作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：SO<,2>對氣體再燃有微弱的促進(jìn)作用，能降低添加劑對再燃的促進(jìn)作用。SO<,2>能夠降

11、低氨劑的還原效率，并較明顯地降低碳酸鈉和醋酸鈣等鹽類添加劑的促進(jìn)作用。碳酸鈉、醋酸鈉、醋酸鈣等鹽類在再燃、SNCR過程中促進(jìn)脫硝反應(yīng)的同時(shí)，可以起到固硫作用。 (7)實(shí)驗(yàn)研究了不同氣體和生物質(zhì)的先進(jìn)再燃脫硝特性，包括先進(jìn)再燃方式、再燃比、溫度、添加劑，氨劑等工況參數(shù)對脫硝效率的影響。典型氣體先進(jìn)再燃脫硝效率：AR-lcan方式：82﹪～89﹪，碳酸鈉促進(jìn)作用下達(dá)到83﹪～90﹪；AR-rich方式：75﹪～80﹪，醋酸鈉作用下最

12、大脫硝效率達(dá)到77﹪～86﹪。AR-lean十SNCR和AR-rich+SNCR方式的最大脫硝效率達(dá)到90﹪以上。典型生物質(zhì)先進(jìn)再燃(AR-lean)脫硝效率為60﹪～81﹪，碳酸鈉作用下效率達(dá)到77﹪～85﹪。生物質(zhì)先進(jìn)再燃AR-lean+SNCR萬式下脫硝效率為81﹪～92﹪。 (8)在實(shí)驗(yàn)研究氣體和生物質(zhì)先進(jìn)再燃脫硝特性的基礎(chǔ)上，分析了先進(jìn)再燃過程中的協(xié)同反應(yīng)特性。對于AR-rich方式：再燃區(qū)噴入氨水的促進(jìn)作用明顯優(yōu)于尿

13、素，氨水噴入最佳溫度在1200K左右，而尿素噴入的最佳溫度1273K左右，碳酸鈉、醋酸鈉、醋酸鈣發(fā)揮作用的最佳溫度為1273K。對于AR-lean方式：氨劑及添加劑從燃盡風(fēng)后延遲時(shí)間越長噴入其脫硝效率越高，噴入氨劑的有效反應(yīng)溫度符合SNCR溫度窗口，碳酸鈉作用規(guī)律與SNCR過程中的作用規(guī)律相似，對氨水促進(jìn)作用比對尿素的明顯，在偏離最佳溫度時(shí)，尤其低于最佳反應(yīng)溫度，碳酸鈉具有明顯的促進(jìn)作用。乙醇對氨水和尿素還原性能均有不同程度的削弱作用，

14、并不同程度地增加CO排放。 (9)先進(jìn)再燃過程中的效率分配特性。對于AR-lean方式，基本再燃的脫硝效率對氨劑的還原效率影響較明顯，較高的再燃脫硝效率會(huì)降低下游氨劑的還原效率。多級噴入氨劑可以獲得更高的還原效率，添加劑對多級噴入氨劑促進(jìn)作用微弱。燃盡區(qū)多級噴入氨水的脫硝效果優(yōu)于尿素的。先進(jìn)再燃過程中氨劑與再燃的脫硝效率具有一定的協(xié)同性，即基本再燃脫硝效率較高時(shí)，氨劑脫硝效率偏低；而基本再燃脫硝效率較低時(shí)，氨劑的脫硝效率較高，添

15、加劑(生物質(zhì)灰)在氨劑脫硝中發(fā)揮了重要的促進(jìn)作用，從而使先進(jìn)再燃保持較高的脫硝效率。 (10)采用平推流反應(yīng)器及其串聯(lián)模型，根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件對SNCR、再燃、先進(jìn)再燃的典型工況進(jìn)行機(jī)理模擬，對比分析了模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果。SNCR模型可為試驗(yàn)研究和實(shí)際脫硝參數(shù)優(yōu)化提供指導(dǎo)，氨劑與主煙氣混合對脫硝效率有重要影響，實(shí)際氨劑溶液脫硝的窗口溫度比氣相反應(yīng)模擬或煙氣模擬實(shí)驗(yàn)所得的窗口溫度高。SNCR模擬添加劑的增效作用與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。再燃燃料

16、、燃盡風(fēng)與煙氣的混合過程以及溫度對再燃反應(yīng)過程影響較大，簡單的平推流反應(yīng)器模型不足于解決真實(shí)燃燒氣氛下帶有強(qiáng)烈混合的再燃脫硝過程。排除溫度和混合過程的影響，模型對停留時(shí)間、過量空氣系數(shù)以及添加劑的作用預(yù)測都與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。模擬典型工況下的先進(jìn)再燃過程表明，其脫硝效率可以超過90﹪，但需要優(yōu)化再燃、SNCR以及添加劑的協(xié)同反應(yīng)條件。模擬結(jié)果表明：碳酸鈉對氨水脫硝的促進(jìn)作用比對尿素的明顯，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。 本研究為完善先進(jìn)再燃脫硝技