第28卷第5期中國電機(jī)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中圖分類號:TK16文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A學(xué)科分類號: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(wèi)娟,周志軍,劉建忠,岑可法(能源清潔利用國家重點實驗室(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reburning fuel. Influences of volatile reburning on NO驗和數(shù)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(yīng)原理都是由均相還原反應(yīng)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(yīng)兩部分組成。均相反應(yīng)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(yīng),燃料中的氮,在還原性CO2,O2, NO and Ar. The result show the no reduction ratio is氣氛下通過反應(yīng)NH+NO→Nz增強(qiáng)均相還原作用closely correlated with parent coal rank. For coals contain異相反應(yīng)主要是NO吸在焦炭的內(nèi)外表面,與焦炭的equivalent volatile matter content, the more high nitrogen內(nèi)外表面發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。再燃區(qū)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出時間會在10ms左右,如果停留時間過短,揮發(fā)分burning zone temperature; Oxygen concentration of flue gas的析出將在焦表面形成一個氣膜,阻礙NO與焦異相oncentration increasing No reduction ratio decrease反應(yīng)的進(jìn)行,這樣,揮發(fā)分還原NO的均相反應(yīng)就significantly; No reduction ratio finitely increase when small具有重要貢獻(xiàn)。目前對影響水煤漿再燃和揮發(fā)分還particle size used原NO2實驗的研究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(qū)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程中均相還原反應(yīng)效果的影響因1實驗裝置簡介素,在固定床反應(yīng)器上,利用合成煙氣模擬再燃區(qū)環(huán)境,對不同煤種的水煤漿,在不同的濃度、再燃區(qū)溫度、氧氣濃度實驗中用到的實驗裝置如圖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。實驗結(jié)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)分的再燃效果隨著水煤漿濃度的降低而升高,隨著通進(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(nèi)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(qū)反應(yīng)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)過混氣系統(tǒng)通入其分的釋放以及再燃反應(yīng)。揮發(fā)分作為再燃燃料時,再燃區(qū)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(tǒng)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(nèi)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倒流。電爐加熱到預(yù)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,熱解出來的揮發(fā)分再燃是國內(nèi)外目前廣泛應(yīng)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(dǎo)致?lián)]發(fā)分中含N基團(tuán)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(qiáng)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(dǎo)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)分再燃脫銷率升高。主要圖1實驗裝置圖原因如下:①水分先汽化為水蒸汽,水蒸汽的析出Fig. 1 Experimental sy會打開封閉的孔隙,焦炭的表面積和孔容積變大,再燃反應(yīng)。煙氣第2根陶瓷管穩(wěn)留時有助于減小揮發(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(yīng)生成另外的在實驗前,系統(tǒng)流通管路用模5mn還原物CO和H2,促進(jìn)均相反應(yīng)的進(jìn)行,降低NO吹掃,待煙氣分析儀顯示參數(shù)穩(wěn)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(yīng)器高溫段,。實OH自由基,加速環(huán)狀大分子結(jié)構(gòu)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、陽泉煤,臺山煤制成,其中100%CH的釋放量。同時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(yīng),使得HCN快速轉(zhuǎn)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(yīng)1213,降低NO的排放,提高再燃效果,因?qū)嶒炛心M主燃區(qū)來流煙氣組成為: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)行在線監(jiān)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%,由于實驗中NO2數(shù)量較少,故只考慮NO陽泉煤表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(qū)溫度的影響4202從圖3中可以看出在gO2)=2%濃度下,隨著煤種業(yè)分析w溫度的增加,揮發(fā)分再燃效果增加,這主要是因為隨著溫度的升高,一方面,揮發(fā)分的數(shù)量增加,同20.74B煤2.8824.7845.02時大分子碳?xì)浠衔锓纸馍蒀H基,使得揮發(fā)分179790770.74臺山的還原性增強(qiáng)。隨著溫度的提高,HCN和NH3的20744.251091131621645350釋放量均增加4,在還原性氣氛下,隨著還原性物質(zhì)的增加,還原反應(yīng)能夠充分進(jìn)行,再燃效果提高2試驗結(jié)果與分析另一方面,從化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)角度來說,在一定范2.1煤種及水煤漿濃度的影響圍內(nèi),溫度的升高將會促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行,由于再燃從圖2中可以看出在1000℃、g(O2)=2%濃過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(qiáng),即隨著煤NO應(yīng)進(jìn)行的紐癥_因此再燃區(qū)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(shù)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。另外陽泉與臺山的揮發(fā)分含量接近,陽泉水煤漿兩個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(jī)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,含量升長廣煤■陽泉煤高。另外由于反應(yīng)比表面積增大,焦與水蒸汽發(fā)生的反應(yīng)速度變快,可以生成更多的CO和H2。而當(dāng)顆粒較大時,在熱解過程中升溫速率相對較慢,顆粒內(nèi)部可能存在一定的溫度梯度,熱解的發(fā)生和揮發(fā)分的形成都沒有小顆粒迅速。另外靠近大顆粒中心再燃區(qū)溫度/℃處產(chǎn)生的熱解的初始產(chǎn)物有相當(dāng)一部分在顆粒內(nèi)部圖3再燃區(qū)溫度的影響Fig 3 Effect of reburning zone temperature向外的擴(kuò)散過程中,可能在固相表面再次凝聚或聚on no reduction合等二次反應(yīng)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(nèi)部擴(kuò)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(yīng)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(xì)煤粉制成的水煤漿。最為顯著,隨著煙氣中含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(dāng)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(dāng)10%定CH基濃度的情況下,NO的還原反應(yīng)才會順利15%的煤粉脫揮發(fā)分后,揮發(fā)分氮才開始釋放617進(jìn)行,當(dāng)煙氣中的O2含量增加時,揮發(fā)分中的CH1由于顆粒的細(xì)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(yīng),不易于保持一定的CH發(fā)分析出的速率提高,這就意味著燃料中會有更多基濃度,因而與NO發(fā)生還原反應(yīng)的部分減少。另的含氮的官能團(tuán)參加析出揮發(fā)分的反應(yīng),而生成較方面再燃過程中NO和CH反應(yīng)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減少。揮發(fā)分中氮反應(yīng):HCN+OH→HOCN+H,HCN+OH→HNCO+H,化物進(jìn)行氧化反應(yīng)所需的活化能較低,其中的氮化HCN+O→NCO+H,HCNO→NH+CO,一旦反應(yīng)物迅速與氧氣反應(yīng),當(dāng)氧氣濃度較高時,會有更多完成,其含氮氧化產(chǎn)物將快速轉(zhuǎn)化為氮原子2。當(dāng)?shù)腘O生成,使得NO的生成量短時間內(nèi)急劇增煙氣中O2濃度較高時,大部分氮原子接下來不是與加8,所以細(xì)顆粒水煤漿的脫硝率并沒有提高很NO發(fā)生還原反應(yīng)生成N2,而是被重新氧化為NO,多。但煤粉顆粒越細(xì)小,制粉的電能將顯著增加∞,造成了NO還原率的下降因此制漿時要綜合考慮再燃效果和磨粉成本,合理長廣煤選擇煤粉細(xì)度。臺山煤煙氣中氧濃度隔下,隨著神華煤粒徑的減小,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,水煤漿氣流的溫升速度較而CNMHG分再燃效果增加快,顆粒中心在整個過程平均溫度較高,能迅速達(dá)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,小顆粒煤(2)再燃區(qū)的反應(yīng)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(yīng)的影響較大,再燃效果隨反應(yīng)溫997,76(11):985-993度的增加而升高。[l高正陽,閻維平,劉忠,再燃過程再燃煤粉燃料N釋放規(guī)律的試驗(3)揮發(fā)分作為再燃燃料時,再燃區(qū)煙氣含氧研究[.中國電機(jī)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]. 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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(dǎo)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)