先進再燃脫硝優(yōu)化試驗與機理研究.pdf

1、我國煤炭資源相對豐富，能源消費以煤為主。電力生產以火力發(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，污染日益嚴重。我國火電廠用煤種類多，劣質煤較多，煤質多變?；痣姍C組容量龐大，鍋爐燃燒方式多樣，不同時期建設的機組NO<,x>控制標準不同。單一低NO<,x>燃燒技術脫硝效率較低，尚不能滿足控制要求，而煙氣脫硝技術投資運行成本很高，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技術帶來難以預料的風險和挑戰(zhàn)。目前，我國擁有自主知識產權且成熟的脫硝技術不多，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。我國已經對各種脫硝技術展開廣泛研究，其中再燃與SNCR．相結合的先進再燃脫硝技術顯示出成本較低、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之一。 本論文采用理論分析、反應動力學模擬、實驗研究等方法對再燃、SNCR和先進再燃脫硝

3、特性進行系統研究。 (1)采用再燃詳細反應機理模擬研究了CH<,4>的再燃反應特性，以及C<,2>、C<,3>石油氣、煙煤揮發(fā)分、生物質氣、天然氣再燃反應特性。搜集創(chuàng)建了碳酸鈉和五羰基鐵反應子集，并模擬了碳酸鈉和五羰基鐵對甲烷再燃反應的影響，分析了添加劑促進NO還原的機理。發(fā)現添加劑作用效果與降低過量空氣系數的結果相似。含鈉與含鐵中間物種的鏈式轉化消耗H，并生成OH，抑制反應H+O<,2>=OH+O，從而明顯降低了反應氣氛中H、

4、O、OH活性基濃度，抑制CH<,i>與O的反應，同時促進了CH<,i>與NO的反應。 (2)在模擬研究SNCR過程中氨和尿素脫硝反應特性的基礎上，模擬研究了碳酸鈉和乙醇對氨和尿素脫硝反應的影響，分析了碳酸鈉和乙醇作用機理。模擬結果表明：碳酸鈉能夠拓寬反應溫度窗口，降低最佳反應溫度而不改變較高溫度下的反應特性。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，降低最佳反應溫度，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生成量也相應增加。在較低的溫度下加入乙醇會導致CO的排放增加。含鈉物種的鏈式轉化和乙醇在較低溫度下熱解氧化反應提高了活性基濃度，尤其OH，從而促進NH<,3>向NH<,2>轉化，提高了氨劑還原效率。 (3)實驗研究了三種典型氣體再燃脫硝特性，并考察了工況參數和添加劑對氣體再燃脫硝的影響。驗證了添加劑對再燃脫硝的影響。實驗結果表明：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作用。醋酸鈣促進效果最好，其次醋酸鈉和碳酸鈉。各類添加劑的促進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。實驗發(fā)現氯化鈉和硫酸鐵均對再燃沒有促進作用。 (4)實驗研究了四種生物質的燃燒特性和再燃脫硝特性。通過實驗找到了生物質再燃脫硝適宜的工況參數：再燃溫度為1223 K～1323 K，再燃比15﹪，再燃過量空氣系數為0.6～0.8，停留時間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﹪。實驗條件下初始氮氧化物濃度越高，生物質再

8、燃脫硝效率越高。分析生物質燃燒特性與再燃脫硝特性之間的相關性發(fā)現：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)在實驗研究氨水和尿素選擇性非催化還原脫硝特性的基礎上，考察了四種添加劑對氨水和尿素脫硝的影響，實驗結果驗證了機理模擬研究。實驗結果表明：氨水和尿素脫硝的最佳反應溫度1273K，二者對應的溫度窗口分別為1223K～1340K和12

9、40K～1330K。實驗得到SNCR脫硝適宜的氨氮比為1．5左右，適宜的停留時間約1s～1.5s。氨氮比一定時，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。煙氣中碳酸鈉濃度為200×10<'-6>時，氨水脫硝的溫度窗口為1200K～1373K，而尿素脫硝對應溫

10、度窗口1200K～1340K。有機添加劑乙醇、丙三醇和乙酸甲酯在較低溫度下激發(fā)了還原反應，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，而有機添加劑可不同程度地增加CO排放。 (6)實驗研究了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。實驗結果表明：SO<,2>對氣體再燃有微弱的促進作用，能降低添加劑對再燃的促進作用。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作用。碳酸鈉、醋酸鈉、醋酸鈣等鹽類在再燃、SNCR過程中促進脫硝反應的同時，可以起到固硫作用。 (7)實驗研究了不同氣體和生物質的先進再燃脫硝特性，包括先進再燃方式、再燃比、溫度、添加劑，氨劑等工況參數對脫硝效率的影響。典型氣體先進再燃脫硝效率：AR-lcan方式：82﹪～89﹪，碳酸鈉促進作用下達到83﹪～90﹪；AR-rich方式：75﹪～80﹪，醋酸鈉作用下最

12、大脫硝效率達到77﹪～86﹪。AR-lean十SNCR和AR-rich+SNCR方式的最大脫硝效率達到90﹪以上。典型生物質先進再燃(AR-lean)脫硝效率為60﹪～81﹪，碳酸鈉作用下效率達到77﹪～85﹪。生物質先進再燃AR-lean+SNCR萬式下脫硝效率為81﹪～92﹪。 (8)在實驗研究氣體和生物質先進再燃脫硝特性的基礎上，分析了先進再燃過程中的協同反應特性。對于AR-rich方式：再燃區(qū)噴入氨水的促進作用明顯優(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后延遲時間越長噴入其脫硝效率越高，噴入氨劑的有效反應溫度符合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，對氨水促進作用比對尿素的明顯，在偏離最佳溫度時，尤其低于最佳反應溫度，碳酸鈉具有明顯的促進作用。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。先進再燃過程中氨劑與再燃的脫硝效率具有一定的協同性，即基本再燃脫硝效率較高時，氨劑脫硝效率偏低；而基本再燃脫硝效率較低時，氨劑的脫硝效率較高，添

15、加劑(生物質灰)在氨劑脫硝中發(fā)揮了重要的促進作用，從而使先進再燃保持較高的脫硝效率。 (10)采用平推流反應器及其串聯模型，根據實驗條件對SNCR、再燃、先進再燃的典型工況進行機理模擬，對比分析了模擬結果與實驗結果。SNCR模型可為試驗研究和實際脫硝參數優(yōu)化提供指導，氨劑與主煙氣混合對脫硝效率有重要影響，實際氨劑溶液脫硝的窗口溫度比氣相反應模擬或煙氣模擬實驗所得的窗口溫度高。SNCR模擬添加劑的增效作用與實驗結果相符。再燃燃料

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