燃煤流化床中N2O排放控制的研究.pdf

第卷第期 年月 东南大学学报 燃煤流化床中 排放控制的研究 苏适沈湘林杨林军 东南大学热能 工程研究所 , 南京 要 介绍了一 台能连续运行的小型常压城煤 流化床试脸装里 , 其输入 功率为 提出 了控制然煤流化床 中必排放的种方法 , 并进行了相应 的实验研究及分 摘 析 关键词 煤 氧化亚氮流化床 中图法分类号 燃料燃烧过程中产生的 能消耗同温层的臭氧 , 吸 收红外辐射 , 其吸收能力为 的 倍以上 , 是造成温室效应的主要物质之一 〔 ’〕 大气中 浓度增加主要原因是化石燃料的燃烧 在化石燃料燃烧中 , 煤占 , 而温度 较低的燃煤流化床中 排放量最高 , 大大高于粉煤 、 液体燃料燃烧中的 一 及气 体燃料燃烧中的 一 但是 , 流化床燃烧技术因其能燃用劣质煤 、 效率高及排放 、、 、 低等 优点在工业中得到广泛的应用 因此 , 研究燃煤流化床中 排放控制 的理论与技术有着重 要 的意义 本文就 控制燃煤流化床中 排放提出了种控制方 法 , 并进行了相应的实验研究 实验方法 实验装置 根据实验需要 , 研制了一台能连续工作的小型常压燃煤流化 床装置 , 输入功率为 一 , 试验装置的简图如图所示 流 切 化床燃烧室为一根内径 的不锈钢管 , 其上布有若干小孔 , 分 别用 于排渣 、 取样 、 测 温 及添加次 级燃料等 床层高 度为 , 悬浮段高度为 用可防尘的不锈钢探针从 自由空 间抽取的样气经陶瓷过滤器再通过电加热保温的 软管再经 取样泵 , 进入样气处理装置 , 接着进入 、 、 、 、 、 和 连续分析仪 该装置的主要优点有 热输入小 , 每小 时燃 煤量 左 右 能连续工作运行 操作灵活性强 , 启动简单 温度 、 气体成份的分析测量均为在线分析 撬 ’’ 淡淡淡 半 图 试验装笠简 图 收稿日期 一 一 , 修改稿收到日期 一 一 第期苏 适等 燃煤流化床 中 排波撞制的研究 物料 实验研究中燃用烟煤和无烟煤 , 煤质分析如附表所示 煤的平 均粒径 为 一 床料采用河砂 , 主要成分为 , 平均粒径为 附表煤质分析 元素分析写 工业分析 煤种 , 乱 一 烟 摸 无烟煤 结果及分析 理论依据 等 和 等川分别对燃煤中和 预混 火焰中的 形 成与还原机理作 了研 究 , 结果证明 , 还原的最重要的反应为 护 该基元反应的正向反应速度常数〔 ‘ ’ 场 , 一 ‘, 一“ 脚, 丫 , 属 于二级反应 , 故 其正 向反应速度为 〕 ‘ 〔 〕 〕 一 这里 , 〔 〕 、 〔 」 分别为 和自由基 的摩尔浓度 为通用气体常数 为 为反应温度 从式 可见 , 为了促进 还原 , 即提高反应 的正向反应速度 , 可以采取两 种方法 提高燃气中 基浓度和增加燃气温度 实施这两种方法具体工艺过程为 向 自由空 间添加次级燃料来提高自由基 的浓度 ’ 在自由空间建立一高温区 , 以促进 的还原 在 自由空间内添加次级燃料的试验结果 从图 所示孔 处注入少量的乙炔气作为次级燃料 , 这样在自由空间形成一个 还原 区 由于所注入的乙炔气量很小 , 故不考虑乙炔 气对原燃煤燃气的稀释作用 图 给 出了乙炔 气添加量与烟气内主要成份排放浓度的关系 从图可见 , 随乙炔气添加量增加 , 的排放浓 度明显降低 , 排放浓度也明显减少 当向自由空间添加次级燃料时 , 在直接增高 基浓度 的同时消耗了自由空间中燃气 内 等人 指出燃气中含氧量减少 , 燃气 内 基浓 度就增加 从式 可见 , 当 基浓度提高时 , 就提高了反应 速度 , 促进了 还原反应 添 加到 自由空间中 还原 、 的过程见文献」 综上所述 , 若应用到工业规模的燃煤流化床设备中 , 注入的次级燃料可选用不含燃料氮的 天然气 、 液化石 油气等碳氢燃料 当然 , 还要继续研究添加量与烟气中氧含量等相关问题 由图 可知 , 添加次级燃料时 , 浓度没有发生明显的变化 , 表明次级燃料对 排放无 不利影响 这是因为次级燃料只是降低自由空间燃气中的氧含量 , 床层内氧含量不会改变 , 对 加石灰石脱硫也不会有不利影响 , 即不会影响反应 东 南 大 学学 报 第卷 CaO5002/2一CaS O 、 3 2 . 3 在自由空间建立高温区 的试验结果 对床温影响 N 20 排放量的研 究表明 , 床温增高 , N 2 0 排放浓度减小 , 但N o 、 排放 浓度增 加 , 同时过高的床温不利于 石灰石 脱硫 , 易结焦 . 再考虑流化床燃烧固有的 特性 低温燃烧特性 , 因此 , 依靠提高 床温来降低 N20 排放量是 不可取的 . 比较 理想的措施是在自由空间建一高温区来 促进 N 20 还原 .从 图 1所示的孔2处 注入 乙炔气作为建立高温区的辅助燃料 , 其燃 烧所需的空气从燃烧室顶 部一不锈钢导 管 引入.这样 , 在维持床温 85 0 C 、 床层 内 a 为 1.25 时 , 辅燃使 自由空间温度 T , 在 80 0 厂 卜 4〔 匕 弓川 { ;亏J、 币 州 叨 9’ l 1 0一 丫 , 气 †Z O 9一 入 ƒ„Z ▲ NZo , △ N O , , 口 。 , . 50 , 甲 T, 自由空间温度 床温 , 。 一85 o C , 过剩空气系数 a 1.2 5 , 烟煤 图2 CZH添 加 量与主要参数的关系 9 0 O C 范围内 , 并维持烟气中氧含量同常规流化床一 样 , 在 4写 左右 .为 消除因加入辅助燃 料和 空气后 烟气流量增大对 N20 等组分稀释的 影响 , 烟气中 N ox 、 N 2 0 、 50 2 的排放量均 采用单 位发热量排放的质量n g/J 来表示 . 、,、 2 J 任 尸 O 了、 Z‘ 、 E N。 - E N , o E s 。 。 - 1000 [ No 、〕 V ,, F ,2 内 。 F c Q乳 100 0[N Zo 〕V ,, V , 2 八 , o F c吼。 1 000「50 2]V,, V , 2 户 。, F c 吼 。 6 式中 , E N o 、、 E N o 、 E s o 分别为燃煤单位热量排放的 N o x、 N Z o 、 50 2 质量ng/J;〔 N o 、 〕 、 [ N Z o 」 、 [ 50 2 〕分别为烟气中N o x、 N Z o 和50 2 的浓度10 一 6 ;V ,, 和 V , 2 分别为 CZH Z燃烧和煤燃 烧产生的 烟气量nm 3/h;F c 为加煤量kg/h ;如。 、 脚 , 。、 你 。 。 分别为 N o 、 N Z o 和50 2 的密度kg/nm , . 图 3a 给出了自由空 间温 度与N o x、 N 2 0 和50 排放量的关系 .可 以看出 , 随着 T , 升高 , N Z o 排放量降低 , 这是促进了N 20 还原的结果 , 见式2 , 此外高温区内氧含量对 NZo 排放量影 响也很大 , 如 图3b 所示 , 随着烟气 中氧含量减小 , N 2 0 排放量显著降低 , 这可解释为 02 浓度 降低 , 烟气中 H 浓度增高 , 进一步促进了 N 0 还原反应1 .试验研究表 明, 氧含量应控制在适 当的范围内 , 一般为 1.2 5 一 2.2 5 左右 , 因为若继续减少氧含量 , Co 等可燃物质排放量增 加 .值得论证 的是 , 试验时测得的虽是加入辅助燃料乙炔气燃烧建立高温区时 NZo 排放的 综合效果 , 但是根据前人比3 , a〕 对气体燃料燃烧 中N Zo 排放特性的研究结果 , 可以确信所测得 的 N 20 几乎全 由燃煤产生 , 可忽略乙炔气辅燃产生的 Noo 量 .H a o等[ s ]测试电厂中N 20 排放时 发现 , 只有在燃煤粉或石油时才有较高的N 20 排放浓度 1一 10 义 1 0一 6 , 而燃烧气体燃料时 几乎测不到 NZo0.2 4又 10一 ‘ . K r a m l i c h 等人川在隧道式炉中进行甲烷气燃烧试验火焰温 度 1 70 0K 时发现 , 如 不加入含氮化合物观察不到N Zo 产生 , 甚至掺入大量的H cN或N H , 作 为燃料氮源混合气中含 1 的燃料氮 , 最终的N Zo 排放浓 度也很低 l 又 1 0 一 6 左右.在掺有 N H 燃料氮含量为 1 的丙烷火焰中N Zo 排放浓度也不 超过 1又10 一‘. M a r t i n仁3〕等人 分别采 第1期苏适 等 燃 煤流化床 中 N20 排 放控 制的研究 用 eH;NH3 空气30502450又 1 0 一 6 , H Z NH 3 空气 的混合 气在200 0K 、 1500K 下进行试验 时 , 发现 NZO均来 自N H3 , 最终N Zo 排放浓 度均只有 1只 1 0 一 6 左右 .从 图3a 可见 , 建立高温区时导致 N o 、 排放量增高 .温度越高, N O 、 排放量越大 , 这主要由于 CZH 辅燃时产生 的热力 N o和瞬时N o x. 然而 , 图3a 表明氧含量对N O 、 排放量影响很大 , 其降低有助 于减小 N O 、 的排放量. 1山飞日{山〕 8 0 0 月 5卜、. 1200 8七 竺 Ž 、 、。 二明 f 比 - . 2 † 厂 比 ‘ \ , C Z 比 泛 片 „的 f 灿 二 \O艺 切 - -/ Ž „Z 苏匕 7U仁 30 0 2 00 1 00 } 8 5 0 T / ’ C 」O 1〔】 犷0 2 . 兄1.{川 _‘万 ▲N0 , △N O , . 50 2 a 2 ’。 850C , 。 一1.25 , 烟煤 bT 。 二 850 ℃ , , ’, 9 50℃ , 烟煤 图3 高温区温度 、 氧含量与主 要 组 分的关系 从图 3可见 , 观察不到高温区对 50排放控制的不利影 响 , 这可能与 50在 自由空 间中性 质较稳定有关 . 2.4 添加磁铁矿的试验结果 依据某些 金 属 氧化物 对N 20 分解具有催化作 用 , 添 加磁铁矿控制N Zo 的试验结果如 图4 400 350 。 0 1XO N Z 004 O ‘只Ž0 2 O t 只 人 0 5 0 ” O 2 圣 31 捧尹甘 是 } 么 盆 之 江 ’ \ 9 尹阅 10 0尖 O一 入Ž 洲„Z . \ . 0 10 203 0 R ▲ No , △ N o 二 , . 50 左-一 5州;▲No , △N o , . 50 五‘0 ; V NZo , 甲N o 二, 0 50 2 a 全 ’b 8 50℃ , 图 4 a 一1.2 5 , 无烟煤 b , 。 一85 0℃ , a 一1. 床 层中磁铁矿含量及烟气中氧含量与主 要组分的关来 2 5 , 无烟煤 东 南 大 学学报第26卷 所示 .可见 , 随床层 中磁铁矿含量R增 加 , N 2 0 排放量减少.在R的上述变化范围 内 , NO 、 基本不 变 添 加磁铁矿能降低N o 排放量 , 但只有在床层中R比较高时 , 效果 才比较显著 例如 当 R- 5 时 , N 2 0 浓度只降低2.2 x 10 一 6 . 这可能是由于所用磁铁矿中活性组分 F e 3o; 含量不高只 有 4 05 0 和磁铁矿比表面积小所致 .如 图4b 所示 , 随烟气中氧含量减少 , NO 、 和 N20 排放量均降低 .此 外 , 随 R增加 , 50 排放量显著减小 , 这可能与磁铁矿中除了主要成份F e 3o;外 还含有少量其他金属氧化物有关 . 当添加磁铁矿时 , 氧含量会影响50 2 排放浓度 , 随其增加 , 50 排放量显著减小 , 如图 4b 所示 . 3 结论 1 向 自由空间添加适量的次级燃料不仅可以降低 N20 排放量 , 而且可以减少 N o 、 排放 量 .这 种方法若应用到工业规模的燃煤流化床装置上 , 注入的次级燃料可选用不含燃料氮的天 然气 、 液化石 油气等碳氢燃料 . 2 在自由空间建立高温区可促进N 20 的还原 , 降低N Zo 排放量 , 但N O 、 排放量有所增加 . 将高温区中氧含量控制在适当范围内一般为 1.2 5 2.2 5 , 能更好地降低 N20 排放量 , 以及减少 N O 、 的增加量 . 3 添加磁铁矿控制 N0 排放时 , 只有当添加量比较大时 , 效果才比较显著 , NO 、 排放量基 本不变 , 但能同时降低 50的排放量. 参考文献 1 W eis sR F.Thet emPor alandsPatiald1st ri but ion oftroP渭Pherie nitrous oxide.J G e o PhysRe s , 19 8 1 , 86 71 85 2 K ra m l iehJC , C o leJA , M cCa rt h yJ M . 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