天然气高级再燃降低NOx排放的实验研究-王亚飞

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很少。天然气高级再燃降低NOx排放目前，降低燃煤锅炉产生的NOx的技术主要有低NOx燃烧器技术、空气分的实验研究级技术、燃料分级技术、SCR（选择性王亚飞，罗永浩，陆方，胡砾元催化还原技术）和SNCR（选择性非催（上海交通大学热能工程研究所，上海化还原技术）。200240）1天然气高级再燃原理本实验所研究的是高级再燃降低摘要：论述了天然气高级再燃降低NOx排NOx排放的技术，即在简单气体再燃的放的原理，在多功能低NOx燃烧实验台上验证基础上往再燃区喷N活化剂了天然气高级再燃降低NOx排放的效果，并与（N-Promoter），使再燃区生成大量的简单再燃进行比较，得到的减排效果明显优ＮＨ、ＮＨ２等还原性物质，使NOx的减于简单再燃，在最优的工况下得到了86%的排达到更好的效果。这种技术减排NOx减排效率。对高级再燃低NOx燃烧过程进行了的原理如图1所示，它将炉膛分为3数值模拟，计算结果与实验结果吻合较好。部分：主燃区、再燃区和燃尽区。在本实验中采用的主燃燃料是煤粉，再关键词：锅炉；天然气高级再燃；NOx；还燃燃料是天然气。80%～90%的主燃燃原料煤粉被喷入到过量空气系数SR1＞1的主燃区内完全燃烧，放出大量的热，同时生成大量的NOx；其余10%～20%的0引言再燃燃料天然气喷入到过量空气系数在我国的能源构成和消费中，煤炭SR2＜1的再燃区内，同时喷入N活化剂，占有十分重要的地位，约占总量的70%在富燃料的还原性气氛和N活化剂作左右。燃煤锅炉运行中产生的氮氧化用的条件下，主燃区生成的部分NOx被物（NOx）给环境带来了一系列严重的还原，再燃区尾部有部分未燃烧的燃污染问题：酸雨、光化学烟雾、破坏料随烟气进入燃尽区；往燃尽区内通臭氧层并影响全球气候等。但我国以过空气，使燃尽区SR3＞1，再燃区内未煤为主的能源结构在相当长的一段时燃烬的燃料在燃尽区的富氧条件下完期内难以改变，所以开发燃煤锅炉NOx全燃烧。排放控制技术具有十分重要的现实意再燃区内，CH4会在富燃料的条件义。下生成CH、CH2、CH3、HCOO等含碳基团，煤燃烧过程生成的NOx主要是NO，这些基团会与NO反应形成C-N键混合另外还有少量的NO2。根据NOx的生成原物，进而形成一些含氮组分，如N、NH、理及条件的不同，把它分为3个类型，NH2等，这些含氮组分可以与NOx反应生即燃料型、热力型和快速型。燃料型成N2。NOx主要是燃料中的N元素被氧化生成NH2+NO→N2+H2O（1）-的，一般来说，燃煤的含氮量越高，NH2+NO→NNH+OH（2）则燃料型NOx的生成量就越大。热力型NH+NO→N2+OH（3）NOx主要是在高温环境下（约1300℃以N+NO→N2+O（4）上）空气中的N2被O2以及反应生成的Ｏ另外，再燃区内喷入的N-活化剂根、ＯＨ根所氧化而生成的。快速型NH3在富燃料条件下也能生成诸如NH2、NOx是由于在燃烧峰面上，空气中的Ｎ２NH、NNH等还原性基团，-被ＣＨｉ粒子团氧化而生成的，一般在OH+NH3→NH2+H2O（5）煤的燃烧过程中，快速型NOx的生成量H+NH3→H2+NH2（6）

1NH2+O→OH+NH（7）NH+OH→H2O+N（8）NH3+O2→NH2+OH（9）生成的这些基团可以和再燃燃料形成的C-N键化合物反应，生成N2，主燃区生成的NOx在这种还原性气氛下被还原成N2。图2实验台系统示意图1-给煤机2-携带风3-一次风4-二次风5-氨气喷口6-燃烧器7隔热层8-再燃燃料喷口9-烟气分析仪采样口10-燃尽风喷口11-烟气尾气出口12-可控碳硅棒加热管图1高级再燃技术降低NOx排放示意图本实验台主燃区采用的燃料为大2实验装置及方法同煤，其成分分析如表1所示，由螺本实验采用的是多功能低NOx燃烧纹式供煤机供煤。再燃燃料使用的是实验台，它是参照德国斯图加特大学陕甘宁天然气，其成分百分比如表220KWBTS实验台改进设计的，主要有所示。实验所采用的N活化剂为氨气以下几个部分组成：给粉系统、煤粉（NH3），用氮气作为载气，其中燃烧系统、加热系统、测量系统、烟NH3/N2=1：19。气取样分析系统以及控制系统等。其表1大同煤成分分析结果系统结构如图2所示，主体是工业分析（一根长%,ar）元素分析（%，ar）热值2.5m、内径200mm的刚玉管，它固定在灰分挥发固定碳氢全氮氧(MJ/kg钢套中，刚玉管与外面的钢套之间填A分V碳FCCH硫SNOQgr.v充绝热层。实验台采用一维炉的形式，模拟锅炉实际燃烧沿垂直方向上的燃61.616.2824.9850.323.990.721.287.6424.93烧状况。煤粉从顶部送入，炉膛内采7用送、引风系统，实验过程中炉内保持微正压环境。尾部烟气取样和测量表2陕甘宁天然气成分百分比采用英国制造的Kane-MayQUINTOX烟CH4C2H6C3H8其它气分析仪。由于实验台的负荷较小，95.9494％0.9075％0.1367％3.0064％煤粉的发热量不够，不能保证煤粉的连续稳定燃烧，所以采用了电加热措实验台用风是通过一个压缩空气施以模拟实际锅炉炉膛中周围的烟气泵提供的，通过串联的LZJ－10型玻璃火焰对所取燃烧工质的加热状况,加转子流量计和LRG－4－X型数字式气热温度可以通过电加热控制柜控制。体质量流量计后降低到0.1MPa，再通过一、二次风管以及燃尽风管进入炉膛。实验过程中主燃区进风量（一次风、二次风）和给煤量都保持不变，

2维持主燃区过量空气系数SR1=1.1，通际减排效率，可以明显看出高级再燃过调整再燃燃料的通入量来调整再燃比简单再燃有更高的脱氮效果。因为区过量空气系数SR2达到设计值，最后再燃区喷入的NH3会通过式（5）和式（9）通过调整燃尽风量来使燃尽区过量空生成NH2等还原性物质，从而增强了降气系数SR3=1.2。再燃燃料先从气瓶经低NOx排放的效果。这也是高级再燃的过减压阀和LZJ－10型玻璃转子流量脱氮效率之所以高于简单再燃的重要计，然后从位于0.9m处的再燃燃料喷原因。实线表示数值模拟的计算结果，口进入炉膛燃烧。氨气也是先从气瓶可以明显看出计算结果的趋势与实际经减压阀和LZJ－10型玻璃转子流量相吻合。计，然后从一根位于炉膛顶部伸入到4结论再燃区的刚玉管进入炉膛，氨气在炉通过建立实验装置以及数值模拟膛内的出口略低于再燃燃料喷口，比的分析方法对高级再燃的脱氮效果进再燃燃料延迟0.1s进入炉膛。行研究，得出了高级再燃能有效的控影响高级再燃脱氮效率的主要因制燃煤锅炉的NOx排放量，在最好的条素有：主燃燃料类型、再燃区温度及件下可降低约86%的NOx。通过比较验过量空气系数、再燃燃料的类型及停证了天然气高级再燃的脱氮效果要高留时间、喷氨量、喷氨延迟时间等。于简单再燃，是更为高效的降低燃煤本实验主要考虑的因素为：再燃区温锅炉NOx排放的技术。度T2、过量空气系数SR2及喷氨量。与目前比较流行的其它控制NOx排放手段相比较，高级再燃有以下特3实验及数值计算结果点：结构较SCR简单，易于对现有的实验结果表明，所考查的三个影燃煤锅炉实施改造；减排效果明显优响因素对高级再燃降低NOx排放效果于空气分级和低NOx燃烧器，这有利都有比较明显的影响作用，通过优化于燃煤锅炉的氮氧化物排放达到更为组合这三个量可以得到很高的减排效严格的排放标准。率。一般来说，在通入适量氨气的条件下，高级再燃的效果要优于简单再参考文献：燃。当再燃区温度为1200℃、过量空[1]罗永浩，徐华东，陆方.燃煤电站先气系数为0.9、NH3/NOx=1时，高级再进的低NOx燃烧技术[J].锅炉技术.2001燃的减排效率最高，可达到86%,如图（3）.3所示。[2]苏胜，向军，胡松，孙学信，张忠孝，朱基木，气体再燃降低NOx排放的实验研究[J].动力工程，2004（12）.[3]张怡.天然气高级再燃还原NO化学动力学模拟的研究[D].上海交通大学硕士学位论文，2005.[4]DongleeHAN,M.G.Mungal.PredictionofNOxControlbyBasicandAdvancedGasReburningUsingtheTwo-StageLagrangianModel[J],Combustionand图3SR2=0.9、再燃区温度1200℃时计算结Flame119:483-493(1999).果与实验结果比较[5]E.Hampartsoumian,O.O.Folayan,图3中虚线表示的是再燃区温度W.Nimmo,B.M.Gibbs.OptimisationofNOx为1200℃、SR2=0.9时不同NSR值的实reductioninadvancedcoalreburning

3systemsandtheeffectofcoaltype[J],Fuel82:373-384(2003).[6]张强，李彦鹏，徐益谦.再燃烧还原NOx机理及其技术发展[J].工业锅炉.2001（2）