神华煤燃烧再燃中X生成与还原试验研究.pdf

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1、第!卷第#期$%&年#月浙!江!大!学!学!报!工学版()*+,-(./0 1 2 3,+45+3 6 1*7 3 8 9!:+4 3+1 1*3+4;3 1+!?(#,*$%&收稿日期#$%A%$%浙江大学学报!工学版 网址#BBB2()*+,-7 C 2)1 D)作者简介#周俊虎 F A$G#%男%浙江宁波人%教授%从事煤的高效低污染燃烧等研究:H I,3-&1+1 2 0 C 0()!Y)X-3 C 2)1 D)试验采用在线式烟气分析仪%在电炉加热的固定床反应器上进行结果表明%燃烧过程中?cD的生成挥发份析出峰和焦炭析出峰的双峰释放特性在氧气体积分数为%f#Of范围内%随氧气体积分数的增

2、大%?cD生成量呈近似线性增长氧气体积分数从%增至 Ef%?cD生成量增加约 倍再燃过程中?cD曲线具有挥发份均相和焦炭非均相还原的双谷分布趋势相比于焦炭非均相还原过程%挥发份均相还原过程对?cD的还原贡献最大%挥发份随气氛变化更加敏感当氧气体积分数大于&f以后%煤粉再燃过程不再具有脱硝效果关键词#神华煤$燃烧$再燃$?cD$还原中图分类号#K E E!文献标识码#N!文章编号#%O F&#P$%&#%#%!F F%EE L ).$%)*#&/#0 2 7+*X!*,+.%&#$+*&*2.)2 0(#$+*1 7K 4)*4 0&(+&2 0.$*3(+%1 0/#$+*&*2.)1 0.*

3、$*3/Vc5)+H 0)%Q T 5J),+4 H 9 3%Q T 5 V,3 H.1+4%SN?J/0 3 H 0),%S:TQ 3+H 7 0 1+4%/VN?JR,+H B 1 3%U:?1 H.,C 4 5 /.$)+3 9$*6#-1)2$*A 4;/4$*/4;%!#$%$&#()*)*&)+7-$#4A 4$*;&/-/?#/)4%8 9$:/#4;#4;?9).#%$&%7 9/4#5 1/#.&(#&K()+D 1*7 8,+D8 0 1?cD*1 D)8 3(+I 1 0,+3 7 I(.;0 1+0),(,-D)*3+4*1 X)*+3+4Y*(1 7 7%8 0 1D

4、 9 H+,I 3*1-1,7 3+4,+D*1 D)8 3(+0,*,8 1*3 7 8 3 7(.?cDX 9(I X)7 8 3(+,+D*1 X)*+3+4,8D 3.1*1+8(9 4 1+6(-H)I 1.*,K 0 1 1 Y 1*3 I 1+8 7B 1*1 (+D)8 1 D(+,+1-1 8*3 ,-90 1,8 1 D.3 X 1 D*1,e 1 7)-8 77 0(B8 0,8 8 0 1.(*I,8 3(+(.?cD0,7X 3 I(D,-D 3 7 8*3 X)8 3(+(.6(-,8 3-1?cD,+D 0,*?cDD)*3+4 K 0 1,I()+8 7(.?c

5、D 1 1 Y+1,*H-3+1,*-9 3+*1,7 3+4B 3 8 08 0 13+*1,7 3+4(9 4 1+6(-)I 1.*,K 0 1?cD,I()+8.(*I 1 D,8(9 4 1+6(-)I 1.*,K 0 1?cDY*(.3-1D)*3+4*1 X)*+3+4Y*(1 7 70,7 8 B(6,-1 9 7 3+-)HD 3+46(-,8 3-170(I(4 1+1()7*1 D)8 3(+Y*(1 7 7,+D 0,*70 1 8 1*(4 1+1()7*1 D)8 3(+Y*(K 0 10(I(4 1 H+1()7*1 D)8 3(+Y*(1 7 7(.6(-,8

6、3-10,74*1,8 1*1.1 8 8 0,+8 0 10 1 8 1*(4 1+1()7Y*(1 7 7(.0,*(+8 0 1?cD*1 HD)8 3(+%,+D8 0 10(I(4 1+1()7Y*(1 7 7 3 7 7 1+7 3 8 3 6 1 8(8 0 1,8 I(7 Y 0 1*1 S0 1+(9 4 1+6(-)I 1.*,8 3(+3 7-,*4 1*8 0,+&f%8 0 1(,-*1 X)*+3+4Y*(1 7 7 3 7 3+1.1 8 3 6 1.(*?cD*1 D)6)78+.2/&;0 1+0),(,-$(I X)7 8 3(+$*1 X)*+3+4$?c

7、D$*1 D)煤炭燃烧发电的同时%也带来较为严重的大气污染%其中氮氧化物?cD是危害较大的污染物?cD主要包括一氧化氮?c%二氧化氮?c$以及氧化亚氮?$c煤粉锅炉燃烧释放出来的?cD一般为?c和?c$!其中?c占F Ef!而?c$仅占Ef左右!因此在研究煤粉燃烧过程?cD的生成与控制中!?cD均主要针对?c进行实际上在燃煤锅炉中煤粉燃烧时?cD形成途径具有多种方式!按照生成?cD机理不同一般划分为热力?cD 快速?cD和燃料?cD一般说来!燃料型?cD是煤燃烧时产生的?cD的主要来源!约占煤燃烧产生?cD总量的&Ef#F Ef燃料氮分布于挥发分和焦炭中!挥发分中的含氮物以小分子#如VU?V#

8、$以及含有吡咯 吡啶官能团的多环芳香化合物形式存在%之后!挥发分的含氮化合物通过迅速的气相均相反应及气固多相反应生成?cD或?$%而焦炭的气化反应很慢!生成氮氧化物所需的时间远长于挥发分气化所需时间&H#再燃是目前最有效的脱除?cD方法之一&!天然气是理想的再燃燃料&E!但根据我国国情!天然气价格昂贵而煤储量丰富!因此煤粉再燃技术是值得研究和推广的技术&A H&煤粉再燃通过$个途径还原助燃区?cD($煤粉挥发分中烃类V U?和?V#等与?cD发生均相反应!在富燃料气氛下还原?cD&O%$煤粉脱挥发分后形成的焦炭与?cD发生异相反应还原?cD虽然有关煤粉再燃技术的研究已经很多&F!但煤粉脱除?c

9、D的过程仍未经过细致研究本文应用电炉作为加热装置!采用配气模拟气氛气体!在玻璃管反应器内模拟神华煤的燃烧和再燃过程!通过气体分析仪测量煤粉燃烧和再燃过程中的气体体积分数!研究了不同氧气体积分数下的煤粉燃烧和再燃特性!实验装置简介将采集的神华煤经烘干 碾磨后制成分析煤样神华煤的工业分析和元素分析见表#,$#X$本文试验在水平管式电炉上进行!试验装置如图所示室温$%i!使用电炉加热!管式反应器由$个水平放置的内径为 OII!长度为A E%II的石英管组成!中心加热段长度为%II烟气的即表9!神华煤的工业分析和元素分析K,X !5-8 3 I,8 1,+DY*(3 I,8 1,+,-9 7 3 7(

10、.;0 1+0),#F$A F#!E EE$#X$元素分析fU,DV,Dc,D?,D;,DA$O#F#%F%!H空气瓶%$H?$瓶%#H?c瓶%!H流量计%E H气体混合器%A H管式反应器%&H电炉%O H干燥器%F H烟气分析仪图9!实验装置示意图W 3 4 !;0 1 I,8 3 煤样置于瓷舟中!当管式反应器温度到达额定温度 气氛稳定之后!将放有煤样的瓷舟推入管式反应器实验所用气氛气体由空气?$和?c混合而成在进行神华煤燃烧实验时!关闭?c流量计通过调节流量计!调整气氛c$体积分数!由烟气分析仪测量煤粉燃烧生成气体的即时组份%进行神华煤再燃脱除?cD的实验时!打开?c流量计!煤粉热解生成

11、的挥发分和焦炭与?c反应!起到脱除?c的作用!通过气体分析测量脱除效果试验在$%i下进行所有试验中!气体流量之和为Q)I 3+!采用了平均粒经为A E)I的煤粉颗粒!样品质量为%4%再燃脱除?cD试验中!气氛?c体积分数约为%$f$!试验结果 9!X!*生成过程图$为神华煤燃烧过程中?c体积分数曲线!c$体积分数为Ef!温度$%i从图$可看出!$%i时!神华煤在燃烧过程中?c的生成具有双峰释放曲线的趋势!且第个峰陡而窄!第$个峰宽而平!这一情形与合山煤 晋城煤在#%#E E%i的温度下燃烧时?c的生成规律相一致&%图$中第个峰为挥发份燃烧形成的?c峰=H?c!第$个峰为焦炭燃烧形成的?c峰U

12、H?c!可以看到=H?c为煤粉燃烧过程中?cD生成的主要来源对图$曲线按下式进行积分(6?cB$#?c$%XA%Z$!D#$式中(_%7%$_$E%7%#?c$为?c体积分数%为气体总流量!Q)I 3+%X为?c分子质量%6?c为?c生 成 量!I 4 计 算 得 到 神 华 煤 燃 烧 共 生 成?c%!E!I 4!其 中=H?c为%#OEI 4!约 占O!Ff!而U H?c为%AFI 4!约占 E f神华%E浙!江!大!学!学!报!工学版!第!卷!图!神华煤燃烧生成X!随时间变化图线W 3 4$!=,*3,8 3(+(.?c*1-1,7 3+4(.;0 1+0),计算得出煤样的燃料氮转化率

13、?!表达式为?B6?cR,*6(,-$#式中$6?c为?c生成量!R,*为煤粉收到基?含量!6计 算 结 果 为?_ Ff!低于煤粉炉氮转化率水平这可能与本文实验中采用的煤粉燃烧方式有关本实验条件下!煤粉为堆积燃烧!煤粉内层析出挥发份的时间比表层析出挥发份的时间要滞后!如果滞后效应达到一定的程度!就会出现煤粉表层的燃料氮被氧化为?cD后!煤粉内层才开始析出挥发份的情况这时挥发份中的U c%烃类气体%VU?%?V#等就会起到还原?cD的作用!氧气体积分数对X!*生成特性的影响图#为$%i时不同c$体积分数#c$#下!#?c#随时间的生成特性从图中可以看出!不同#c$#下#?c#随时间的变化趋势基

14、本相同!且焦炭燃烧时生成的#?c#相差不大&不同之处在于随初始#c$#的增加!#?c#的=H?c峰更高%更陡!即?c生成量随#c$#的增加而增加图!为$%i下?c生成总量6?c随氧气体积分数#c$#变化的曲线从图!中可以看出!6?c受#c$#的影响很大在#c$#从%到 Ef!?c近似线性增长!#c$#_ Ef时的6?c约为#c$#_%时6?c的 倍#c$#影响6?c的原因与燃料?cD的生成机理有关可以认为!从燃料氮向?c的转换由$个相互竞争的过程决定$#由燃料氮高温分解生成含有氮原子的中间产物T 主要是?%U?%VU?和?V/等#!然后T和含有氧原子的反应物ec%cV%c$等#反应生成?c&$

15、#T和?c反应使?c还原为氮气!这$个过程可表示为T e)?c!#图A!不同氧气体积分数下X!生成曲线W 3 4#!=,*3,8 3(+(.?c*1-1,7 3+4(.;0 1+0),(,-7,I Y-1B 3 8 08 3 I 1(+D 3.1*1+8(9 4 1+(+!e 1-,8 3(+7 0 3 YX 1 8 B 1 1+?c e 1-1,7 3+4,+D(9 4 1+(+!#由于燃料氮生成T的反应很快!因此最终生成量取决于这$个过程的竞争#c$#越大!生成的e越多!从而使促使反应式#向右进行!从而使煤中的氮元素更多的以=H?c的形式析出 A!再燃过程中X!*还原特性图E为再燃过程中从

16、记时零点开始每隔$7测量一次数据得到的?c体积分数#c$#随时间变化的曲线!氧气体积分数#c$#_Ef!温度$%i从图E可以看出?c具有双谷脱除的趋势!且第个谷窄而陡!第$个谷宽而缓与图$相比较!第个谷为挥发分均相还原?c的结果&第$个谷为焦炭异相还原?c的结果在#c$#_Ef的情况下!挥发分脱除?cD的效果比焦炭脱除?cD的效果要好本文主要研究挥发分脱除?cD的特性 U!氧气体积分数对再燃还原X!*特性的影响图A为不同氧气体积分数#c$#下神华煤再燃过程中?c体积分数#?c#随时间变化的曲线从图A,#可以看出!在#c$#_%和$f时!图线中不存在挥发份生成的=H?c峰!挥发份主要对?c进行了

17、还原!表现在曲线中对应#?c#的谷值!这是由于在#c$#很低的情况下!挥发份中的含氮物%E第#期周俊虎!等神华煤再燃过程中?cD生成与还原试验研究图?!再燃过程中X!随时间变化曲线W 3 4 E!=,*3,8 3(+(.?c*1 D)8 3(+B 3 8 08 3 I 1D)*3+4*1 HX)*+3+4Y*(A!=,*3,8 3(+(.?c*1 D)8 3(+B 3 8 08 3 I 1(+D 3.1*1+8(9 4 1+(+1+8*,8 3(+D)*3+4*1 X)*+3+4Y*(而在图A#X$中#c$_%f!Ef和 Of的情况下 曲线中基本不存在?c的下降谷 而主要表现为?c的生成峰=H

18、?c 这是因为在氧气含量较大时 挥发分中可以还原?cD的烃类气体被氧化生成了U c$和V$c 而VU?与?V#则被氧化生成了额外的?cD 来流中的?c非但没有被还原煤粉 本 身 的 燃 料?会 生 成 更 多 的?cD同 时 在#c$_ Ef和 Of时 后期还出现了焦炭燃烧生成的U H?c小峰图&为神华煤脱除?c的效率随氧量变化的曲线图中所用脱除?c的效率定义为B#F%F#8#?c$#%#?c$D#E$式中%#8#?c$为某一时刻?c的体积分数&#%#?c$为?c初始体积分数从图&可以看出 神华煤再燃中随氧气体积分数#c$的降低而近似线性渐小 在#c$_&f时3$%f&结合图A可以看出当#c$

19、4%f时 煤粉自身挥发分生成的?cD已大于可脱除的?cD 此时的煤粉再燃已丧失了脱除?cD的作用图Z!再燃脱硝效率随氧气体积分数的变化W 3 4&!e 1-,8 3(+7 0 3 YX 1 8 B 1 1+?c*1 D)8 3(+1.3 3 1+9,+D(9 4 1+(+挥发分与焦炭都能起到还原?cD的作用挥发分中起到脱除?cD作用的成分有含氮化合物T#主要VU?和?V#$!U6V4!V$!U c!碳黑含氮化合物与?c的反应如式#!$所示U6V4与?cD的 反 应 主 要 依 靠 其 分 解 产 物UV/在氧化性气氛下UV/优先与氧气发生氧化反应生成U c和U c$在还原性气氛下可与?c发生反

20、应 如下式所示%UV/?c)VU?#A$生成的中间产物VU?在不同气氛下可经一系列反应生成?$或重新生成?c随着#c$的减少 来流氧量被快速消耗 从而使局部的还原性气氛不断加强 使再燃脱硝效率不断提高 图&中在#c$_%f的极限情况下?c脱除的效率达到E Af#!结!论#$神华煤燃烧过程中?c的生成具有双峰释放特性 一个为挥发分形成的=H?c峰 一个为焦炭形成的U H?c峰在本文试验条件下 生成的?c主要由挥发分燃烧产生#$?c生成量受#c$影响非常大 在本文的$%E浙!江!大!学!学!报!工学版!第!卷!试验条件下!*c$#从%f增加到 Ef!?c生成量增长了约 倍#再燃脱除?c过程具有双谷

21、脱除的趋势!一个由挥发份还原?c形成的!一个由焦炭还原?cD形成!#煤粉再燃脱除?cD的效果受#c$#影响很大!在本文的试验条件下!当#c$#4&f以后!再燃煤粉已基本失去了脱除?cD的能力参考文献!B),).)*()/#$%赵宗彬!陈皓侃!李保庆煤燃烧过程中?cD的生成和还原$%煤炭转化!F F F!$!#&%E/VNc/(+4 H X 3+!UV:?V,(H ,+!Q TM,(H 3+4 K 0 1.(*I,8 3(+,+D*1 D)8 3(+(.?cDD)*3+4(,-I+&I+*R)./$+*!F F F!$!#&%E$%王智化!周俊虎!周昊!等炉 内 高 温 喷 射 氨 水 脱 除?

22、cD机理及其影响因素的研究$%浙江大学学报&工学版!$%!#O!#&!F E E%SN?J/0 3 H 0),!/Vc5 )+H 0)!/Vc5 V,(!1 8,-:Y 1*3 I 1+8,-,+DI(D 1-3+47 8)D 9(+8 0 1I 1 0,+3 7 I,+D7 1+7 3 8 3 6 1Y,*,I1 8 1*7(.8 0 1 8 0 1*I,-Z 1?cY*(J+0.*&+,$%80水煤浆锅炉?cD排放特性的研究$%浙江大学学报&工学版!$%A!%O#&!#F !$S:?J S 1 3 H 4)(!/Vc5)+H 0)!RN?J S 1 3 H 2),+!1 8,-e 1 7

23、1,*0(+0,*,8 1*3 7 8 3 J+0.*&+,R)./$#7&E*3$*).$*3K($)*()!$%A!%O#&!#F !$!%;c c KQZ!V T Q Q;U!P5 V?cD;.+3.)/E*).3 7I+%1 0/#K($)*()!F F O!$!&#O E!%O$E%张忠孝!姚向东!乌晓江!等气体再燃低?cD排放试验研究$%中国电机工程学报!$%E!$EF#&F F%$/VN?J/0(+4 H 3,(!RNc P,3+4 H D(+4!S5 P 3,(H2 3,+4!1 8,-:Y 1*3 I 1+8,-7 8)D 9(+-(B?cD1 I 3 7 7 3(+)H7

24、3+44,7*1 X)*+3+4$%;.+()2$*3/+,#4)I K E E!$%E!$EF#&F F%$A%赵莉!阎维平!刘忠!等温度对超细煤粉再燃降低?c排放的影响$%动力工程!$%E!$EA#&O O&O F%/VNcQ 3!RN?S 1 3 H Y 3+4!Q T 5/0(+4!1 8,-:.1 8(.8 1 I Y 1*,8)*1(+*1 D)8 3(+(.?cX 9*1 X)*+3+4(.I 3 *(HY)-6 1*3 C 1 D;+8).E*3$*).$*3!$%E!$EA#&O O&O F%$&%SN?J/V!V5/!/VN?J R S!1 8,-:Y 1*3 HI 1+8

25、,+DI 1 0,+3 7 I3+6 1 7 8 3 4,8 3(+(+,D 6,+1 D*1 X)*+H3+4.(*?cD*1 D)8 3(+&3+.-)1+J+0.*&+,$O%Q TU/!KN?QQ W(*I,8 3(+(.?cD,+D;cDY*1 )*H7(*7D)*3+48 0 1Y 9*(-9 7 3 7(.L,*8 T T T W)*8 0 1*D 3 7 G 0)!$%!&F&O F F F%A$F%郭永红!孙保民!康志忠超细粉再燃技术中VU?对?cD的生成和还原的影响$%电站系统工程!$%E!$#&E&J5c R(+4 H 0(+4!;5?M,(H I 3+!N?J/0 3

26、H C 0(+4 VU?:.1 8(+?cDW(*I,8 3(+,+D Z 1(3 D 3 C,8 3(+.(*3 *(H L Ue 1 X)*+3+4K 1 ;+8).K 7/#)%E*3$*).$*3!$%E!$#&E&$%姜秀民!邱 健 荣!李 巨 斌超 细 化 煤 粉 低 温 燃 烧 的?cD(;cD生成特性研究$%环境科学学报!$%!$%!#&!#!#!T N?JP 3)H I 3+!d T 5 3,+H*(+4!Q T )H X 3+N7 8)D 9(.?cD,+D;c$1 I 3 7 7 3(+(.)-8*,.3+1 (,-Y(B D 1*3+-(B 1*8 1 I Y 1*,8

27、)*15(#&K($)*#$&)I$.(0%/#&*#$&)!$%!$%!#&!#!#!0000000000000000000000000000000000000000000000000!上接第U W页$A%孔华!高翔!吕同波!等液柱冲击式湿法脱硫装置的试验研究$%工程热物理学报!$%!$E#&A!F A E$c?J V),!JNc P 3,+4!Q=K(+4 H X(!1 8,-:Y 1*3 HI 1+8,-7 8)D 9(.B 1 8.-)14,7D 1 7)-.)*3 C,8 3(+3+,3 I Y 3+4 17 8*1,I7 J+0.*&+,E*3$*).$*3=4).%&4 7/$(/$%!$E#&A!F A E$&%c Q N5;c?;!SN Q Q T?!M :e Q:T N I(D 1-.(*8 0 1,X 7(*Y 8 3(+(.7)-.)*D 3(3 D 13+8(,-3 I 1 7 8(+17-)*9$%=4)I 4)%$(&E*3$*).$*3J+0.*&!F F#!E&F F%O$O%;V:eSc c ZK!L T J W c e ZeQ 5 1/+.#$+*&*2)L#.&(#$+*$%?1 BR(*&F A#%E第#期周俊虎!等神华煤再燃过程中?cD生成与还原试验研究