水煤浆挥发分再燃对NO还原的影响

第28卷第5期中国电机工程学报ol.28No.5Feb.15,2008008年2月15日Proceedings of the Csee@2008 Chin. Soc. for Elec Eng文章编号:0258-8013(2008)08007404中图分类号:TK16文献标识码:A学科分类号:47010水煤浆挥发分再燃对NO还原的影响孟德润,周俊虎,赵翔,杨卫娟,周志军,刘建忠,岑可法(能源清洁利用国家重点实验室(浙江大学),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制技术,再燃使用的燃料有天然气、煤粉、煤焦、major concern when coal water slurry(CwS) was used as油、水煤浆、生物质等,对于煤粉和气体燃料的实reburning fuel. Influences of volatile reburning on NO验和数值模拟已经有较多的研究煤粉和水煤浆reduction such as coal rank, coal water slurry concentration的再燃反应原理都是由均相还原反应和煤焦与NOoxygen concentration of flue gas, reburning zone temperature,particle size, were investigated. Reburning zone was simulated的异相还原反应两部分组成。均相反应是指挥发分on a fixed bed reactor with a synthetic flue gas consisting o中CH与NO间的相互反应,燃料中的氮,在还原性CO2,O2, NO and Ar. The result show the no reduction ratio is气氛下通过反应NH+NO→Nz增强均相还原作用closely correlated with parent coal rank. For coals contain异相反应主要是NO吸在焦炭的内外表面,与焦炭的equivalent volatile matter content, the more high nitrogen内外表面发生的化学反应。再燃区的烟气一般在content, the more high No reduction ratio. The content o1000℃以上,水煤浆的加热速度较大,挥发分的析volatile matter and No reduction ratio benefit from higher出时间会在10ms左右,如果停留时间过短,挥发分burning zone temperature; Oxygen concentration of flue gas的析出将在焦表面形成一个气膜,阻碍NO与焦异相oncentration increasing No reduction ratio decrease反应的进行,这样,挥发分还原NO的均相反应就significantly; No reduction ratio finitely increase when small具有重要贡献。目前对影响水煤浆再燃和挥发分还particle size used原NO2实验的研究8不多,文中对不同煤种的水煤KEY WORDS: NO: reburning; volatile matter; coal water浆,在不同的再燃区温度、氧气浓度、颗粒粒径对挥发分再燃效果的影响进行了研究摘要:为了解水煤浆再燃过程中均相还原反应效果的影响因1实验装置简介素,在固定床反应器上,利用合成烟气模拟再燃区环境,对不同煤种的水煤浆,在不同的浓度、再燃区温度、氧气浓度实验中用到的实验装置如图1所示,利用管式颗粒粒径对挥发分再燃效果的影响进行了研究。实验结果显加热炉对研究的样品加热。首先在第1根陶瓷管中示:挥发分的再燃效果随着水煤浆浓度的降低而升高,随着通进纯的Ar,流量为总的烟气流量的50%左右,使煤阶的降低而增加。另外,挥发分含量相同,含氮量高的再第1根陶瓷管内保持在还原性气氛,然后进入第2燃效果要好一些。再燃区反应温度的升高有益于水煤浆挥发根陶瓷管。在第2根陶瓷管中经过混气系统通入其分的释放以及再燃反应。挥发分作为再燃燃料时,再燃区烟余的Ar、O2、CO2、NO的混合气体。由于2股气气含氧量的影响最大,再燃效果随含氧量的增加而降低。制浆原煤粒径的大小对挥发分再燃的效果有所影响,随粒径的体的气源压头相等,而混气系统的流阻比第1根陶减少再燃效果略有增加瓷管力榻失大,所以第1根管内的压力关键词:NO2;再燃;挥发分;水煤浆比多中国煤化工会倒流。电炉加热到预CNMHG将水煤浆样快速置0引言于第1根陶瓷管的高温段热解,热解出来的挥发分再燃是国内外目前广泛应用的一种NO排放控以Ar为载气进入第2根陶瓷管中与烟气混合进行第5期孟德润等:水煤浆挥发分再燃对NO还原的影响O2.NO, COzN量高于台山煤,导致挥发分中含N基团增加,而水煤浆样含N丰富的挥发分在还原性气氛下具有较强的NO还原能力,因此挥发分中的HCN和NH3含量越多越有利于挥发分均相还原NO0,挥发分和含N量烟的不同均是导致再燃还原NO效率不同的重要原因。从图2中还可以看出,随着煤浆浓度的降低,分析煤浆中的水份增加,挥发分再燃脱销率升高。主要图1实验装置图原因如下:①水分先汽化为水蒸汽,水蒸汽的析出Fig. 1 Experimental sy会打开封闭的孔隙,焦炭的表面积和孔容积变大,再燃反应。烟气第2根陶瓷管稳留时有助于减小挥发分析出的阻力,增加挥发分的释放间大约是04s量;②水蒸汽可以在高温下和焦碳反应生成另外的在实验前,系统流通管路用模5mn还原物CO和H2,促进均相反应的进行,降低NO吹扫,待烟气分析仪显示参数稳料的的排放量:③在高温下水蒸汽可以提供大量的H和97mm瓷舟送入反应器高温段,。实OH自由基,加速环状大分子结构的分解,促进验采用的水煤浆样是由神华煤、3煤、HCN、NH3和CH的形成,增加HCN、NH3和B煤、阳泉煤,台山煤制成,其中100%CH的释放量。同时OH有助于促进HCN的氧化反浓度的水煤浆。神华煤的粒径分别3pm,应,使得HCN快速转化为N原子,与NO发生还其余煤粉粒径为50μm煤质分析」1。原反应1213,降低NO的排放,提高再燃效果,因实验中模拟主燃区来流烟气组成为:qCO2)=16%,此水煤浆的浓度降低,挥发分再燃脱硝效果升高qNO)=0.05%,gO2)=0%、2%、4%、6%,其余为Ar平衡气体。采用 ROAEMOUNT烟气分析仪进行在线监测尾部烟气成分,O2、CO2和NO的测量精度分别为0.25%、土1%和1.5×10-3%,由于实验中NO2数量较少,故只考虑NO阳泉煤表1试验样品的工业分析与元素分析Tab. 1 Proximate analysis and ultimate analysis of sample水煤浆浓度/%煤种元素分析w%图2水煤浆浓度对挥发分再燃效果的影响Fig. 2 Effect of CwS concentration on NO reductionB煤56.6210.25.1922再燃区温度的影响4202从图3中可以看出在gO2)=2%浓度下,随着煤种业分析w温度的增加,挥发分再燃效果增加,这主要是因为随着温度的升高,一方面,挥发分的数量增加,同20.74B煤2.8824.7845.02时大分子碳氢化合物分解生成CH基,使得挥发分179790770.74台山的还原性增强。随着温度的提高,HCN和NH3的20744.251091131621645350释放量均增加4,在还原性气氛下,随着还原性物质的增加,还原反应能够充分进行,再燃效果提高2试验结果与分析另一方面,从化学反应动力学角度来说,在一定范2.1煤种及水煤浆浓度的影响围内,温度的升高将会促进反应的进行,由于再燃从图2中可以看出在1000℃、g(O2)=2%浓过程中处于贫氧富燃料的还原性气氛,温度越高度下,随制浆原煤中挥发分含量的增强,即随着煤NO应进行的紐症_因此再燃区的温度阶的降低,挥发分再燃脱硝效果增加。挥发分越大对Nd中国心/一定程度下提高的煤种,产生CH基的数量也较多,对于再燃还原再燃CNMHG的效率。至于B和NO就越有利。另外阳泉与台山的挥发分含量接近,阳泉水煤浆两个温度下的脱硝率变化不大,其原因而前者的挥发分再燃效果要高,可能是阳泉煤中含可能是它们释放的挥发分还原性物质的浓度在高温国电机工第28卷B煤台山煤粉物质解离程度更好,挥发分呈上升趋势,含量升长广煤■阳泉煤高。另外由于反应比表面积增大,焦与水蒸汽发生的反应速度变快,可以生成更多的CO和H2。而当颗粒较大时,在热解过程中升温速率相对较慢,颗粒内部可能存在一定的温度梯度,热解的发生和挥发分的形成都没有小颗粒迅速。另外靠近大颗粒中心再燃区温度/℃处产生的热解的初始产物有相当一部分在颗粒内部图3再燃区温度的影响Fig 3 Effect of reburning zone temperature向外的扩散过程中,可能在固相表面再次凝聚或聚on no reduction合等二次反应而发生碳沉积,煤粒越大,沉积量越下受温度的影响比较小,因此造成随着温度的增加大,因而得到的热解产物就越少。对于小颗粒,由挥发分再燃效率变化不大于其具有较大的比表面积和较小的内部扩散距离,2.3烟气中含氧量的影响更有利于挥发分的释放而减小了二次反应的影响从图4中可以看出,对于1000℃下,50%浓度因此使用较大颗粒煤粉制成的水煤浆的挥发分再燃的水煤浆,O2量的增加对再燃还原NO2的效果影响还原NO效率低于细煤粉制成的水煤浆。最为显著,随着烟气中含O2量的增加,再燃效果降但是粒径的减小,脱硝效果提高的不多,这主低,一方面这是由于当再燃燃料一定,只有在有一要是水煤浆受热后,挥发分先被释放出,当10%定CH基浓度的情况下,NO的还原反应才会顺利15%的煤粉脱挥发分后,挥发分氮才开始释放617进行,当烟气中的O2含量增加时,挥发分中的CH1由于颗粒的细化,使得煤粉的特性有很大改善,挥基较易和O2先发生反应,不易于保持一定的CH发分析出的速率提高,这就意味着燃料中会有更多基浓度,因而与NO发生还原反应的部分减少。另的含氮的官能团参加析出挥发分的反应,而生成较方面再燃过程中NO和CH反应生成HCN,随后多的挥发分氮,从而燃料氮以气体形式析出更加完生成的HCN和随挥发分释放的HCN发生下列氧化全,相反以焦氮形式存在的氮会减少。挥发分中氮反应:HCN+OH→HOCN+H,HCN+OH→HNCO+H,化物进行氧化反应所需的活化能较低,其中的氮化HCN+O→NCO+H,HCNO→NH+CO,一旦反应物迅速与氧气反应,当氧气浓度较高时,会有更多完成,其含氮氧化产物将快速转化为氮原子2。当的NO生成,使得NO的生成量短时间内急剧增烟气中O2浓度较高时,大部分氮原子接下来不是与加8,所以细颗粒水煤浆的脱硝率并没有提高很NO发生还原反应生成N2,而是被重新氧化为NO,多。但煤粉颗粒越细小,制粉的电能将显著增加∞,造成了NO还原率的下降因此制浆时要综合考虑再燃效果和磨粉成本,合理长广煤选择煤粉细度。台山煤烟气中氧浓度隔下,随着神华煤粒径的减小,再燃效果有所升高,3物“包图5颗粒径的彩分图4氧气浓度的影响Fig 4 Effect of oxygen concentration on NO reduction水煤浆浓度%4制浆原煤粒径的影响从图5可以看出在1000℃下,gO2)=2%浓度ct of particle size on NO reduction小颗粒煤粉比表面积大大增加,而煤粉本身的热阻V凵中国煤化工首水媒浆浓度的降低却减小,因而在加热时,水煤浆气流的温升速度较而CNMHG分再燃效果增加快,颗粒中心在整个过程平均温度较高,能迅速达另外挥发分含量相同,含氮量高的再燃效果要高一些到终温,挥发分能够更快地析出。同时,小颗粒煤(2)再燃区的反应温度、水煤浆挥发分成分的第5期孟德润等:水煤浆挥发分再燃对NO还原的影响释放以及再燃反应的影响较大,再燃效果随反应温997,76(11):985-993度的增加而升高。[l高正阳,阎维平,刘忠,再燃过程再燃煤粉燃料N释放规律的试验(3)挥发分作为再燃燃料时,再燃区烟气含氧研究[.中国电机工程学报,2004,24(8):238-242.量的影响最大。再燃效果随烟气中含氧量的增加而Gao Zhengyang, Yan Weiping, Liu Zhong Experimental investigationson fuel-N release characteristic of reburn fuel[J]. Proceedings of the降低。CSEE, 2004, 24(8): 238-242(in Chinese(4)制浆原煤粒径的大小对挥发分再燃的效果2 Burch TE, Tillman FR, Chen wY. Partitioning of nitrogenous species有影响,随粒径的减少再燃效果略有增加,但增加in the fuel-rich stage of rebuming[J]. Energy and Fuels, 1991, 5(2);有限。t13 Miller A J, Bowman C T. Mechanismdeling of nitrogen参考文献chemistry in combustion(JI. Progress inand CombustionScience,1989,15(4):287-3381! Maly PM, Zamansky V M, Ho L, et al, Alternative fuel reburnin4金晶张忠孝,李瑞阳.超细煤粉再燃的模拟计算与试验研究中印].Fuel,1999,78(3):327-33424(10):215-2182] Smoot L D, Hill S C, Xu H. NO, control through reburningjing, Zhang Zhongxiao, Li Ruiyang. Numerical simulatioexperimental study on micronized coal reburning[J]. Proceedings of the3]郭永红,孙保民,刘彤.褐煤的超细粉再燃中NO2的生成与还原的CSEE,2004,24(10):215-218 (in Chinese)数值模拟U.中国电机工程学报,2005,25(9):9498[5」刘忠,阁维平,高正阳超细煤粉的细度对再燃还原NO的影响J中Guo Yonghong, Sun Baomin, Liu Tong. Numerical simulation of NO,国电机工程学报,2003,204208.formation and deoxidization with micro-pulverized coal reburninLiu Zhong, Yan Weiping, Gao Zhengyang, et al. The effect of thetechnology for lignite[J]. Proceedings of the CSEE, 2005, 25(9)micro-pulverized coal fineness on nitric oxide reduction by reburning94-98(in Chinese)U]. Proceedings of the CSEE, 2003, 23(10)14]张忠孝,姚向东,乌晓江,气体再燃低NO排放试验研究门,中国16 Pershing D W, Wendt JOL. Relative contributions of volatile nitrogen电机工程学报,2005,25(9):99-102.and char nitrogen to NO, emissions from pulverized coai flamesZhang Zhongxiao, Yao Xiangdong, Wu[] Industrial Engineering Chemistry Process Design andon low NOx emission using gas reburning. Proceedings of theDevelopment, 1979, 18(1): 60-67CSEE, 2005, 25(9): 99-102(in Chinese[I7] Wendt JO L, Pershing D W. Physical mechanisms governing the15]沈伯雄,孙幸福,天然气先进再燃区脱硝效率影响因素的实验与模oxidation of volatile fuel nitrogen in pulverized coal names拟研究J.中国电机工程学报,2005,25(5):146-149[]. Combustion Science and Technology, 1977, 16(1): 111-119Shen Boxiong, Sun Xingfu. Study on the parameters that influence theI18]陈占军,金晶,樊俊杰.超细煤粉燃烧NO3析出特性试验J.上海efficiency of DE-NO in advanced natural gas reburning area by理工大学学报,2005,27(1):6-perimental and kinetic model[]. Proceedings of the CSEE, 2005Chen Zhanjun, Jin Jing, Fan Junjie, et al. Experimental study on NO,5(5): 146-149(in Chineseelease behavior of superfine pulverized coal[J]. Journal of University[6] Adams B R, Harding N S. Reburning using biomass for NO controlof Shanghai for Science and Technology, 2005, 27(1): 6-10(in247]郑守忠.煤粉再燃烧技术中煤焦异相还原高温烟气中NO的实验和[19] Molina A, Eddings E G, Pershing D w. Nitric oxide destruction during理论研究[D.南京:东南大学,199coal and char oxidation under pulverized-coal combustion conditionsZheng Shouzhong. The experimental and theory research on theU]. Combustion and Flame, 2004, 136(3): 303-312.heterogeneous reduction of No by char in the high temperature flue gas L20阎维平,高正阳,刘忠.煤粉细度对再燃还原烟气氮氧化物影响的when pulverized coal rebuming technology is applied [D]. Nanjing实验研究①,电力科学与工程,2003,(2):1-4Southeast University, 1999(in Chinese)Yan Weiping, Gao Zhengyang, Liu Zhong, et al. The effect of the8]钟北京,傅维标。煤的挥发分对NOx再燃特性的研究门.燃烧科micro-pulverized coal fineness on nitric oxide reduction by rebuming学与技术,2000,6(2):185-189U]. Electric Power Science and Engineering, 2003,(2): 1-4(inZhong Beijing, Fu Weibiao. Study on NO reduction during reburningChinese)coal with volatiles[J]. Journal of Combustion Science and Technology2000,6(2):185-189( n Chinese)收稿日期:2006-12089]董若凌,周俊虎,孟德润.再燃区水煤浆脱硝反应特性的试验研究作者简介门.中国电机工程学报,2006,26(4}:56-59孟德润(1979),男,博士研究生,主要从事煤的清洁燃烧、污染Dong Ruoling, Zhou Junhu, Meng Derun. 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,博士生导师,主要从事环境及能源清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中国煤化工characteristics for efficient NO reduction by coal reburning [J]. FuelCNMHG编辑王庆霞)