天然气再燃还原NO的实验研究

第23卷第4期电站系统工程Vol 23 No 42007年7月Power System EngineeringJul,2007文章编号:1005-006X(200704-001903天然气再燃还原NO的实验研究”山东大学能源与动力工程学院高攀路春美甄天雷摘要:天然气再燃是控制燃煤电站氮氧化物排放的先进技术。对天然气再燃还原NO的关键影响因素进行了系统实验研究,发现脱硝效率随着天然气NO摩尔比以及温度的增加而提高:再燃区存在最佳过量空气系数,a在08左右时脱硝效率最高:延长再燃区停留时间有利于降低NO的排放,但超过153s后,继续增加停留时间对脱硝效率的影响并不明显。关键词:天然气;再燃;脱硝效率中图分类号:TK16:TK4'51文献标识码:AExperimental Study on NO Reduction by Natural Gas ReburningGAO Pan LU Chun-mei ZHEN Tian-leiAbstract: Natural gas reburning is a novel technology on NOx emission control of coal-fired station. Some key factors ofnatural gas reburning have been studied. Results of the experiments show that the no removal efficiency increasesuickly with enhancement of molar ratio of natural gas to NO and the reburn temperature; there exists an optimum rebutstoichiometric ration(0.8) for natural gas reburning. Prolonging the resident time of reburn zone can help to limit the NOemission, but the influence becomes slightly when the time exceeds 1.53sKey words: natural gas; reburn; NO removal efficiency我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国,煤产量占世内刚玉管为反应器,温度可在室温至1500℃范围内调节。界的25%。煤燃烧排放的大量NO是一种极难处理的大气污实验所需各种气体均由高压气瓶提供,其中再燃燃料采用的染物,它不仅刺激人的呼吸系统,损害植被,破坏臭氧层,天然气,按甲烷、乙烷百分比10:1配制。主燃区烟气、NO而且是引起温室效应酸雨和光化学反应的主要物质之一叫。气、天然气各自经过流量计流入混合瓶,均匀混合后进入预几十年来围绕燃煤脱硝这一全球性的课题,国内外研究者开热炉,空气经过反应炉一侧预热,在连接管处与经过预热的展了大量研究工作,开发出许多低NO2然烧技术,尤其是20混合气共同进入反应段。为确保测试气氛不发生变化,反应世纪90年代后在国外逐渐推广的再燃技术,受到世界范围内后气体经过水冷管迅速冷却,一部分经过高锰酸钾、氢氧化的广泛关注24。再燃技术是将炉膛分为3段进行燃烧,分别钠溶液瓶处理后排出室外;另一部分进入FSI烟气分析仪是主燃区、再燃区和燃尽区。燃料分级送入炉膛,在主燃区(精度为1×10)进行在线测量。火焰上方喷入另外的碳氢燃料,以建立一个贫氧富燃料区,促使生成的NO2转化为HCN,并最终得到无害的N256。使用天然气作为再燃燃料,脱硝率高,运行费用低,系统简单,投资较少,只需在炉膛适当位置布置几个喷口便可完成锅炉改造,且无二次污染。另外,再燃烧还具有一定的稳燃作用10尤其是低负荷运行时可使锅炉性能得到改善切。综合考虑再燃控制NO排放的突出经济、技术优势以及我国目前经济发321展水平,再燃技术有望成为我国燃煤电站控制NO排放的主流技术。影响再燃脱硝的因素很多,例如主燃区温度、氧浓度、碳燃尽率,再燃区温度、过量空气系数、再燃燃料种类、再1214燃比、停留时间,燃尽风喷入位置等等。文中对影响再燃脱硝成败的关键因素进行了实验研究,以期为再燃技术在我国图1天然气再燃脱硝实验系统简图的实际应用提供参考和借鉴。1主燃区烟气瓶2天然气瓶3NO气瓶4流量计5气体混合瓶6预热1实验装置炉硅碳管7.预热炉8连接管及保温材料9反应炉硅碳管10反应炉1空气瓶12水冷管13烟气分析仪14尾气处理瓶实验装置如图1所示,采用硅碳管为电加热装置,以炉O进-cNo出脱硝效率φ的计算公式为收稿日期:200701-03进高(1979)男,博士研究生。济南,250061山东省自然科学基金重点资助项目(∠2006F04)式中C进为进囗的NO浓度,CNo出为出口NO浓度。20电站系统工程2007年第23卷2实验结果及分析原效率先增加后减小,在a=0.8时,脱硝效率达到最高值由再燃还原NOx的机理可知,再燃区中的过量空气系数存图2研究了不同温度下再燃区天然气NO摩尔比对脱硝在着一个最佳值:过量空气系数过大,再燃燃料在高温下迅效率的影响。由图可知随着天然气NO摩尔比增加,脱硝效率不断提高,因为在贫氧富燃料燃烧条件下,再燃燃料量越速被氧化,无法还原NO2;过量空气系数过小,将会有大量未反应的HCN和CH;离开再燃区,并在燃尽区中被氧化为多,形成的中间还原性物质浓度就越大,脱硝效率也就越高。在相同再燃量的条件下,实验温度范围内,随着再燃区温度新的NO2。实验结果也很好验证了上述机理。0.85的升髙,脱硝效率不断增加。这是因为高温有利于提高固定1150℃080050℃氮类化合物(NH3、HCN、NO)的分解速率,能促使含氮075中间产物转化为N2,有利于增加CH2、O、OH和H等反应0.65基团的生成浓度。09·1200℃0.5010800o℃070.400350.20.40.61.012Reburn stoichiometry ratio0.2图4再燃区过量空气系数对脱硝效率的影响0.1原则上,在再燃区的停留时间越长,还原反应进行得越充分,脱硝效率越髙。为了考察停留时间对NO还原效率的Natural gas八NO影响,再燃区1150℃时,保持一定的NO浓度,停留时间图2再燃区天然气NO比对脱硝效率的影响从076s增加到3.05s,NO还原效率随停留时间的变化规不同温度对再燃区脱硝效率的影响见图3。实验结果表律如图5所示。停留时间由0.76s增至1.53s时脱硝效率增明:800~1000℃条件下,再燃脱硝的效率很低,脱硝效加较快,但随着停留时间的进一步增大,即由153s增至305率随温度增加变化较小。当温度从1000℃变化到1150℃s时脱硝效率增势趋于平缓,可见1.53s已足以满足脱硝反时,脱硝效率迅速增加;在1150℃至1250℃时,脱硝效应充分进行的要求,过多延长再燃区停留时间意义不大。实率增势逐渐减弱,说明再燃脱硝对温度十分敏感际锅炉中再燃区的停留时间由再燃燃料喷口和燃尽风喷口1.0位置决定,如果增加再燃区的停留时间而将再燃燃料喷口布09▲NO初始浓度582pp置在靠近主燃烧器的位置,则势必减少主燃烧区的停留时08NO初始浓度700pm间,这样不仅会降低主燃区燃料的燃尽率,而且会使较多的06主燃区过量氧进入再燃区,减弱了还原性气氛,从而降低了g0.5-脱硝效率。另外,天然气在再燃区停留时间还随燃尽风射入03位置而改变,同时还受锅炉燃烧方式和炭燃尽率等条件限0.2制,不能随意地增加。0.11.0080o90010001100120013000.9Temperature/C0807图3再燃区温度对脱硝效率的影响0.6温度对化学反应速率的影响可以根据质量定律和2529zArrhenius定律来描述:0403W=k∏c-k∏ly;k=AT"e∞p02化学反应速率w与反应物浓度C成指数关系增加,与0.5152.0253.0化学反应速率常数k成正比,而k随温度T成指数关系增加。esident time(s)因此,提高反应温度可以明显提高化学反应速率。在1200图5再燃区停留时间对脱硝效率的影响℃时,最高的脱硝效率接近80%,此后再提高温度,脱硝效率增加并不明显。由于1300℃是热力型NO2生成的转折湖3结论度,因此不能一味地提高再燃区温度本实验重点考察了天然气再燃过程中,不同天然气NO通过控制空气瓶流量,使过量空气系数a由0.3变化至比、再燃区温度、过量空气系数、停留时间对脱硝效率的影1.0,再燃区过量空气系数对NO还原效率的影响如图4所响。实验结果表明:脱硝效率随天然气NO摩尔比、再燃区示。从图中可以看出,随着过量空气系数a的增加,NO还温度的增加而增大;再燃区过量空气系数存在最佳值,本实第4期高攀等:天然气再燃还原NO的实验研究21验α=0.8时脱硝率最高;延长再燃区停留时间有利于降低小].Fuel,199978:689~699NO的排放,但超过13s后继续增加停留时间,脱硝效率4]徐华东,罗永浩,王恩禄,等再燃烧技术及其在我国的应用前景变化并不明显动力工程,2001,2(4):1320~1323郭永红,孙保民,康志忠.超细粉再燃技术中HCN对NO的生成和参考文献还原的影响叮电站系统工程,2005,21(215~17[〕毛健雄毛健全,赵树民等煤的清洁燃烧[M科学出版社,19986]吴双应,李友荣,卢啸风,等.再燃烧技术原理及其影响因素分析[2]Rafael Bibao, Angela Millera, Maria Alzueta, et al. Evaluation of the冶金能源,2002,21(2)24~29use of different hydrocarbon fuels for gas reburning圓rue19(7赵莉,阎维平,刘忠,等温度对超细煤粉再燃降低NO排放的影76(14/15):1401~1407响动力工程,2005,25(6):887~890[3] Waseem A Nazeer, Robert E Jackson, Jacob A Peart, et al. Detailed编辑:巨川measurements in a pulverized coal flame with natural gas rebuming(上接第18页)降噪后同一状态的近似熵发生了明显的变有效性。因此,噪音对近似熵计算结果仍然有很大的影响,化,区分度明显提高。同时也说明了本文提出的降噪方法的必须对原始信号进行消噪处理。这样可更加准确地区分出不X10同工况并进行故障的判别。64结论本文探讨了用分形理论来分析旋转机械动力系统的特AN 3t性,恰当定义动力系统的分维数对旋转机械的常见单一故障具有良好的区分度。实验和分析表明,分形理论能有效地识别旋转机械的常见故障。(1)应用一种新的降噪方法作为计算风机工作状态的近似熵的前期处理,使得近似熵更接近于该工作状态的真实020040060080010001200值,提高了对风机运行状态描述的准确性与可靠性。(2)振动信号在一定的尺度范围内具有分形特征,分形图3轴承不对中状态X10维数作为旋转机械设备故障诊断的敏感因子是可行的,分形35维数使识别不同工作状态变得相对容易,避免了传统频域或时域分析诊断的复杂性,只用一个简单的数就可以来进行状2.5态监测和故障诊断,这种方法简单、直观、易行,采用分形维数作为故障的特征参数,克服了传统方法在故障特征的提1.5取、分析上的困难。(3)研究分析了风机的振动信号近似熵,研究结果表明:风机在不同工作状态下,近似熵有明显的区别,可以作0.5为识别风机运行状态的特征量20040060080010001200参考文献[1]石博强,申焱华.机械故障诊断的分形方法—理论与实践M]图4动静碰摩状态北京冶金工业出版社,2001.157~195X10[2]彭玉华.小波变换与工程应用M北京:科学出版社200.28~36[3]洪波,唐庆生,杨福生,等.近似熵、互近似熵的性质、快速算法及其在脑电与认知研究中的初步应用UJ信号处理,199b5(2l00~108[4]姜万录,张淑清,王益群.基于混沌和小波的故障信息诊断[M]北京国防工业出版社,20055]胥永刚,何正嘉分形维数和近似熵用于度量信号复杂性的比较研究[门振动与冲击,2003,22(3):25~276]訾艳阳.基于非乎稳信号特征提取原理的实用诊断技术研究西安:西安交通大学报,200020040060080010001200[7]轩松涛,郭伟张之敬分行理论及小波分析在快速故障诊断中的应用研究门设计与研究,2003,5:1~3图5轴承松动状态[8]汪光阳,周义莲.风机振动故障诊断综述[门安徽工业大学学报,表近似熵计算结果206,23(1):64~68近似熵正常状态动静碰摩质量不平街轴承不对中轴承松动[9]胥永刚,李凌均,何正嘉近似熵及其在机械设备故障诊断中的应消噪前0.7413055807628080960758用]信息与控制,2002,31(6):547~551消噪后0101902830015620840067编辑:闻彰