煤和煤焦还原NO的实验研究

第21卷第3期工程热物理学报Vol.21, No.32000年5月JOUR.NAL OF ENGINEERING THERMOPHYSICSMay, 2000煤和煤焦还原NO的实验研究钟北京施卫伟傅维标(清华大学工程力学系，北京 10084 )摘要本文报告了在NO初始浓度为1000x 10-6、不同的反应区温度和化学当量比的条件下，不同煤粉及其煤焦对NO还原的实验结果.实验结果表明，NO 的还原率不仅取决于反应区的化学当量比和反应温度,而且更重要的是取决于再燃燃料的性质、以及再燃燃料中金属氧化物的含量。煤粉作为再燃燃料还原NO时，煤焦的异相机理起主要作用.关键词.煤和煤焦; NO 还原;化学当量比中图分类号: TK16文献标识码: A文章 编号: 0253-231X(2000)03- 0383-051前言煤炭的直接燃烧是我国大气中氮氧化物NOx的主要来源，因此，掌握低NO的煤燃烧技术是我们面临的迫切需要解决的问题.燃料再燃[川是低NOz燃烧技术的-种,是控制污染物NOx排放的重要途径之- - 。当选择合适的再燃燃料时,再燃技术能大幅度降低NO.的排放量。再燃烧法的特点是,将炉内燃料的燃烧分成三个区域:主燃烧区、 再燃区和燃尽区。在再燃区化学当量比小于1.0,形成还原性气氛。在这种条件下再燃燃料与主燃烧区形成的NO:反应,使部分或大部分NO.还原成N2,从而实现低NOz排放。一般研究者认为，再燃燃料选用易燃气体较为理想，但最近的研究表明(2.3), 褐煤也是一种理想的再燃燃料。本文的目的就是利用褐煤、烟煤及其它们的煤焦作为再燃燃料,通过实验研究影响NOz还原过程和还原率的因素。2实验装置实验是在一维沉降炉中 完成的,其系统如图1所示，该实验装置主要包括:反应器、电加热系统、供粉系统、气路系统、冷却系统、温度测试及显示系统、烟气取样及分析系统等几部分组成[4。反应区所要求的温度水平及温度分布通过电加热系统来控制，实验所需的含一定 NO浓度的模拟烟气经预热器后送入反应器，然后作为再燃燃料的煤粉及煤焦经给粉器按实验要求送入，使其与NO发生还原反应，最后在反应区出口，用电脑烟气分析仪测定排气中NO浓度的变化。3实验结果及分析3.1再燃燃料性 质对还原效率的影响中国煤化工图2和图3给出了NO初始浓度为1000,MYHCNMHG为900°C和11009C实验条件下，不同再燃燃料对NO还原的效果随反应区化学当量比(SR)的变化。由图收稿日期: 1999-05-16; 修订日期: 2000-01-07基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.59606011)作者简企钟北高(1963-),男，江西瑞金人，副教授，博士,主要从事有机燃料清洁燃烧理论和燃烧技术的研究384I程热物理学报21卷~8-12,17~11~18 !1、3中中中中中1314' 15’ 16'图1实验系统示意 图.1氮气瓶，2空气压缩机，3流量计，4 NO气瓶，5空气预热器，6调压器,7. 上水管，8供粉器，g供粉管，10取样管，11加热炉， 12热电偶，13下水管，14 姻气分析仪，15 电位器，16 直流电源，17 琴键开关，18 硅碳棒中可以清楚地看出，不同的再燃燃料在相同的实验工况下，N0 的还原率差别很大.使用小龙潭褐煤及褐煤焦时，NO 的还原率很高，而使用大同烟煤和煤焦时，NO 的还原率较低。图4是根据图2整理出来的使用六种再燃燃料时NO的还原率随反应区化学当量比(SR)的变化。在化学当量比SR= 0.6~ 1.0范围内，褐煤、褐煤焦对NO的还原能力明显高于大同烟煤和烟煤焦,而在褐煤中小龙潭褐煤、褐煤焦的还原能力又高于富拉尔基褐煤、褐煤焦。造成这种差别的原因主要有以下几方面:首先,煤粉挥发份是NO均相还原的主要组分,挥发份越高,在缺氧条件下越有利于NO的还原。褐煤的挥发份比烟煤含量高，如小龙潭褐煤的挥发份百分含量为35.33%,富拉尔基为32.58%，而大同烟煤仅为26.49%。1000初始NO浓度: 1000X10*反应温度: 900C小龙潭褐煤800反应时间:0.4秒小龙潭褐煤焦600.高拉尔基褐煤中国煤化工行送400基褐煤焦MYHCNMHC同姻煤200大同烟煤焦0+0.50.60.70.80.91.1再燃区化学当量比图2不同化学当量比下NO还原的实验结果3期钟北京等:煤和煤焦还原NO的实验研究3851000.初始NO浓度: 100010~*反应温度: 1100C小龙潭褐煤800 -反应时间: 0.4秒小龙潭褐煤焦三600富拉尔基褐煤联400盲拉尔基褐煤焦会大同烟煤200.大同烟煤麃0.60.70.8091.01.1再燃区化学当量比图3不同化学当量比下NO还原的实验结果其次，煤焦比表面积是影响NO异相还原的主要因素。根据煤焦与NO异相反应的速率方程: V=kS.PNo， 可知，在其它条件相同的情况下，比表面积S越大，NO还原反应速率V越大。在我们使用的三种煤焦中，其比表面积分别为:小龙潭褐煤焦为69.68 m2/g，富拉尔基褐煤焦为52.45 m2/g，大同烟煤焦为22.68 m2/g.第三，煤灰中金属氧化物对NO的还原反应具有催化作用。煤灰中金属氧化物可以降低NO异相反应的活化能，加快NO还原反应的速度。根据三种煤的元素分析及工业分析数据，小龙潭褐煤的金属氧化物含量最高，其次是富拉尔基褐煤，大同烟煤的含量最低。有关NO催化还原的更详细的研究参见文献[5]。上述三种因素的联合作用，导致了小龙潭褐煤及煤焦具有最好的NO还原能力，而大同烟煤和煤焦对NO的还原能力最差。下面具体讨论一下 异相机理对NO还原所起的作用。分析图4,当化学当量比SR=0.8时,小龙潭褐煤还原NO效率为86.9%，小龙潭褐煤焦为85.0%。所以,在小龙潭褐煤还原NO反应中,褐煤焦的异相反应起了重要作用，异相反应的还原率占总还原率的45.78%，同样，在SR=0.7时，异相反应的还原率占总还原率的47.29%，SR=0.9时，为48.20%。对富拉尔基褐煤及其煤焦的分析可以得出类似的结果。所以，褐煤作为再燃燃料时，异相机理对NO的还原起了重要的作用。10080.芬60-40 -中国煤化工尔基褐煤焦20.反应温度: 900CYHCNMHG可烟煤反应时间:0.4秒初始NO浓度: 1000X10“大同烟煤焦0.50.6 .图4NO还原率随反应区化学当量比的变化工程热物理学报21卷3.2再燃区化学当量 t比对NO还原效率的影响从图2~4中可以清楚地看出，对于所有的再燃燃料，NO的还原率都强烈地依赖于再燃区的化学当量比，NO 的还原反应只有在贫氧条件下才能有效地发生。因为只有在贫氧条件~下,才能保证还原组分(如HCN, NH3等气相组分和焦碳C)与NO反应，且SR越小，越有利于NO的还原。在富氧情况下，上述还原组分首先抢夺氧气，而不易与NO反应，因为前者反应速度比后者大得多。由于这些原因，导致了实验中得到的NO还原率与SR的关系。即为: NO 的还原率随SR的减小而明显增大，其中在SR从0.7~ 1.0的范围内还原效率受SR的影响很大。3.3反应区温度对还原效率的影响为了保证还原反应正常进行,需要一定的反应温度。温度越高,反应停留时间越长,则还原反应越充分，NO的还原率越高。下面以小龙潭褐煤作为再燃燃料来分析反应温度对NO还原率的影响。图5给出了初始NO浓度是1000x10-6、用小龙潭褐煤作为再燃燃料时，反应温度对NO还原率影响的曲线。从图中可以看到，在相同的反应区化学当量比条件下，反应温度为1100°C 时NO还原率大于900°C时NO还原率,这是因为，反应温度越高，越有利于还原NO反应的进行。所以，在工业实际中,在条件允许的情况下，应尽量提高再燃区中的反应温度。100806040初始NO浓度: 1000X10~620.反应温度T= 900C●反应温度T =110000.50.60.70.91.01.1再燃区化学当量比图5反应温度对 NO还原率的影响(再燃燃料为小龙潭褐煤}4结论从以上的分析讨论中可以得到以下结论:(1)在煤粉作为再燃燃料时,褐煤对NO的还原能力明显强干烟煤，且煤焦的异相还原机理也起了重要的作用。中国煤化工(2)煤的挥发份、煤焦的比表面积和烧FHCNMHG量都对NO的还原具有重要的影响。煤粉挥发份越高、煤焦比表面积越大、煤灰中金属氧化物含量越多，则对NO的还原能力越强。(3)在NO还原反应中，再燃区化学当量比和温度对.o的还原率也起着决定性的作用。S月越史据 温度越高，越有利于NO还原反应的进行。3期钟北京等:煤和煤焦还原NO的实验研究387参考文献[1]赵惠富.污染气体NO的形成和控制，北京:科学出版社， 19932] Burch T E, TllmanF R, Chen w Y et al. Partitioning of Nitrogenous Species in the Fuel-Rich Stageof Reburning. Energy & Fuel, 1991, 5: 231- -237[3] Chen w Y, Ma Long. Efect of Heterogeneous Mechanisms During Reburning of Nitrogen Oxide.AIChE Journal, 1996, 42(7): 1968- -1975[4] 施卫伟.煤和煤焦还原NOz的实验研究， [硕士论文].北京:清华大学工程力学系， 1999[5] 钟北京，施卫伟,傅维标催化剂对NO还原率的影响.见:中国工程热物理学会燃烧学学术会议论文集，北京: 1999. V39-44EXPERIM ENTAL STUDY OF NO REDUCTIONWITH COAL AND CHARZHONG Beijing SHI Weiwei FU Weibiao(Engineering Mechanics Department, Tsinghua Uiniversity, Bejing 100084, China}A bstractThis paper has reported experimental results of NO reduction with coals andchars in conditions of initial NO concentrati中国煤化工reaction temperatureand stoichiometric ratio. Experimental resultYHCN M H Ging fciencg not onlyrest with reaction temperature and stoichiometric ratio in reburing zone, further more withproperties of fuels and the content of metal oxides. The heterogeneous mechanisms may bea main contribution to NO reduction using coals as reburning fuel.Key words, coals and chars; NO reduction; stoichiometric ratio