生物质再燃脱硝特性的实验研究

第26卷第6期电站系统工程Vol26 No 62010年11月Power System Engineering文章编号:1005-006X(2010)06-001004生物质再燃脱硝特性的实验研究山东大学牛胜利韩奎华路春美摘要:沉降炉实验结果表明,生物质再燃可以获得70%左右的脱硝效率.在1373K温度范围内,随着温度的升高,棉秆、麦秆、梧榈木和松木的再燃脱硝效率均有提高,为保证较高的脱硝效率,再燃区过量空气系数、再燃比以及停留时间应分别为06~08、20%和07s左右,同时,燃料粒径对脱硝效率影响不明显,而随着NO初始浓度的增加,脱硝效率得到相应的提高关键词:生物质;再燃;一氧化氮中图分类号:X7017文献标识码:AExperimental Study on Nitric Oxide Reduction by Biomass ReburningNIU Sheng-li, HAN Kui-hua, LU Chun-meiAbstract: It is concluded that efficiency of 70%NO reduction could be achieved when biomass is used as the rebumingfuel on a drop tube fumace experimental system. As temperature increasing, the No reduction efficiencies ofcotton-haulm, wheat-stalk, phoenix and pinewood are all heightened when temperature is lower than 1373K. Toguarantee the high NO reduction efficiency, the excess air ratio, the reburning fuel fraction and residence time in therebuming zone should be kept as 0.6-0.8, 20%and 0.7s respectively. However, the influence of reburning fuel diameteris weak on NO reduction and high initial NO concentration promotes the reduction processKey words: biomass; rebuming; nitric oxide燃煤电厂排放一氧化氮(NO)引起了酸雨、光化学烟梧桐木( phoenix)、松木( pinewood两种林业废弃物作为研究雾等越来越严重的环境问题,给人们的生产和生活带来了极对象,从温度( temperature)、再燃区过量空气系数(a)、再燃大的不便,为此开发积极有效的低NO排放技术,是当前研比( reburning fuel fraction,Rm、停留时间(r)、粒径( diameter)究的热点问题。燃料再燃( reburning)12是一种研发较早的以及初始NO浓度 (initial|o等方面,对生物质再燃的脱硝低NO排放控制技术,在采用低NO燃烧器的基础上,通常特性进行了详尽而又系统的研究,期望从中得出的结论能为可以取得50%~70%的脱硝效率,但以往再燃燃料的选取多生物质应用于燃煤电厂再燃法NO的脱除,提供理论依据和集中在天然气、液化石油气以及超细煤粉等化石燃料上,随实验经验着能源短缺问题的日益凸显,农林废弃物等可再生的生物质资源作为再燃燃料的优势逐步被人们所认可,同时生物质燃烧的CO2零排放特点,对于缓解“温室效应”也具有一定的促进作用国外在生物质再燃技术方面的研究较多。 adams在旋风炉中分别采用空气和循环烟气作载气时,木屑再燃脱硝率为45%和55%6;Via5通过实验与模拟相结合的方法,研究了生物质挥发分和固定碳分别对NO还原的影响,得到75%左右NO还原率; Ballester在大型沉降炉上的实验表明了am4向当再燃区过量空气系数为091,再燃比为15%,停留时间为1空气压缩机2滤油器3液化气4浮子流计5点火器6螺旋线圈1ls时,生物质较天然气再燃效率低4%~10%,为60%左7阀门8脱水器9NO10给料机1温控柜12热电偶13内刚玉管14硅右,但国内在此方面的研究较少9,所得结论也不完全一碳管15外刚玉管16引风机17取样枪18预处理器19烟气分析仪致,生物质再燃技术的工业化应用还有待进一步的验证,同图1沉降炉实验系统图时由于生物质具有明显的地域分布特征,因此针对某一地区1实验系统与实验力法的生物质展开相应的再燃脱硝实验研究,具有重大的理论研究意义和实际应用价值实验系统如图1所示,主要由主炉、送引风机、多孔介本文正是在这一背景下,选用在山东省内有大量分布的质燃烧器、温度控制系统、生物质给料机、烟气取样分析系棉秤(tam麦支杆(hc)两种农作物秸秆以及统中国煤化工判外依次是内刚玉管收稿日期:20100705·通讯作者:路春美牛胜利(1983-),男,博士研究生。济南,250061心区LELCNMHG内刚玉管是反应的核m。采用孔径为本研究得到教育部博士研究生学术新人奖;山东省自然科学基金项目(ZR20006,ZRHM)山东大学研究生自主创新基金资100m的陶瓷制成多孔介质燃烧器,由TK701型点火器高助项目(zc0967)的资助电压点火。采用自制的双线螺杆式给料系统实现再燃燃料的第6期牛胜利等:生物质再燃脱硝特性的实验研究供给,调整给料机的转速保证不同工况下生物质的给料量,烟气分成4股经内径为8mm的管路以四角切圆对冲的方式给料均匀度在4%以内吗进入混合室,与生物质混合,在刚玉管内的高温环境下反应实验主燃料为济南市民用液化石油气( liquefied后,向下流动至炉膛底端的取样枪进行取样,取样枪在垂直petroleum gas,LPG),流量01~0.12№m3/h,助燃空气由位置可以移动,以改变反应区的停留时间取样烟气经过无空气压缩机供给,经过串联的两个滤油器净化处理后,与液水干燥、粉尘过滤以后,进入到FGA4100型烟气分析仪测化气混合在燃烧器中点火燃烧烟气经螺旋线圈冷却后分成量烟气成分,其中O2和NO体积分数的精确度分别为001%两路,一路作为主烟气,与NO混合后从炉膛上部进入到刚和1×106。在上下硅碳管的接线柱处以及取样枪的四周玉管中模拟再燃初始烟气;另一路通过阀门接通大气,对冷都布置有循环冷却水系统,对系统进行高温过热保护。实验却烟气做去水处理。NO由高压气瓶供给,平衡气为N2主所用生物质的工业分析和元素分析如表1所示1生物质工业分析及元素分析样品工业分析丶元素分析w棉秆赑—6—45.145.7441091250171598962921862410251028751.390.1216582梧桐木08473.511763425448831.351.070201941732482873143.8802802019500续升高至1273K时,化学反应速率对脱硝进程的影响已逐2结果与讨论步被削弱,并且此时,农、林生物质基本上能取得较为一致21温度对生物质再燃脱硝效率的影响的脱硝效率,都为65%左右。进一温度,化学反应速从图2中可以看出,生物质再燃可以取得70%左右的脱率得到强化,脱硝效率持续增加,在1373K时,棉秆、麦硝效率。因此,将生物质应用于燃煤电厂NO污染物的脱除,秆、梧桐木、松木的脱硝效率分别达到67.00%、7000%在理论上是可行的。各生物质的脱硝效率均随着温度的升6902%和7095%。继续升高温度,反应逐步进入到扩散控高,而相应地增加。在低温阶段,受限于较低的化学反应速制反应区,在其它条件一定的情况下,脱硝效率的增加不再率,4种生物质的脱硝效率均较低,但农业废弃物的脱硝效果明显好于林业废弃物。在1073K时,棉秆和麦秆的脱硝22再燃区过量空气系数对生物质再燃脱硝效率的影响效率分别为53.50%和5700%,而梧桐木和松木分别只能达脱硝反应的发生必须保证再燃区在一定程度上的还原到3249%和3000%的效率。当温度升高至1173K时,虽然性气氛,图3所示为再燃区过量空气系数对脱硝效率的影响脱硝效率有所提高,并且不同种类生物质脱硝效率的差异也规律.农业废弃物棉秆和麦秆的脱硝效率,随着过量空气系逐步减小,但较低的化学反应速率的限制作用依然较为明数的增大,而不断地降低,从a=06时的6850%和7000%显,棉秆和麦秆的脱硝效率分别为5480%和5900%,而梧降低到a1.0时的5700%和51.00%,并且进一步地降低到桐木和松木的相应数值分别为51.69%和5370%当温度继a=12时的41.50%和3200%对于林业废弃物梧桐木和松木,其脱硝效率从a=0.6时的6267%和60.1%升高到a=07时的6729%和6865%此后随着还原性气氛的削弱,效率值降低到a=10时的48.06%和5516%以及∝12时的3269%和3912%NO的还原必须有O2的参与,保证中间a=08产物HCN向NCO,进而向N2的转变,但是过量O2的存在ro.7s会强化氧化反应的发生,使得NCO向着NO生成方向的反则÷Aram应加剧,会在一定程度上降低脱硝效率。根据本实验以及大多数的研究结果,再燃区的过量空气系数一般应维持在06~0.8249之间。图2温度对脱硝效率的影响23再燃比对生物质再燃脱硝效率的影响再燃比是从发热量的角度出发定义的,即再燃燃料的发热量占主燃料和再燃燃料发热量之和的比值图4所示为在改变再燃区过量空气系数的工况下,再燃比对脱硝效率的影响规律。从图中可以看出,在各自的再燃比条件下,过量空diameter 149-0 177mm气系数的续讼坦符,都是随着a值的增加中国煤化工件相同时,脱硝效率initial NO-600x10随着CNMHG.以a07为例,在再燃比为10%、20%和30%时,脱硝效率分别为61.00%6770%和7000%。在还原性气氛下,再燃区必须有充足的图3过量空气系数对脱硝效率的影响再燃燃料才能释放足够的还原性基团,以此保证脱硝反应的电站系统工程2010年第26卷进行,但由于主燃料与再燃燃料性质的不同,过多再燃燃料得到相应的增加,以麦秆为例,在NO浓度为400×10°时,的加入,可能会影响炉膛的燃烧稳定性和燃尽率,为此在保其效率值为6070%,而当NO浓度提高到800×10时,效证脱硝率的前提下,再燃比一般应维持在20%左右率增加到69709%,此后将NO初始浓度设定为1000×106时,效率进一步增加到7212%,而棉秆也表现出了相同的变化趋势。再燃法脱硝在高NO浓度时表现出的良好的反应特性,进一步证实了生物质再燃应用于燃煤电厂NO脱除的0可行性。s亠3mdiameter-0.149-0177mm02500r0.7sinitiaI NO=600×104cotton-haulm图4再燃比对脱硝效率的影响Rff%.图6粒径对脱硝效率的影响-cotton-haulma=09nperature1273K01490177mm图5停留时间对脱硝效率的影响24再燃区停留时间对生物质再燃脱硝效率的影响再燃的发生需要经历再燃燃料的热解以及还原基团与initial NO/1NO的接触,因此,为保证较为彻底的脱硝反应,再燃燃料图7初始NO浓度对脱硝效率的影响必须在再燃区有足够的停留时间,图5所示为停留时间对棉秆再燃脱硝特性的影响趋势。再燃区05s的停留时间显然3结论不能满足脱硝进程的彻底发生,而当停留时间延长为07s本文在沉降炉上对棉秆、麦秆以及梧桐木、松木等4种时,脱硝效率能提高8%,而此后进一步将停留时间延长到生物质的再燃脱硝特性进行了系统的研究,结果表明,生物09和1ls时,脱硝效率的增加不明显·在实际炉膛中,再质再燃可以取得70%左右的脱硝效率将生物质应用于燃煤燃区的位置由主燃区和燃尽区共同决定,在烟气流速确定的电厂NO污染物的脱除是可行的,主要结论如下工况下,以缩短主燃区和燃尽区的长度,而达到高NO还原(I)在低温阶段棉秆和麦秆的脫硝特性明显好于梧桐率所需要的再燃区停留时间,会增加燃尽区的燃烧负荷和锅木和松木,随着温度的升高,生物质再燃脱硝效率得到相应炉的不完全燃烧热损失。因此,为了保证NO还原率,同时的提高,并且不同种类生物质脱硝效率的差距逐步减小,在兼顾燃烧热效率再燃区的停留时间应维持在0754左右.1273K时,这4种生物质能取得较为一致的脱硝效率。同2.5燃料粒径对生物质再燃脱硝效率的影响时,在高于1373K的高温区间,温度对脱硝效率的影响不从图6中可以看出,当保持其它工况条件一定时,燃料再明显粒径对再燃脱硝效率的影响不是十分明显。除了在a=09工(2)为保证生物质再燃能取得较高的脱硝效率,同时况外,差值都较小这和生物质的燃料特性有关,与煤相比,结合燃烧稳定性和燃尽率方面的考虑,再燃区的过量空气系生物质密度更小,结构更为疏松,更易于着火和燃烧,因而数、再燃比和停留时间的数值,一般应维持在06~0.8、20%本实验所涉及的两个粒径,对其脱硝效率并无明显影响.同以及07s左右。同时,在0.149~0354mm的范围内,燃时,也说明当采用生物质作为再燃燃料时,为了达到较高的料粒径的变化对脱硝效率影响不明显,而随着初始NO浓度脱硝效率以及节省破碎耗功的目的,没有必要将其粉碎得过从H中国煤化工质再燃的脱硝效率得到明2.6初始NO浓度对生物质再燃脱硝效率的影响NMH图7所示为采用棉秆和麦秆两种农业废弃物作为研究(u)Rumr, Kramlich J C, Malte P C, ef al. nitrous oxide emissions对象,考察初始NO浓度对生物质再燃脱硝特性的影响。在control by rebuming [ Combustion and flame, 1996, 107 (4): 453-400~1000×10°的范围内,随着NO浓度的增加,再燃效率(下转第15页)第6期卞素芳等:生物质与煤混合燃烧过程中灰沉积特性的研究15混合燃烧时灰沉积特性同时受多种因素的影响,而且各因素大学,2006之间也会相互彩响因此多种因素对混合燃烧时灰沉积特性[1]李琦芬,任建兴等粘秆类生物质燃烧结渣与沉积倾向分析的影响是今后重要的研究方向2上海电力学院学报,2007[12] Tomasz Kupka, Marco Mancini, Michael Irmer, et al. Investigation of4结论ash deposit formation during co-firing of coal with sewage sludge,saw-dust and refuse derived fuel []. Fuel, 2008, 87: 2824-2837生物质与煤混合燃烧时,灰沉积过程与碱金属和C1的3] Mischatheis, Bengt Johanskrifvars, Mik- Kahuna. Fouling tendency of析出关系密切。析出的碱金属氯化物会与煤中的矿物质发生ash resulting from buming mixtures of biofuels partI: deposition rates反应,生成高熔点的碱金属硅铝酸盐,提高了灰的熔融温度。门Fuel,200,85:1125~1130同时减少了碱金属氯化物的析出量和沉积灰中Cl的含量[14] Robinson A L, Junker H, Baxter LL. Pilot-scale investigation of theinfluence of coal-biomass cofiring on ash deposition U]. Energy抑制了锅炉表面的灰沉积和腐蚀。灰粒在受热面上的沉积方Fuels,2002,16:43~55式包括积灰和结渣,积灰结渣是热迁移、惯性碰撞、凝结和[] Heinzel T, Siegle V, Spliethoff H, er a! Investigation of slagging in化学反应4个方面共同作用的结果。生物质与煤混合燃烧过pulverized fuel co-combustion of biomass and coal at a pilot-scale程中的灰沉积特性同时受多种因素的影响,其中主要的影响facility [] Fuel Process Technol, 1998, 54: 109-125.因素是燃料特性、混合比例和燃烧温度。D [6] Hein K RG, Heinzel T, Kicherer A, et al. 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