生物质高级再燃脱硝试验及NO还原化学动力学模拟

摘要

氮氧化物(NOx)是燃煤电站排放的主要污染物之一。燃料再燃(Fuel reburning)被认为是一种极具发展前景的NOx控制技术。根据再燃过程中是否添加还原剂（氨水、尿素溶液等），燃料再燃可分为基本再燃和高级再燃。由于生物质具有低硫氮、高挥发分、高灰焦活性以及零CO2净排放等特点，近年来采用生物质再燃脱硝的研究得到了研究者的普遍关注。本文以稻壳(RH)、木屑(SD)、生物质成型燃料(BB)和生物质炭(BC)等为对象，利用携带流反应装置，开展选择性非催化还原(SNCR)、生物质再燃以及生物质高级再燃脱硝特性的试验研究，探讨NO的还原机理，并运用Chemkin软件进行了SNCR脱硝化学动力学模拟，得到了如下主要结论: 1)研究了还原剂种类、反应温度、停留时间、氨氮比(NSR)、烟气组分、飞灰及添加剂等对SNCR脱硝特性的影响，结果表明:随着反应温度的升高，SNCR脱硝效率呈现先增加后降低的趋势。在NSR=0.7～2.0范围内，随着NSR的增加，脱硝效率逐渐增加，当NSR＞1.0时，脱硝效率增加趋势变缓。随着烟气中水蒸气含量(0～15％)的增加，脱硝效率呈现先增加后减少并逐渐趋于稳定的趋势，4％水蒸气条件下SNCR脱硝效率达到最大值，约为73.0％。碱金属（钠、钾）添加剂对SNCR脱硝具有显著的促进作用，燃煤飞灰对SNCR脱硝效率则具有一定的抑制作用，添加125μmol/molNa2CO3的SNCR脱硝效率可达84.9％，在水蒸气、CO、Na2CO3和飞灰的耦合作用下，仍可获得72.1％的SNCR脱硝效率,上述研究结果说明，水蒸气和碱金属添加剂有效促进了SNCR过程中氨基还原剂与NO的同相还原反应。 2)研究了生物质种类、再燃区反应温度（T2）、化学计量比、停留时间、初始NO浓度、水蒸气以及添加剂等对生物质再燃脱硝特性的影响，结果表明:在T2=850～1150℃范围内，随着T2的升高，生物质再燃脱硝效率不断增加。随着烟气中水蒸气的增加，脱硝效率呈现先增加后降低并逐渐趋于平稳的趋势，且在4％水蒸气和T2=1100℃条件下，获得79.1％最大脱硝效率。碱金属添加剂对生物质再燃脱硝效果有一定的促进作用，其中，NaCl与Fe2O3促进作用最为显著，NaOH与Na2CO3次之，Ca(OH)2与KCl最低;添加剂浓度(50～150μmol/mol)对脱硝效率的影响不大，水蒸气与Fe2O3耦合能显著提高生物质再燃的脱硝效率。 3)研究了生物质种类、再燃区反应温度、烟气中水蒸气含量以及添加剂组分与浓度对生物质高级再燃脱硝特性的影响，深入探讨了生物质同相和异相还原机理，结果表明:在T2=850～1150℃范围内，随着T2升高，其脱硝效率均呈现先上升后降低的趋势。在T2=1000℃时，稻壳脱硝效果最佳，木屑次之，生物质成型燃料和生物质炭最差。随着烟气中水蒸气含量的增加，生物质高级再燃脱硝呈现先增加后降低并逐渐趋于平稳的趋势，且4％水蒸气下的脱硝效率最大;水蒸气不仅可以显著提高生物质高级再燃脱硝效率，而且可以拓宽脱硝温度窗口。金属添加剂对高级再燃脱硝效果具有不同的促进作用，其中，Fe2O3促进作用最为明显，NaOH、NaCl和Na2CO3次之，KCl和Ca(OH)2最弱。当添加剂浓度大于50μmol/mol时，添加剂浓度对脱硝效率影响不大，水蒸气与添加剂耦合可显著增加生物质高级再燃的脱硝效率。在4％水蒸气与100μmol/mol NaCl或Na2CO3耦合作用下，生物质高级再燃的脱硝效率分别可达85.5％或84.4％，与无添加剂情况相比，分别提高12.5和11.4百分点。生物质高级再燃过程中，当T2＞900℃时稻壳中氯和钾的释放率分别可达95.0％和59.8％以上。 4)基于Chemkin软件和SNCR脱硝化学动力学模型，开展了SNCR脱硝化学动力学模拟，结果表明:随着停留时间增加，在不同初始NO浓度下，SNCR脱硝效率均呈现先增加后趋于稳定的趋势，且初始NO浓度越大，达到最大脱硝效率所需的停留时间越长。随着氨氮比的增加，SNCR脱硝效率逐步增加，当NSR大于1.5时脱硝效率基本趋于稳定。在相同工况下，SNCR的模拟结果与试验结果吻合较好。SNCR脱硝的敏感性分析和生成率分析结果表明，一方面，反应RI-25和RI-26的敏感性系数最大，即NH2和NNH基团对NO还原具有较大影响;另一方面，反应RI-25、RI-26和RI-56的生成率系数均为负值，说明其对NO还原的贡献较大。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 燃煤NOx的生成机理

1．2．1 热力型NOx

1．2．2 燃料型NOx

1．2．3 快速型NOx

1．3 燃煤NOx的控制技术

1．3．1 燃烧改进技术

1．3．2 烟气脱硝技术

1．3．3 高级再燃技术原理

1．4 国内外的研究现状及趋势

1．4．1 SNCR脱硝技术研究现状及趋势

1．4．2 生物质再燃脱硝研究现状及趋势

1．4．3 生物质高级再燃脱硝研究现状及趋势

1．4．4 NOx还原化学动力学模拟的研究现状

1．5 本文的主要研究内容

1．6 本章小结

第2章 试验装置与方法

2．1 试验装置

2．2 试验方法及步骤

2．2．1 试验方法

2．2．2 试验步骤

2．3 本章小结

第3章 选择性非催化还原(SNCR)脱硝的试验研究

3．1 引言

3．2 试验工况参数的选择

3．3 实验结果及分析

3．3．1 反应温度及还原剂种类对脱硝效率的影响

3．3．2 停留时间对脱硝效率的影响

3．3．3 初始NO浓度对脱硝效率影响

3．3．4 氨氮比对脱硝效率的影响

3．3．5 O2浓度对脱硝效率的影响

3．3．6 CO浓度对脱硝效率的影响

3．3．7 水蒸气对脱硝效率的影响

3．3．8 添加剂对脱硝效率的影响

3．3．9 添加剂浸渍飞灰的制备及其对脱硝效率的影响

3．3．10 水蒸气／CO／添加剂浸渍飞灰对脱硝效率的耦合作用

3．4 本章小结

第4章 生物质再燃脱硝的试验研究

4．1 引言

4．2 生物质的预处理及其测试分析

4．2．1 生物质的预处理

4．2．2 生物质原料的工业分析

4．2．3 元素分析

4．2．4 微量元素分析

4．2．5 热值分析

4．3 试验工况的确定

4．4 实验结果与分析

4．4．1 生物质种类及反应温度对脱硝效率的影响

4．4．2 化学计量比(SR2)对脱硝效率的影响

4．4．3 停留时间(τ)对脱硝效率的影响

4．4．4 初始NO浓度对脱硝效率的影响

4．4．5 水蒸气对脱硝效率的影响

4．4．6 添加剂制备及其对脱硝效率的影响

4．5 本章小结

第5章 生物质高级再燃脱硝的试验研究

5．1 引言

5．2 实验参数选择

5．3 实验结果与分析

5．3．1 生物质种类及反应温度对脱硝效率的影响

5．3．2 停留时间对脱硝效率的影响

5．3．3 氨氮摩尔比(NSR)对脱硝效率的影响

5．3．4 化学计量比对脱硝效率的影响

5．3．5 初始NO浓度对脱硝效率的影响

5．3．6 喷氨部位对脱硝效率的影响

5．3．7 水蒸气对脱硝效率的影响

5．3．8 添加剂对脱硝效率的影响

5．3．9 高级再燃对生物质灰焦形成的影响

5．3．10 生物质高级再燃过程中碱金属和氯的迁移

5．4 本章小结

第6章 SNCR脱硝化学动力学的模拟研究

6．1 引言

6．2 化学动力学模拟介绍

6．2．1 化学动力学模拟基本方法

6．2．2 Chemkin软件简介

6．3 NO还原的动力学模型

6．3．1 化学反应动力学模型

6．3．2 化学反应机理描述

6．3．3 计算物理模型及其假设

6．3．4 化学动力学分析

6．4 SNCR模拟结果及分析

6．4．1 反应温度对SNCR脱硝效率的影响

6．4．2 停留时间及初始NO浓度对SNCR脱硝效率的影响

6．4．3 氨氮摩尔比(NSR)对SNCR脱硝效率的影响

6．4．4 SNCR脱硝的敏感性分析和生成率分析

6．5 本章小结

第7章 全文总结与建议

7．1 本文主要结论

7．2 本文的创新点

7．3 研究工作展望与建议

参考文献

附录Ⅰ

在读期间发表的学术论文及研究成果

致谢