第23卷第4期電站系統(tǒng)工程Vol 23 No, 42007年7月Power System EngineeringJul,2007文章編號(hào):1005-006X(2007)04001903天然氣再燃還原NO的實(shí)驗(yàn)研究”山東大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院高攀路春美甄天雷摘要:天然氣再燃是控制燃煤電站氮氧化物排放的先進(jìn)技術(shù)。對(duì)天然氣再燃還原NO的關(guān)鍵影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)脫硝效率隨著天然氣NO摩爾比以及溫度的增加而提高:再燃區(qū)存在最佳過量空氣系數(shù),a在08左右時(shí)脫硝效率最高;延長(zhǎng)再燃區(qū)停留時(shí)間有利于降低NO的排放,但超過153s后,繼續(xù)增加停留時(shí)間對(duì)脫硝效率的影響并不明顯。關(guān)鍵詞:天然氣;再燃;脫硝效率中圖分類號(hào):TK16;TK411.51文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: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 increasesquickly with enhancement of molar ratio of natural gas to NO and the reburn temperature; there exists an optimum reburnstoichiometric 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我國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó),煤產(chǎn)量占世內(nèi)剛玉管為反應(yīng)器,溫度可在室溫至1500℃范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。界的25%。煤燃燒排放的大量No是一種極難處理的大氣污實(shí)驗(yàn)所需各種氣體均由髙壓氣瓶提供,其中再燃燃料釆用的染物,它不僅刺激人的呼吸系統(tǒng),損害植被,破壞臭氧層,天然氣,按甲烷、乙烷百分比10:1配制。主燃區(qū)煙氣、NO而且是引起溫室效應(yīng)、酸雨和光化學(xué)反應(yīng)的主要物質(zhì)之氣、天然氣各自經(jīng)過流量計(jì)流入混合瓶,均勻混合后進(jìn)入預(yù)幾十年來圍繞燃煤脫硝這一全球性的課題,國(guó)內(nèi)外研究者開熱爐,空氣經(jīng)過反應(yīng)爐一側(cè)預(yù)熱,在連接管處與經(jīng)過預(yù)熱的展了大量研究工作,開發(fā)出許多低NO燃燒技術(shù),尤其是20混合氣共同進(jìn)入反應(yīng)段。為確保測(cè)試氣氛不發(fā)生變化,反應(yīng)世紀(jì)90年代后在國(guó)外逐漸推廣的再燃技術(shù),受到世界范圍內(nèi)后氣體經(jīng)過水冷管迅速冷卻,一部分經(jīng)過高錳酸鉀、氫氧化的廣泛關(guān)注2-0。再燃技術(shù)是將爐膛分為3段進(jìn)行燃燒,分別鈉溶液瓶處理后排出室外:另一部分進(jìn)入FSI煙氣分析儀是主燃區(qū)、再燃區(qū)和燃盡區(qū)。燃料分級(jí)送入爐膛,在主燃區(qū)(精度為1×106)進(jìn)行在線測(cè)量。火焰上方噴入另外的碳?xì)淙剂?以建立一個(gè)貧氧富燃料區(qū),促使生成的NO2轉(zhuǎn)化為HCN,并最終得到無害的N2時(shí)。使用天然氣作為再燃燃料,脫硝率高,運(yùn)行費(fèi)用低,系統(tǒng)簡(jiǎn)單,投資較少,只需在爐膛適當(dāng)位置布置幾個(gè)噴口便可完成鍋爐改造,且無二次污染。另外,再燃燒還具有一定的穩(wěn)燃作用,10尤其是低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)可使鍋爐性能得到改善。綜合考慮再32L燃控制NO排放的突出經(jīng)濟(jì)、技術(shù)優(yōu)勢(shì)以及我國(guó)目前經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平,再燃技術(shù)有望成為我國(guó)燃煤電站控制NO排放的主流技術(shù)影響再燃脫硝的因素很多,例如主燃區(qū)溫度、氧濃度、碳然盡率,再燃區(qū)溫度、過量空氣系數(shù)、再燃燃料種類、再燃比、停留時(shí)間,燃盡風(fēng)噴入位置等等。文中對(duì)影響再燃脫硝成敗的關(guān)鍵因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,以期為再燃技術(shù)在我國(guó)圖1天然氣再燃脫硝實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖的實(shí)際應(yīng)用提供參考和借鑒。1主燃區(qū)煙氣瓶2天然氣瓶3NO氣瓶4流量計(jì)5氣體混合瓶6預(yù)熱1實(shí)驗(yàn)裝置爐硅碳管7預(yù)熱爐8連接管及保溫材料9反應(yīng)爐硅碳管10.反應(yīng)爐11空氣瓶12水冷管13煙氣分析儀14尾氣處理瓶實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,采用硅碳管為電加熱裝置,以爐No進(jìn)cNO出脫硝效率φ的計(jì)算公式為驢收稿日期:2007-0103O進(jìn)高葶(1979),男,博士研究生。濟(jì)南,250061中山東省自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(2006F04)式中CN進(jìn)為進(jìn)口的NO濃度,CNO出為出口NO濃度。0電站系統(tǒng)工程2007年第23卷2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析原效率先增加后減小,在a=0.8時(shí),脫硝效率達(dá)到最高值由再燃還原NO2的機(jī)理可知,再燃區(qū)中的過量空氣系數(shù)存圖2研究了不同溫度下再燃區(qū)天然氣NO摩爾比對(duì)脫硝在著一個(gè)最佳值:過量空氣系數(shù)過大,再燃燃料在高溫下迅效率的影響。由圖可知隨著天然氣NO摩爾比增加,脫硝效速被氧化,無法還原NO3過量空氣系數(shù)過小,將會(huì)有大量率不斷提高,因?yàn)樵谪氀醺蝗剂先紵龡l件下,再燃燃料量越未反應(yīng)的ECN和CH離開再燃區(qū),并在燃盡區(qū)中被氧化為多,形成的中間還原性物質(zhì)濃度就越大,脫硝效率也就越高在相同再燃量的條件下,實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi),隨著再燃區(qū)溫度新的NO。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也很好驗(yàn)證了上述機(jī)理。0.85的升高,脫硝效率不斷增加。這是因?yàn)楦邷赜欣谔岣吖潭?150℃1050℃氮類化合物(NH3、HCN、NO)的分解速率,能促使含氮075中間產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為N2,有利于增加CH、O、OH和H等反應(yīng)基團(tuán)的生成濃度0601200℃0501000℃0450.70.400.60.350.8Reburn stoichiometry ratic02圖4再燃區(qū)過量空氣系數(shù)對(duì)脫硝效率的影響0.1原則上,在再燃區(qū)的停留時(shí)間越長(zhǎng),還原反應(yīng)進(jìn)行得越充分,脫硝效率越高。為了考察停留時(shí)間對(duì)NO還原效率的影響,再燃區(qū)1150℃時(shí),保持一定的NO濃度,停留時(shí)間Natural gas/NO圖2再燃區(qū)天然氣/NO比對(duì)脫硝效率的影響從076s增加到3.05s,NO還原效率隨停留時(shí)間的變化規(guī)不同溫度對(duì)再燃區(qū)脫硝效率的影響見圖3。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表律如圖5所示。停留時(shí)間由076增至153s時(shí)脫硝效率增明:800~1000℃條件下,再燃脫硝的效率很低,脫硝效加較快,但隨著停留時(shí)間的進(jìn)一步增大,即由1.53s增至3.05率隨溫度增加變化較小。當(dāng)溫度從1000℃變化到1150℃時(shí)脫硝效率增勢(shì)趨于平緩,可見1.53s已足以滿足脫硝反時(shí),脫硝效率迅速增加;在1150℃至1250℃時(shí),脫硝效應(yīng)充分進(jìn)行的要求,過多延長(zhǎng)再燃區(qū)停留時(shí)間意義不大。實(shí)率增勢(shì)逐漸減弱,說明再燃脫硝對(duì)溫度十分敏感際鍋爐中再燃區(qū)的停留時(shí)間由再燃燃料噴口和燃盡風(fēng)噴口10位置決定,如果增加再燃區(qū)的停留時(shí)間而將再燃燃料噴口布09NO初始濃度582ppmNo初始濃度700ppm置在靠近主燃燒器的位置,則勢(shì)必減少主燃燒區(qū)的停留時(shí)s07間,這樣不僅會(huì)降低主燃區(qū)燃料的燃盡率,而且會(huì)使較多的0.6主燃區(qū)過量氧進(jìn)入再燃區(qū),減弱了還原性氣氛,從而降低了0.5脫硝效率。另外,天然氣在再燃區(qū)停留時(shí)間還隨燃盡風(fēng)射入0.3位置而改變,同時(shí)還受鍋爐燃燒方式和炭燃盡率等條件限0.2制,不能隨意地增加0.11.000098009001000110012001300Temperature/℃0.807圖3再燃區(qū)溫度對(duì)脫硝效率的影響0.6溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響可以根據(jù)質(zhì)量定律和0.5zarrhenius定律來描述0.40.3w=k*ICy, llc k=AT"ex0.1化學(xué)反應(yīng)速率w與反應(yīng)物濃度C成指數(shù)關(guān)系增加,與0152053.0化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)k成正比,而k隨溫度T成指數(shù)關(guān)系增加Resident time(s)因此,提高反應(yīng)溫度可以明顯提高化學(xué)反應(yīng)速率。在1200圖5再燃區(qū)停留時(shí)間對(duì)脫硝效率的影響℃時(shí),最高的脫硝效率接近80%,此后再提高溫度,脫硝效3結(jié)論率增加并不明顯。由于1300℃是熱力型NOx生成的轉(zhuǎn)折溫度,因此不能一味地提高再燃區(qū)溫度。本實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)考察了天然氣再燃過程中,不同天然氣No通過控制空氣瓶流量,使過量空氣系數(shù)a由03變化至比、再燃區(qū)溫度、過量空氣系數(shù)、停留時(shí)間對(duì)脫硝效率的影10,再燃區(qū)過量空氣系數(shù)對(duì)NO還原效率的影響如圖4所響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:脫硝效率隨天然氣NO摩爾比、再燃區(qū)示。從圖中可以看出,隨著過量空氣系數(shù)a的增加,No還溫度的增加而增大;再燃區(qū)過量空氣系數(shù)存在最佳值,本實(shí)THCNMHO第4期高攀等:天然氣再燃還原NO的實(shí)驗(yàn)研究21驗(yàn)a=0.8時(shí)脫硝率最高;延長(zhǎng)再燃區(qū)停留時(shí)間有利于降低印].Fuel,1999,78:689~699NO的排放,但超過1.53s后繼續(xù)增加停留時(shí)間,脫硝效率[4]徐華東,羅永浩,王恩祿,等再燃燒技術(shù)及其在我國(guó)的應(yīng)用前景變化并不明顯。仉動(dòng)力工程,2001,21(4):1320~1323參考文獻(xiàn)[5]郭永紅,孫保民,康志忠超細(xì)粉再燃技術(shù)中HCN對(duì)NOx的生成和還原的影響叮電站系統(tǒng)工程,2005,21(2)15~17[!]毛健雄毛健全,趙樹民,等煤的清潔燃燒[M,科學(xué)出版社1998:6吳雙應(yīng),李友榮,盧嘯風(fēng)等再燃燒技術(shù)原理及其影響因素分析.冶金能源,2002,21(2)24~29use of different hydrocarbon fuels for gas reburning [] Fuel, 1997,[7]趙莉,閻維平,劉忠,等.溫度對(duì)超細(xì)煤粉再燃降低NO排放的影76(14/15):1401~1407響動(dòng)力工程,2005,25(6):887~890[3] Waseem A Nazeer, Robert E Jackson, Jacob A Peart, et al. Detailed編輯:巨川measurements in a pulverized coal flame with natural gas reburning(上接第18頁)降噪后同一狀態(tài)的近似熵發(fā)生了明顯的變有效性。因此,噪音對(duì)近似熵計(jì)算結(jié)果仍然有很大的影響,化,區(qū)分度明顯提高。同時(shí)也說明了本文提出的降噪方法的必須對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行消噪處理。這樣可更加準(zhǔn)確地區(qū)分出不同工況并進(jìn)行故障的判別。64結(jié)論本文探討了用分形理論來分析旋轉(zhuǎn)機(jī)械動(dòng)力系統(tǒng)的特性,恰當(dāng)定義動(dòng)力系統(tǒng)的分維數(shù)對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的常見單一故障A具有良好的區(qū)分度。實(shí)驗(yàn)和分析表明,分形理論能有效地識(shí)別旋轉(zhuǎn)機(jī)械的常見故障。(1)應(yīng)用一種新的降噪方法作為計(jì)算風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)的近似熵的前期處理,使得近似熵更接近于該工作狀態(tài)的真實(shí)20040060080010001200值,提高了對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)描述的準(zhǔn)確性與可靠性。(2)振動(dòng)信號(hào)在一定的尺度范圍內(nèi)具有分形特征,分形圖3軸承不對(duì)中狀態(tài)維數(shù)作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備故障診斷的敏感因子是可行的,分形35維數(shù)使識(shí)別不同工作狀態(tài)變得相對(duì)容易,避免了傳統(tǒng)頻域或時(shí)域分析診斷的復(fù)雜性,只用一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)就可以來進(jìn)行狀2.5態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷,這種方法簡(jiǎn)單、直觀、易行,采用分形維數(shù)作為故障的特征參數(shù),克服了傳統(tǒng)方法在故障特征的提1.5取、分析上的困難(3)研究分析了風(fēng)機(jī)的振動(dòng)信號(hào)近似熵,研究結(jié)果表明:風(fēng)機(jī)在不同工作狀態(tài)下,近似熵有明顯的區(qū)別,可以作0.5為識(shí)別風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的特征量。020040060080010001200參考文蘇T/s[1]石博強(qiáng),申焱華、機(jī)械故障診斷的分形方法—理論與實(shí)踐M圖4動(dòng)靜碰摩狀態(tài)北京:冶金工業(yè)出版社,2001.157~195[2]彭玉華.小波變換與工程應(yīng)用[M北京:科學(xué)出版社,2002.28~36〔3]洪波,唐慶生,楊福生,等.近似熵、互近似熵的性質(zhì)、快速算法及其在腦電與認(rèn)知研究中的初步應(yīng)用UJ信號(hào)處理,I99,l5(2)100~108[4]姜萬錄,張淑清,王益群.基于混沌和小波的故障信息診斷[M]北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2005[5]胥永剛,何正嘉.分形維數(shù)和近似熵用于度量信號(hào)復(fù)雜性的比較研究[J振動(dòng)與沖擊,2003,223):25~27[6貲艷陽.基于非平穩(wěn)信號(hào)特征提取原理的實(shí)用診斷技術(shù)研究西安:西安交通大學(xué)報(bào),20020040060080010001200[7]軒松濤,郭偉,張之敬分行理論及小波分析在快速故障診斷中的應(yīng)用研究門設(shè)計(jì)與研究,2003,5:1~3圖5軸承松動(dòng)狀態(tài)[8]汪光陽,周義蓮.風(fēng)機(jī)振動(dòng)故障診斷綜述門]安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),表近似熵計(jì)算結(jié)果2006,23(1):64~68近似熵正常狀態(tài)動(dòng)靜碰摩質(zhì)量不平衡輔承不對(duì)中軸承松動(dòng)9胥永剛,李凌均,何正嘉.近似熵及其在機(jī)械設(shè)備故障診斷中的應(yīng)消噪前0741305580.76280.809607538用].信息與控制,2002,31(6):547~551消噪后01019028300.15620084000667編彰