第26卷第6期電站系統(tǒng)工程Vol26 No 62010年11月Power System Engineering文章編號:1005-006X(2010)06-001004生物質(zhì)再燃脫硝特性的實驗研究山東大學(xué)牛勝利韓奎華路春美摘要:沉降爐實驗結(jié)果表明,生物質(zhì)再燃可以獲得70%左右的脫硝效率.在1373K溫度范圍內(nèi),隨著溫度的升高,棉稈、麥稈、梧櫚木和松木的再燃脫硝效率均有提高,為保證較高的脫硝效率,再燃區(qū)過量空氣系數(shù)、再燃比以及停留時間應(yīng)分別為06~08、20%和07s左右,同時,燃料粒徑對脫硝效率影響不明顯,而隨著NO初始濃度的增加,脫硝效率得到相應(yīng)的提高關(guān)鍵詞:生物質(zhì);再燃;一氧化氮中圖分類號:X7017文獻標識碼: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燃煤電廠排放一氧化氮(NO)引起了酸雨、光化學(xué)煙梧桐木( phoenix)、松木( pinewood兩種林業(yè)廢棄物作為研究霧等越來越嚴重的環(huán)境問題,給人們的生產(chǎn)和生活帶來了極對象,從溫度( temperature)、再燃區(qū)過量空氣系數(shù)(a)、再燃大的不便,為此開發(fā)積極有效的低NO排放技術(shù),是當(dāng)前研比( reburning fuel fraction,Rm、停留時間(r)、粒徑( diameter)究的熱點問題。燃料再燃( reburning)12是一種研發(fā)較早的以及初始NO濃度 (initial|o等方面,對生物質(zhì)再燃的脫硝低NO排放控制技術(shù),在采用低NO燃燒器的基礎(chǔ)上,通常特性進行了詳盡而又系統(tǒng)的研究,期望從中得出的結(jié)論能為可以取得50%~70%的脫硝效率,但以往再燃燃料的選取多生物質(zhì)應(yīng)用于燃煤電廠再燃法NO的脫除,提供理論依據(jù)和集中在天然氣、液化石油氣以及超細煤粉等化石燃料上,隨實驗經(jīng)驗著能源短缺問題的日益凸顯,農(nóng)林廢棄物等可再生的生物質(zhì)資源作為再燃燃料的優(yōu)勢逐步被人們所認可,同時生物質(zhì)燃燒的CO2零排放特點,對于緩解“溫室效應(yīng)”也具有一定的促進作用國外在生物質(zhì)再燃技術(shù)方面的研究較多。 adams在旋風(fēng)爐中分別采用空氣和循環(huán)煙氣作載氣時,木屑再燃脫硝率為45%和55%6;Via5通過實驗與模擬相結(jié)合的方法,研究了生物質(zhì)揮發(fā)分和固定碳分別對NO還原的影響,得到75%左右NO還原率; Ballester在大型沉降爐上的實驗表明了am4向當(dāng)再燃區(qū)過量空氣系數(shù)為091,再燃比為15%,停留時間為1空氣壓縮機2濾油器3液化氣4浮子流計5點火器6螺旋線圈1ls時,生物質(zhì)較天然氣再燃效率低4%~10%,為60%左7閥門8脫水器9NO10給料機1溫控柜12熱電偶13內(nèi)剛玉管14硅右,但國內(nèi)在此方面的研究較少9,所得結(jié)論也不完全一碳管15外剛玉管16引風(fēng)機17取樣槍18預(yù)處理器19煙氣分析儀致,生物質(zhì)再燃技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用還有待進一步的驗證,同圖1沉降爐實驗系統(tǒng)圖時由于生物質(zhì)具有明顯的地域分布特征,因此針對某一地區(qū)1實驗系統(tǒng)與實驗力法的生物質(zhì)展開相應(yīng)的再燃脫硝實驗研究,具有重大的理論研究意義和實際應(yīng)用價值實驗系統(tǒng)如圖1所示,主要由主爐、送引風(fēng)機、多孔介本文正是在這一背景下,選用在山東省內(nèi)有大量分布的質(zhì)燃燒器、溫度控制系統(tǒng)、生物質(zhì)給料機、煙氣取樣分析系棉秤(tam麥支桿(hc)兩種農(nóng)作物秸稈以及統(tǒng)中國煤化工判外依次是內(nèi)剛玉管收稿日期:20100705·通訊作者:路春美牛勝利(1983-),男,博士研究生。濟南,250061心區(qū)LELCNMHG內(nèi)剛玉管是反應(yīng)的核m。采用孔徑為本研究得到教育部博士研究生學(xué)術(shù)新人獎;山東省自然科學(xué)基金項目(ZR20006,ZRHM)山東大學(xué)研究生自主創(chuàng)新基金資100m的陶瓷制成多孔介質(zhì)燃燒器,由TK701型點火器高助項目(zc0967)的資助電壓點火。采用自制的雙線螺桿式給料系統(tǒng)實現(xiàn)再燃燃料的第6期牛勝利等:生物質(zhì)再燃脫硝特性的實驗研究供給,調(diào)整給料機的轉(zhuǎn)速保證不同工況下生物質(zhì)的給料量,煙氣分成4股經(jīng)內(nèi)徑為8mm的管路以四角切圓對沖的方式給料均勻度在4%以內(nèi)嗎進入混合室,與生物質(zhì)混合,在剛玉管內(nèi)的高溫環(huán)境下反應(yīng)實驗主燃料為濟南市民用液化石油氣( liquefied后,向下流動至爐膛底端的取樣槍進行取樣,取樣槍在垂直petroleum gas,LPG),流量01~0.12№m3/h,助燃空氣由位置可以移動,以改變反應(yīng)區(qū)的停留時間取樣煙氣經(jīng)過無空氣壓縮機供給,經(jīng)過串聯(lián)的兩個濾油器凈化處理后,與液水干燥、粉塵過濾以后,進入到FGA4100型煙氣分析儀測化氣混合在燃燒器中點火燃燒煙氣經(jīng)螺旋線圈冷卻后分成量煙氣成分,其中O2和NO體積分數(shù)的精確度分別為001%兩路,一路作為主煙氣,與NO混合后從爐膛上部進入到剛和1×106。在上下硅碳管的接線柱處以及取樣槍的四周玉管中模擬再燃初始煙氣;另一路通過閥門接通大氣,對冷都布置有循環(huán)冷卻水系統(tǒng),對系統(tǒng)進行高溫過熱保護。實驗卻煙氣做去水處理。NO由高壓氣瓶供給,平衡氣為N2主所用生物質(zhì)的工業(yè)分析和元素分析如表1所示1生物質(zhì)工業(yè)分析及元素分析樣品工業(yè)分析丶元素分析w棉稈赑—6—45.145.7441091250171598962921862410251028751.390.1216582梧桐木08473.511763425448831.351.070201941732482873143.8802802019500續(xù)升高至1273K時,化學(xué)反應(yīng)速率對脫硝進程的影響已逐2結(jié)果與討論步被削弱,并且此時,農(nóng)、林生物質(zhì)基本上能取得較為一致21溫度對生物質(zhì)再燃脫硝效率的影響的脫硝效率,都為65%左右。進一溫度,化學(xué)反應(yīng)速從圖2中可以看出,生物質(zhì)再燃可以取得70%左右的脫率得到強化,脫硝效率持續(xù)增加,在1373K時,棉稈、麥硝效率。因此,將生物質(zhì)應(yīng)用于燃煤電廠NO污染物的脫除,稈、梧桐木、松木的脫硝效率分別達到67.00%、7000%在理論上是可行的。各生物質(zhì)的脫硝效率均隨著溫度的升6902%和7095%。繼續(xù)升高溫度,反應(yīng)逐步進入到擴散控高,而相應(yīng)地增加。在低溫階段,受限于較低的化學(xué)反應(yīng)速制反應(yīng)區(qū),在其它條件一定的情況下,脫硝效率的增加不再率,4種生物質(zhì)的脫硝效率均較低,但農(nóng)業(yè)廢棄物的脫硝效果明顯好于林業(yè)廢棄物。在1073K時,棉稈和麥稈的脫硝22再燃區(qū)過量空氣系數(shù)對生物質(zhì)再燃脫硝效率的影響效率分別為53.50%和5700%,而梧桐木和松木分別只能達脫硝反應(yīng)的發(fā)生必須保證再燃區(qū)在一定程度上的還原到3249%和3000%的效率。當(dāng)溫度升高至1173K時,雖然性氣氛,圖3所示為再燃區(qū)過量空氣系數(shù)對脫硝效率的影響脫硝效率有所提高,并且不同種類生物質(zhì)脫硝效率的差異也規(guī)律.農(nóng)業(yè)廢棄物棉稈和麥稈的脫硝效率,隨著過量空氣系逐步減小,但較低的化學(xué)反應(yīng)速率的限制作用依然較為明數(shù)的增大,而不斷地降低,從a=06時的6850%和7000%顯,棉稈和麥稈的脫硝效率分別為5480%和5900%,而梧降低到a1.0時的5700%和51.00%,并且進一步地降低到桐木和松木的相應(yīng)數(shù)值分別為51.69%和5370%當(dāng)溫度繼a=12時的41.50%和3200%對于林業(yè)廢棄物梧桐木和松木,其脫硝效率從a=0.6時的6267%和60.1%升高到a=07時的6729%和6865%此后隨著還原性氣氛的削弱,效率值降低到a=10時的48.06%和5516%以及∝12時的3269%和3912%NO的還原必須有O2的參與,保證中間a=08產(chǎn)物HCN向NCO,進而向N2的轉(zhuǎn)變,但是過量O2的存在ro.7s會強化氧化反應(yīng)的發(fā)生,使得NCO向著NO生成方向的反則÷Aram應(yīng)加劇,會在一定程度上降低脫硝效率。根據(jù)本實驗以及大多數(shù)的研究結(jié)果,再燃區(qū)的過量空氣系數(shù)一般應(yīng)維持在06~0.8249之間。圖2溫度對脫硝效率的影響23再燃比對生物質(zhì)再燃脫硝效率的影響再燃比是從發(fā)熱量的角度出發(fā)定義的,即再燃燃料的發(fā)熱量占主燃料和再燃燃料發(fā)熱量之和的比值圖4所示為在改變再燃區(qū)過量空氣系數(shù)的工況下,再燃比對脫硝效率的影響規(guī)律。從圖中可以看出,在各自的再燃比條件下,過量空diameter 149-0 177mm氣系數(shù)的續(xù)訟坦符,都是隨著a值的增加中國煤化工件相同時,脫硝效率initial NO-600x10隨著CNMHG.以a07為例,在再燃比為10%、20%和30%時,脫硝效率分別為61.00%6770%和7000%。在還原性氣氛下,再燃區(qū)必須有充足的圖3過量空氣系數(shù)對脫硝效率的影響再燃燃料才能釋放足夠的還原性基團,以此保證脫硝反應(yīng)的電站系統(tǒng)工程2010年第26卷進行,但由于主燃料與再燃燃料性質(zhì)的不同,過多再燃燃料得到相應(yīng)的增加,以麥稈為例,在NO濃度為400×10°時,的加入,可能會影響爐膛的燃燒穩(wěn)定性和燃盡率,為此在保其效率值為6070%,而當(dāng)NO濃度提高到800×10時,效證脫硝率的前提下,再燃比一般應(yīng)維持在20%左右率增加到69709%,此后將NO初始濃度設(shè)定為1000×106時,效率進一步增加到7212%,而棉稈也表現(xiàn)出了相同的變化趨勢。再燃法脫硝在高NO濃度時表現(xiàn)出的良好的反應(yīng)特性,進一步證實了生物質(zhì)再燃應(yīng)用于燃煤電廠NO脫除的0可行性。s亠3mdiameter-0.149-0177mm02500r0.7sinitiaI NO=600×104cotton-haulm圖4再燃比對脫硝效率的影響Rff%.圖6粒徑對脫硝效率的影響-cotton-haulma=09nperature1273K01490177mm圖5停留時間對脫硝效率的影響24再燃區(qū)停留時間對生物質(zhì)再燃脫硝效率的影響再燃的發(fā)生需要經(jīng)歷再燃燃料的熱解以及還原基團與initial NO/1NO的接觸,因此,為保證較為徹底的脫硝反應(yīng),再燃燃料圖7初始NO濃度對脫硝效率的影響必須在再燃區(qū)有足夠的停留時間,圖5所示為停留時間對棉稈再燃脫硝特性的影響趨勢。再燃區(qū)05s的停留時間顯然3結(jié)論不能滿足脫硝進程的徹底發(fā)生,而當(dāng)停留時間延長為07s本文在沉降爐上對棉稈、麥稈以及梧桐木、松木等4種時,脫硝效率能提高8%,而此后進一步將停留時間延長到生物質(zhì)的再燃脫硝特性進行了系統(tǒng)的研究,結(jié)果表明,生物09和1ls時,脫硝效率的增加不明顯·在實際爐膛中,再質(zhì)再燃可以取得70%左右的脫硝效率將生物質(zhì)應(yīng)用于燃煤燃區(qū)的位置由主燃區(qū)和燃盡區(qū)共同決定,在煙氣流速確定的電廠NO污染物的脫除是可行的,主要結(jié)論如下工況下,以縮短主燃區(qū)和燃盡區(qū)的長度,而達到高NO還原(I)在低溫階段棉稈和麥稈的脫硝特性明顯好于梧桐率所需要的再燃區(qū)停留時間,會增加燃盡區(qū)的燃燒負荷和鍋木和松木,隨著溫度的升高,生物質(zhì)再燃脫硝效率得到相應(yīng)爐的不完全燃燒熱損失。因此,為了保證NO還原率,同時的提高,并且不同種類生物質(zhì)脫硝效率的差距逐步減小,在兼顧燃燒熱效率再燃區(qū)的停留時間應(yīng)維持在0754左右.1273K時,這4種生物質(zhì)能取得較為一致的脫硝效率。同2.5燃料粒徑對生物質(zhì)再燃脫硝效率的影響時,在高于1373K的高溫區(qū)間,溫度對脫硝效率的影響不從圖6中可以看出,當(dāng)保持其它工況條件一定時,燃料再明顯粒徑對再燃脫硝效率的影響不是十分明顯。除了在a=09工(2)為保證生物質(zhì)再燃能取得較高的脫硝效率,同時況外,差值都較小這和生物質(zhì)的燃料特性有關(guān),與煤相比,結(jié)合燃燒穩(wěn)定性和燃盡率方面的考慮,再燃區(qū)的過量空氣系生物質(zhì)密度更小,結(jié)構(gòu)更為疏松,更易于著火和燃燒,因而數(shù)、再燃比和停留時間的數(shù)值,一般應(yīng)維持在06~0.8、20%本實驗所涉及的兩個粒徑,對其脫硝效率并無明顯影響.同以及07s左右。同時,在0.149~0354mm的范圍內(nèi),燃時,也說明當(dāng)采用生物質(zhì)作為再燃燃料時,為了達到較高的料粒徑的變化對脫硝效率影響不明顯,而隨著初始NO濃度脫硝效率以及節(jié)省破碎耗功的目的,沒有必要將其粉碎得過從H中國煤化工質(zhì)再燃的脫硝效率得到明2.6初始NO濃度對生物質(zhì)再燃脫硝效率的影響NMH圖7所示為采用棉稈和麥稈兩種農(nóng)業(yè)廢棄物作為研究(u)Rumr, Kramlich J C, Malte P C, ef al. nitrous oxide emissions對象,考察初始NO濃度對生物質(zhì)再燃脫硝特性的影響。在control by rebuming [ Combustion and flame, 1996, 107 (4): 453-400~1000×10°的范圍內(nèi),隨著NO濃度的增加,再燃效率(下轉(zhuǎn)第15頁)第6期卞素芳等:生物質(zhì)與煤混合燃燒過程中灰沉積特性的研究15混合燃燒時灰沉積特性同時受多種因素的影響,而且各因素大學(xué),2006之間也會相互彩響因此多種因素對混合燃燒時灰沉積特性[1]李琦芬,任建興等粘稈類生物質(zhì)燃燒結(jié)渣與沉積傾向分析的影響是今后重要的研究方向2上海電力學(xué)院學(xué)報,2007[12] Tomasz Kupka, Marco Mancini, Michael Irmer, et al. Investigation of4結(jié)論ash deposit formation during co-firing of coal with sewage sludge,saw-dust and refuse derived fuel []. Fuel, 2008, 87: 2824-2837生物質(zhì)與煤混合燃燒時,灰沉積過程與堿金屬和C1的3] Mischatheis, Bengt Johanskrifvars, Mik- Kahuna. Fouling tendency of析出關(guān)系密切。析出的堿金屬氯化物會與煤中的礦物質(zhì)發(fā)生ash resulting from buming mixtures of biofuels partI: deposition rates反應(yīng),生成高熔點的堿金屬硅鋁酸鹽,提高了灰的熔融溫度。門Fuel,200,85:1125~1130同時減少了堿金屬氯化物的析出量和沉積灰中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抑制了鍋爐表面的灰沉積和腐蝕。灰粒在受熱面上的沉積方Fuels,2002,16:43~55式包括積灰和結(jié)渣,積灰結(jié)渣是熱遷移、慣性碰撞、凝結(jié)和[] Heinzel T, Siegle V, Spliethoff H, er a! Investigation of slagging in化學(xué)反應(yīng)4個方面共同作用的結(jié)果。生物質(zhì)與煤混合燃燒過pulverized fuel co-combustion of biomass and coal at a pilot-scale程中的灰沉積特性同時受多種因素的影響,其中主要的影響facility [] Fuel Process Technol, 1998, 54: 109-125.因素是燃料特性、混合比例和燃燒溫度。D [6] Hein K RG, Heinzel T, Kicherer A, et al. 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