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《山东大学》 2007年
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先进再燃脱硝优化试验与机理研究

韩奎华  
【摘要】: 我国煤炭资源相对丰富,能源消费以煤为主。电力生产以火力发电为主,发电用煤占原煤消耗总量的近50%。燃煤锅炉排放的氮氧化物是造成大气环境污染的主要物质之一。十多年来,我国火电氮氧化物排放总量逐年增加,污染日益严重。我国火电厂用煤种类多,劣质煤较多,煤质多变。火电机组容量庞大,锅炉燃烧方式多样,不同时期建设的机组NO_x控制标准不同。单一低NO_x燃烧技术脱硝效率较低,尚不能满足控制要求,而烟气脱硝技术投资运行成本很高,煤灰对SCR催化剂的影响、以及SCR引起SO_3排放增加为采用SCR技术带来难以预料的风险和挑战。目前,我国拥有自主知识产权且成熟的脱硝技术不多,而燃煤电站烟气脱硝迫在眉睫,急需成本低廉高效的脱硝技术。我国已经对各种脱硝技术展开广泛研究,其中再燃与SNCR相结合的先进再燃脱硝技术显示出成本较低、脱硝效率高的优势,可以成为适合我国国情的可选脱硝技术之一。 本论文采用理论分析、反应动力学模拟、实验研究等方法对再燃、SNCR和先进再燃脱硝特性进行系统研究。 (1)采用再燃详细反应机理模拟研究了CH_4的再燃反应特性,以及C_2、C_3、石油气、烟煤挥发分、生物质气、天然气再燃反应特性。搜集创建了碳酸钠和五羰基铁反应子集,并模拟了碳酸钠和五羰基铁对甲烷再燃反应的影响,分析了添加剂促进NO还原的机理。发现添加剂作用效果与降低过量空气系数的结果相似。含钠与含铁中间物种的链式转化消耗H,并生成OH,抑制反应H+O_2=OH+O,从而明显降低了反应气氛中H、O、OH活性基浓度,抑制CH_i与O的反应,同时促进了CH_i与NO的反应。 (2)在模拟研究SNCR过程中氨和尿素脱硝反应特性的基础上,模拟研究了碳酸钠和乙醇对氨和尿素脱硝反应的影响,分析了碳酸钠和乙醇作用机理。模拟结果表明:碳酸钠能够拓宽反应温度窗口,降低最佳反应温度而不改变较高温度下的反应特性。碳酸钠可以降低CO和N_2O的排放。乙醇能够使温度窗口向低温方向移动,降低最佳反应温度,明显提高较低温度下的脱硝效率,但能降低高温下的脱硝效率。乙醇掺入量增加,N_2O生成量也相应增加。在较低的温度下加入乙醇会导致CO的排放增加。含钠物种的链式转化和乙醇在较低温度下热解氧化反应提高了活性基浓度,尤其OH,从而促进NH_3向NH_2转化,提高了氨剂还原效率。 (3)实验研究了三种典型气体再燃脱硝特性,并考察了工况参数和添加剂对气体再燃脱硝的影响。验证了添加剂对再燃脱硝的影响。实验结果表明:液化石油气适宜的再燃温度1273 K~1373 K,比天然气低100K~150 K。液化石油气和天然气的最佳过量空气系数为0.7~0.8。典型再燃条件下液化石油气和天然气的脱硝效率达到73%~75%。液化石油气和天然气随再燃比增大,脱硝效率逐渐增大,压缩天然气由于含有氮化合物,最佳再燃比约为20%左右。较低再燃温度下,气体再燃停留时间越长脱硝效率越大。 醋酸钙、醋酸钠和碳酸钠对气体再燃有促进作用。醋酸钙促进效果最好,其次醋酸钠和碳酸钠。各类添加剂的促进作用对温度具有选择性,发挥作用的最佳温度为1273K左右。实验发现氯化钠和硫酸铁均对再燃没有促进作用。 (4)实验研究了四种生物质的燃烧特性和再燃脱硝特性。通过实验找到了生物质再燃脱硝适宜的工况参数:再燃温度为1223 K~1323 K,再燃比15%,再燃过量空气系数为0.6~0.8,停留时间1s左右。典型再燃条件下玉米秸、麦秸、花生壳和杨木屑再燃脱硝效率分别为67.4%、62.3%、56.4%和50.9%。实验条件下初始氮氧化物浓度越高,生物质再燃脱硝效率越高。分析生物质燃烧特性与再燃脱硝特性之间的相关性发现:燃料着火温度较低,挥发燃烧速率大,燃烧温度低,挥发分燃烧放热大,对应再燃温度低,脱硝效果好;反之,再燃温度较高,脱硝效果相对较差。 (5)在实验研究氨水和尿素选择性非催化还原脱硝特性的基础上,考察了四种添加剂对氨水和尿素脱硝的影响,实验结果验证了机理模拟研究。实验结果表明:氨水和尿素脱硝的最佳反应温度1273K,二者对应的温度窗口分别为1223K~1340K和1240K~1330K。实验得到SNCR脱硝适宜的氨氮比为1.5左右,适宜的停留时间约1s~1.5s。氨氮比一定时,初始NO_x浓度越低SNCR脱硝效率越低。氧浓度对尿素的脱硝性能影响明显,氧浓度越大尿素的脱硝效率越低,而随氧浓度增加,氨水的还原能力降低不明显。 碳酸钠作为添加剂可以拓宽SNCR温度窗口,并使其向低温方相移动。烟气中碳酸钠浓度为200x10~(-6)时,氨水脱硝的温度窗口为1200K~1373K,而尿素脱硝对应温度窗口1200K~1340K。有机添加剂乙醇、丙三醇和乙酸甲酯在较低温度下激发了还原反应,提高了低温下氨剂还原效率,而在温度窗口附近降低了脱硝效率。碳酸钠可以减少喷入氨剂引起的CO排放,而有机添加剂可不同程度地增加CO排放。 (6)实验研究了SO_2对再燃和SNCR过程中NO还原的影响,以及SO_2与添加剂的相互作用。实验结果表明:SO_2对气体再燃有微弱的促进作用,能降低添加剂对再燃的促进作用。SO_2能够降低氨剂的还原效率,并较明显地降低碳酸钠和醋酸钙等盐类添加剂的促进作用。碳酸钠、醋酸钠、醋酸钙等盐类在再燃、SNCR过程中促进脱硝反应的同时,可以起到固硫作用。 (7)实验研究了不同气体和生物质的先进再燃脱硝特性,包括先进再燃方式、再燃比、温度、添加剂,氨剂等工况参数对脱硝效率的影响。典型气体先进再燃脱硝效率:AR-lean方式:82%~89%,碳酸钠促进作用下达到83%~90%;AR-rich方式:75%~80%,醋酸钠作用下最大脱硝效率达到77%~86%。AR-lean+SNCR和AR-rieh+SNCR方式的最大脱硝效率达到90%以上。典型生物质先进再燃(AR-lean)脱硝效率为60%~81%,碳酸钠作用下效率达到77%~85%。生物质先进再燃AR-lean+SNCR方式下脱硝效率为81%~92% (8)在实验研究气体和生物质先进再燃脱硝特性的基础上,分析了先进再燃过程中的协同反应特性。对于AR-rich方式:再燃区喷入氨水的促进作用明显优于尿素,氨水喷入最佳温度在1200K左右,而尿素喷入的最佳温度1273K左右,碳酸钠、醋酸钠、醋酸钙发挥作用的最佳温度为1273K。对于AR-lean方式:氨剂及添加剂从燃尽风后延迟时间越长喷入其脱硝效率越高,喷入氨剂的有效反应温度符合SNCR温度窗口,碳酸钠作用规律与SNCR过程中的作用规律相似,对氨水促进作用比对尿素的明显,在偏离最佳温度时,尤其低于最佳反应温度,碳酸钠具有明显的促进作用。乙醇对氨水和尿素还原性能均有不同程度的削弱作用,并不同程度地增加CO排放。 (9)先进再燃过程中的效率分配特性。对于AR-lean方式,基本再燃的脱硝效率对氨剂的还原效率影响较明显,较高的再燃脱硝效率会降低下游氨剂的还原效率。多级喷入氨剂可以获得更高的还原效率,添加剂对多级喷入氨剂促进作用微弱。燃尽区多级喷入氨水的脱硝效果优于尿素的。先进再燃过程中氨剂与再燃的脱硝效率具有一定的协同性,即基本再燃脱硝效率较高时,氨剂脱硝效率偏低;而基本再燃脱硝效率较低时,氨剂的脱硝效率较高,添加剂(生物质灰)在氨剂脱硝中发挥了重要的促进作用,从而使先进再燃保持较高的脱硝效率。 (10)采用平推流反应器及其串联模型,根据实验条件对SNCR、再燃、先进再燃的典型工况进行机理模拟,对比分析了模拟结果与实验结果。SNCR模型可为试验研究和实际脱硝参数优化提供指导,氨剂与主烟气混合对脱硝效率有重要影响,实际氨剂溶液脱硝的窗口温度比气相反应模拟或烟气模拟实验所得的窗口温度高。SNCR模拟添加剂的增效作用与实验结果相符。再燃燃料、燃尽风与烟气的混合过程以及温度对再燃反应过程影响较大,简单的平推流反应器模型不足于解决真实燃烧气氛下带有强烈混合的再燃脱硝过程。排除温度和混合过程的影响,模型对停留时间、过量空气系数以及添加剂的作用预测都与实验结果相符。模拟典型工况下的先进再燃过程表明,其脱硝效率可以超过90%,但需要优化再燃、SNCR以及添加剂的协同反应条件。模拟结果表明:碳酸钠对氨水脱硝的促进作用比对尿素的明显,与实验结果相符。 本研究为完善先进再燃脱硝技术提供理论基础,对先进再燃脱硝数值模拟和工程应用具有指导意义。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TK227.1

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【引证文献】
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【二级参考文献】
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中国博士学位论文全文数据库 前3条
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【相似文献】
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
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8 甄天雷;天然气再燃/先进再燃脱硝的化学动力学模拟与实验研究[D];山东大学;2009年
9 周飞;丙酸钙脱硝特性与机理分析[D];山东大学;2012年
10 杨洲;恒运电厂脱硝产生的问题以及处理措施分析[D];华南理工大学;2012年
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