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生物质再燃过程的试验研究及数值模拟

栾积毅  
【摘要】:再燃低NO_x燃烧技术是一种适合我国以煤为主能源结构的低成本的有效的锅炉氮氧化物排放控制技术,采用可再生能源的生物质作为再燃燃料,拓宽了再燃燃料的选择。生物质再燃作为生物质和煤联合燃烧方式的一种选择,替代了相应数量的化石燃料用于能源的供给,从而减少相应数量化石燃料的CO_2、SO_2的释放,同时有效的降低整个联合燃烧过程的NO_x排放,因此生物质再燃将是一种应用前景广阔的联合燃烧技术。本文建成了一个能够较好的模拟生物质再燃过程的沉降炉实验系统,针对生物质再燃脱硝技术开展了较全面的研究。 再燃燃料的热解特性是影响NO_x还原效果的关键,首先在恒温沉降炉上对三种生物质:木屑、秸秆、稻壳及一种烟煤煤粉进行了氮气气氛下的快速热解试验,采用三个温度条件:900、1000、1100℃。生物质成分中高的挥发分、氧、H/C比决定了其快速热解会取得比煤粉高的气相产率。生物质的气相产率明显高于煤粉,1000℃三种生物质的气相产率分别为:木屑92.06%、秸秆86.66%、稻壳78.33%,煤粉25.91%。煤粉快速热解最终的气相产物组分中H2含量在所有成分中所占比例最高,其次是CO,CH4和CO_2。三种生物质最终的热解气相产物组分中,CO最高,H2次之,这与煤粉快速热解的结果相反。单位热值生物质的热解气析出总量及CH4、CO、H2明显高于煤粉,这是生物质再燃脱硝能力高于煤粉的一个重要原因。建立了快速热解失重率动力学模型,对几种燃料快速热解动力学参数进行了计算,稻壳、秸秆和木屑的活化能、频率因子非常接近,煤粉略小于三种生物质。 采用哈尔滨工业大学理学院的美国Quantachiome公司AUTOSORB-1-C全自动比表面积及孔隙度分析仪对快速热解焦炭试样进行低温氮吸附等温线的测定,计算得到各种焦炭比表面积、孔容积和分形维数等孔结构参数。随热解温度的增加,几种焦炭比表面积和总孔容积均呈增大趋势,三种生物质焦炭的比表面积及总孔容积都明显大于同温度煤粉焦炭。煤粉焦炭的分形维数明显低于三种生物质,表明煤粉焦炭与生物质焦炭相比,其孔隙率低,表面结构趋于平滑。综合孔隙结构参数的分析,认为生物质焦炭高的比表面积为气固两相反应提供了反应必需的接触面,高的分形维数表明生物质焦炭表面结构复杂,相应缺陷位增加,这使得焦炭颗粒表面在再燃过程中形成更多的反应活性点,为其再燃异相还原NO_x提供良好的条件。实验获得的煤粉、生物质快速热解焦炭孔隙结构参数及分析结果,为进一步分析研究生物质NO_x生成和还原机理提供基础数据。 对三种生物质和煤粉在恒温沉降炉上进行了再燃脱硝的实验研究,针对燃料种类、过量空气系数、再燃温度、停留时间及再燃比例等因素的改变对脱硝过程的影响进行了实验研究,同时对燃料的再燃燃尽特性及再燃过程中C、N、H元素的消耗规律进行了分析。相同的再燃条件下,生物质再燃脱硝能力明显高于煤粉,木屑在再燃比25%、SR=0.7时的再燃脱硝率能达到87.99%,而煤粉的脱硝率仅有52.82%。生物质高的挥发分含量、H/C比使其在再燃富燃料条件下释放出大量的气相还原物质,这是生物质再燃能够获得高脱硝效率的主要原因。生物质脱硝效率随再燃区过量空气系数的提高逐渐降低,从停留时间的角度来看,生物质能够在0.6s以内完成再燃脱硝过程,是最接近于天然气的再燃燃料。生物质在再燃比例15~20%、过量空气系数0.8~0.9条件下可以获得合理的脱硝率。生物质再燃过程中,不完全燃烧热损失能够保持在合理的范围内。通过对生物质再燃过程气氛中NH3、HCN的变化规律的分析,认为再燃过程中的HCN主要是再燃燃料释放的CHi与烟气中的NO反应生成的,还原性气氛有利于NH3的生成,NO+NHi的反应是再燃区消减NO的重要反应。生物质与煤粉在再燃过程中C、N、H元素的消耗规律一致。氢的释放最快,再燃初期生物质及煤粉的H元素基本析出完全,C和N基本上是同步析出。生物质C、N的消耗率明显高于煤粉。生物质高的再燃区C、N消耗率,一方面减少了燃尽区焦炭氮氧化生成NO,从而进一步降低NO的排放;同时少的焦炭数量,改善了燃尽区的燃尽条件,避免了燃尽区的固体不完全燃烧损失。本文的研究工作对生物质再燃技术的应用提供了理论依据及技术参考。


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