生物质再燃脱硝及异相还原研究

第30卷第26期中国电机工程学报Vol.30No.26Sep.15,20102010年9月15日ProceedingsoftheCSEE©2010Chin.Soc.forElec.Eng.101文章编号：0258-8013(2010)26-0101-06中图分类号：TM615文献标志码：A学科分类号：470⋅20生物质再燃脱硝及异相还原研究王永桥，陆飞，刘永生，卢平(南京师范大学能源与机械工程学院，江苏省南京市210042)StudyonNOxReductionandItsHeterogeneousMechanismDuringBiomassReburningWANGYongqiao,LUFei,LIUYongsheng,LUPing(SchoolofEnergyandMechanicalEngineering,NanjingNormalUniversity,Nanjing210042,JiangsuProvince,China)ABSTRACT：Effectsofbiomasstypes(suchasricestraw,wheatstraw,cottonstalk,ricehuskandwheatstrawchar),reburningfuelratioRff;reactiontemperatureinthereburningzonet2;stoichiometricratiointhereburningzoneα2andparticlesizesofreburningfueldponNOreductionefficiencyduringbiomassreburningwereinvestigatedinanentrainedflowreactor.ThecontributionofNOheterogeneousreductionbywheatstrawchartothetotalNOreductionwasanalyzed.ResultsindicatethatcottonstalkbehavesthebestperformanceofNOreductionfortestedfourkindsofbiomass;followedbywheatstraw;thericehuskandricestrawarelesseffective.NOreductionefficiencyincreaseswithincreasingofreactiontemperatureinthereburningzoneatthesameα2andintherangeoft2=900~1100℃.NOreductionefficiencyincreaseinsignificantlywithdecreasingofbiomassparticlesizeswhiledp425µm.NOreductionefficiencyofbiomassreburningbehavesatrendoffirstincreaseandthendecreasewithdecreasingofαorincreasingofRff.ThehigherNOreductionefficiency(morethan50%)canbeachievedattherangeofα2=0.7~0.8orRff=20%~25%duringreburningbyfourkindsofbiomass.ThecontributionofNOheterogeneousreductionbywheatstrawchartothetotalNOreductionisinthehigherrangeof59%~68%whileRffisintherangeof10%~26%.KEYWORDS:biomass;reburning;denitrification;NO;heterogeneousreduction摘要：利用携带流反应器研究再燃燃料种类(稻秆、麦秆、棉花秆、稻壳、麦秆焦)、再燃燃料比Rff、再燃区反应温度t2、再燃区过量空气系数α2、再燃燃料粒径dp等因素对脱硝效率的影响，分析了麦秆焦异相还原NO对总脱硝效率的贡献。结果表明：4种生物质中棉花秆脱硝效果最好，麦秆次之，稻壳和稻秆较差；在相同α2下，t2=900~1100℃内，生物质再燃脱硝效率随着t2的提高而增加；对于粒径小于425µm生物质再燃燃料，其再燃脱硝效率随粒径减小略有增加；随着α2的降低和Rff的提高，生物质再燃脱硝效率均呈现先上升后下降的趋势，在α2=0.7~0.8，Rff=20%~25%条件下，可以获得较高的脱硝效率，各种生物质再燃脱硝效率均在50%以上；在Rff=10%~26%，麦秆焦异相还原NO的贡献在59%~68%，且呈现中间低两头高的趋势。关键词：生物质；再燃；脱硝；NO；异相还原0引言燃煤过程中排放的NOx对环境造成了极大的污染并威胁人类的健康，国内外许多研究者对降低NOx排放技术进行了广泛的研究。燃料再燃技术被认为是一种很有前景的低NOx排放控制技术[1-3]。再燃技术是把炉内燃烧过程沿炉膛高度分为主燃区、再燃区和燃尽区3个燃烧区域。操作时，使燃料在再燃区的化学当量比小于1.0下燃烧，形成还原性气氛，将主燃区形成的NOx还原成N2，最后在燃尽区送入燃尽风，氧化未完全燃烧的产物，从而降低NOx的排放。再燃燃料有天然气、煤粉、水煤浆、生物质、废旧轮胎等。国内外研究者对不同类型的再燃燃料进行了研究，也取得了较大的研究进展[4-12]。生物质是一种可再生能源，具有低氮、低硫、高挥发分、高灰焦活性等特点，但由于生物质资源供应具有季节性，分布分散，能量密度小，运输、储存成本较高，因此限制了生物质能在大型电站的利用规模，而在燃煤电站锅炉上采用生物质燃料再燃方式，不仅能合理控制生物质能的利用规模，而且能降低燃煤锅炉CO2、SOx、NOx等污染物的排放[3,13-16]。固体燃料(煤粉、生物质等)再燃反应包括挥发基金项目：国家自然科学基金(51076067)；江苏省自然科学基金资助项目(BK2007532)。ProjectSupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(51076067);ProjectSupportedbyJiangsuProvinceNaturalScienceFoundation(BK2007532).102中国电机工程学报第30卷分的同相反应和灰焦的异相反应2部分。近年来，Chen[17-18]，刘彦[19]，Lu[20]研究了不同煤种及其煤焦还原NO的特性，并分析了煤焦异相还原的贡献率。结果表明，煤种对煤粉再燃还原NO过程中煤焦异相还原贡献的影响显著，不同煤焦异相还原的贡献率差异较大，且随煤中挥发分含量的增加而增加。目前，对生物质焦异相还原贡献的研究并不多见。本文以稻秆等4种秸秆类生物质和1种麦秆焦作为研究对象，研究了生物质种类、再燃比、再燃区内反应温度、再燃区过量空气系数、再燃燃料粒径等因素对脱硝效率的影响，分析了麦秆焦异相还原NO的贡献。1试验装置和方法携带流再燃脱硝试验装置如图1所示，主要包括：烟气发生系统(主燃区)、反应区(再燃区)、给料系统、温度测量与控制系统、烟气取样与分析系统[20]。在燃烧室内，采用纯度为99.99%的乙炔和空气燃烧来模拟主燃区的烟气组分，模拟烟气中NO体积分数通过在燃烧室出口处添加NO的方法来调节，控制再燃区入口NO体积分数为800μL/L。再燃燃料由螺旋给料器加入，其给料量调节范围为0.2~10.0g/min，加料误差在±5%以内。再燃燃料在N2携带下经水冷加料枪直接进入反应区。再燃反应区内径为ϕ50mm的刚玉管，总有效高度为2.0m，采用电加热器维持反应区温度，反应区温度控制在900~1100℃；烟气取样孔横向布置于再燃反应区出口处，烟气中NOx、CO2、O2等浓度由Testo360烟气分析仪测量，其NO的测量误差≤2.8%。AB·P11413267815910121413161718192021222351—C2H2气瓶；2—空压机；3—空气过滤器；4—减压阀；5—流量计；6—压力表；7—储气罐；8—电控柜；9—热电偶；10—燃烧器；11—燃烧室；12—引射器；13—螺旋给料器；14—加料枪；15—急冷室；16—引风机；17—尾气净化；18—NO气瓶；19—N2气瓶；20—烟气分析仪；21—取样枪；22—电脑；23—再燃区。图1携带流反应装置试验系统示意图Fig.1Schematicdiagramoftheentrainedflowreactor稻秆、麦秆、棉花秆、稻壳等4种生物质和1种麦秆焦的工业分析、元素分析如表1所示，其中麦秆焦采用固定床反应装置制备，制备时固定床温度为900℃，麦秆在高温下的停留时间为10min，采用流量为5mL/min的N2作为载气和冷却介质。再燃实验时，将再燃燃料分成粒径为0~180μm和180~425μm的粗细2组，一次燃烧区空气过量系数α1由乙炔和空气的比例确定，再燃区过量空气系数α2则通过改变生物质和生物质焦的添加量来调节，烟气在反应区内停留时间由空气、乙炔和反应温度确定。在所有实验工况下，设定α1=1.1，控制反应区中烟气流速约为2.5m/s，即烟气在反应区的停留时间约为0.8s。表1试验物料的工业分析及元素分析Tab.1Proximateandultimateanalysisoftestedsamples%工业分析元素分析样品MadAadVadFCadCadHadOadNadSad稻秆11.3212.8860.5215.2836.085.6433.090.770.22麦秆11.616.8065.9215.6740.266.0734.380.360.52棉花秆13.094.4963.7218.7040.976.0633.771.090.53稻壳12.0116.0756.7315.1936.055.5030.050.320麦秆焦3.2132.544.4359.8278.541.045.421.590.54假设生物质还原NO过程包括挥发分同相还原NO和麦秆焦异相还原NO这2个独立过程，生物质对NO消减的总效果等于挥发分同相还原和生物质焦异相还原贡献之和。因此，在相同试验条件下，分别开展生物质和生物质焦再燃还原NO的试验，即可获得生物质焦异相还原反应对总NO消减的贡献。不同工况条件下NO还原效率按式(1)计算：outinNONO1100%⎛⎞=−×⎜⎟⎜⎟⎝⎠ϕηϕ(1)式中：η为NO脱除效率，%；inNOϕ为再燃反应区进口处NO体积分数，μL/L；outNOϕ为再燃反应区出口处NO体积分数，μL/L。2实验结果分析2.1生物质种类和α2对脱硝效率的影响图2给出了生物质种类和再燃区过量空气系数α2对脱硝效率的影响。由图2可知，在相同α2条件下，不同的生物质再燃脱硝效果差别较大；在最佳α2下，棉花秆等4种生物质均获得了50%以上的脱硝效率，其中棉花秆在α2=0.77时的脱硝效率为66.4%，麦秆在α2=0.73时的脱硝效率为63.6%，稻壳在α2=0.77时的脱硝效率为56.0%，稻秆在α2=0.75第26期王永桥等：生物质再燃脱硝及异相还原研究103时的脱硝效率为52.0%。总体而言，棉花秆的脱硝效果最好，麦秆次之，稻壳和稻秆的脱硝效果较差。这可能是由于棉花秆具有较高的挥发分和较高的N含量，从而有利于挥发分形成较多的含N基团(NHi、HCN)，在还原性气氛下，这些包含大量含N基团的挥发分具有较强的NO还原能力，从而促进了NO的还原[19]。0.650.750.850.951.0510305070反应温度为900℃；粒径为0~180μm；停留时间为0.8s；ϕΝΟin=800μL/L；α1=1.1。脱硝效率/%α2稻秆麦秆棉花秆稻壳图2生物质种类和再燃区过量空气系数对脱硝效率的影响Fig.2Effectofbiomassandα2onNOreductioneff