（热能工程专业论文）气体再燃及sncr脱硝过程试验研究与数值模拟.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 火电厂燃煤是氮氧化物排放的主要来源之一，对火电厂氮氧化物排放的 控制已经成为环境控制的必然趋势。在众多氮氧化物排放控制技术中，燃料 分级燃烧( 再燃) 技术和选择性非催化还原技术( s n c r ) 分别以运行费用 低和脱硝效率高的特点被广泛接受，并已初步在国外投入应用但随着环保 意识和环保要求的不断提高，再燃技术相对较低的脱硝效率已不能完全满足 日益严格的环保要求，而s n c r 相对较高的运行成本和较为严格的反应条件 也将会在一定程度上限制s n c r 技术的广范应用。因此通过研究提高再燃脱 硝效率，改进s n c r 技术反应过程，降低脱硝成本对于脱硝技术的推广和发 展具有十分重要的意义。 本文在参考国内外多种再燃试验台和s n c r 试验台的基础上，设计搭建 了具有燃料再燃、喷氨脱硝等多种用途的热态试验系统。试验炉内温度可分 段控制，能够分别进行再燃和s n c r 以及再燃、s n c r 协同试验研究，为气 体再燃和s n c r 的研究提供了试验基础。 首先，本文通过试验和模拟的方法对天然气、液化气作为再燃燃料的再 燃过程主要影响因素对脱硝效果的影响规律进行了研究。通过研究发现，低 温下( 1 ) ，主燃燃料由途径( 1 ) 氧化生成n o ，h c n 和n h l 仅 仅是中间产物；在再燃烧区，再燃燃料产生的c h ，与n o 反应生成h c n ， 由于过量空气系数小于l ，反应主要通过途径( 2 ) 进行，从而达到还原n 0 ， 的目的【“l 。 在富燃料的条件下，h c n 的形成与c h f 的浓度有很大关系，其主要途 径为【2 3 】： c h f + n 0 啼h c n + ( 2 1 ) 反应产生的h c n 通过下列反应最终还原成n 2 ： 7 山东大学硕士学位论文 h c n + o n c o + h ( 2 - 2 ) n c o + h 专n h + c 0 ( 2 3 ) n h + h 哼n + h 2( 2 4 ) n + n 0 哼n 2 + 0( 2 5 ) 但是，在贫燃料条件下，c h r 会与氧等物质通过如下反应形成c o ： c h l + 0 c 0 + h + ( 2 6 ) 反应( 2 - 1 ) 和( 2 - 6 ) 竞争消耗c h ，在富氧条件下，反应( 2 - 6 ) 占优势，从 而会抑制反应( 2 1 ) 的发生，不利于n o ，的还原。因此，优化再燃烧技术的 目标就是使c h f 与n o 充分反应，而尽量减少c h ，与氧的反应【2 4 1 。 2 1 2 气体再燃脱硝反应过程主要影响因素 从对气体再燃脱硝反应机理的认识中可以看出，再燃反应过程主要是 再燃燃料形成的含碳基团c h t 与n 0 反应生成含氮中间物质h c n ，h c n 在 活性基( o 、h ) 的作用下，进一步与n 0 进行反应最终生成n 2 。反应区 含碳基团c h ，的浓度和反应区活性基( o 、h ) 的浓度在再燃脱硝反应的进 行中起至关重要的作用从影响c h ，浓度和活性基浓度的方向入手，可以 得出影响气体再燃脱硝反应进行的因素主要有以下几个方面： ( 1 ) 燃料种类的影响 可以用于再燃的气体燃料很多，如液化石油气、天然气、生物质气以 及煤气等。气体再燃脱硝效率因燃料成分不同而异。已有研究表明2 5 1 气态 碳氢燃料成分中碳原子数目越多，还原n o ，的能力越强。r a f a e l b i l b a o 【2 6 】【2 7 】 等对单纯气体的再燃研究表明，燃料的脱硝作用与温度有着密切关系，当 温度低于l l o o 时n 0 ，的还原率是按照乙炔、乙烯、乙烷、天然气和甲烷 的顺序降低，但当再燃区温度为1 1 0 0 1 3 0 0 时，甲烷再燃脱硝效果比 乙炔和乙烯好。造成燃料脱硝差异的主要原因就是各成分在不同条件下产 生c h ，基团的能力的差别，实际中用到的气体燃料成分往往比较复杂，需 要通过研究确定不同燃料的脱硝特性，从而获得较好的脱硝效率。 ( 2 ) 再燃燃料量的影响 再燃燃料量的多少对再燃区的c h ，浓度会产生比较直接的影响。再燃 燃料成分相同的情况下，再燃燃料量越多，再燃区的含碳基团浓度会越高， 8 山东大学硕士学位论文 越有利于脱硝的进行但在实际应用中，再燃燃料占的份额较多，会降低 锅炉燃烧效率，给锅炉运行带来一些不利的影响【2 引，因此对于不同的再燃 燃料应当存在最佳的再燃燃料比例。 ( 3 ) 再燃温度的影响 现在研究普遍认为再燃区内温度越高，n o ，的还原率也越高【2 9 儿3 0 l ：高 温有利于增加c h f 、o 、0 h 和h 等反应基团的生成浓度，不仅能提高n 吼 的还原率，而且还能促使含氮中间产物还原为n 2 但也有研究表明1 3 1 】不 能一味的提高再燃区的温度，主要原因是存在热力型n o ，生成的转折温度， 当再燃区温度超过该温度时，将会有大量的热力型n 0 ，生成，将不利于 n o ，的还原 ( 4 ) 再燃区过量空气系数a 2 的影响 再燃区过量空气系数直接影响到再燃区的反应气氛，会对再燃反应产 生两方面的影响：一方面，如果a 2 过小，反应区活性基( o 、h ) 的浓度 过低，反应( 2 2 ) ( 2 4 ) 将无法正向进行，将会有大量的未反应的h c n 和 n h f 离开再燃区，并在燃尽区中被氧化为n o ，从而降低了n o ，的还原率 【3 1 1 ；另一方面，如果旺2 过大，再燃区中氧含量较大，c h f 将会按照反应( 2 6 ) 进行，起不到脱硝的作用。在实际应用中，a 2 较低还会带来一些其他问题 如：未燃尽损失增加；飞灰含碳量急剧增加；较强的还原性气氛易造成炉 膛水冷壁的高温腐蚀，加剧水冷壁的结渣，危及锅炉的安全运行等【3 2 1 。因 此应当综合考虑选择合适的a 2 值。 由以上分析可以看出，再燃燃料种类、再燃燃料量、再燃温度、再燃 区过量空气系数是影响再燃反应过程的主要因素。 2 2s n c r 脱硝反应机理及分析 2 2 1s n c r 脱硝反应机理 s n c r 技术是将氨水或者尿素在高温区喷入炉膛或者高温烟气中，在 适宜的温度区间内与生成的氮氧化物进行反应脱除烟气中的n o 。 当喷入的还原剂为尿素时，高温下尿素将发生快速分解1 8 】： 9 山东大学硕士学位论文 c o 洲h 2 ) 2 一n h 3 + m 屹o ( 2 - 7 ) 然后，在o h 和h 等活性基团r 的作用下，n h 3 和h n c 0 分别反应 生成n h 2 和n c 0 ： n h 3 + rhn h 2 埘i ( 2 - 8 ) 删c o + r 付n c o + r h ( 2 9 ) n h 2 和n c o 再与n 0 反应生成n 2 从而达到脱氮的目的。 n h 2 讣的付n 2 + h 2 0( 2 - l o ) n c 0 时的付n 2 + c 0 2 ( 2 - 1 1 ) 若喷入的还原剂为氨水，反应机理仅为( 2 8 ) 和( 2 - 1 0 ) 。 在尿素或氨还原n o ，的同时，也会发生n h 3 分子与0 2 的反应。 4 n h 3 + 5 0 2 哼4 n 0 + 6 h 2 0 ( 2 1 2 ) 4 n h 3 + 3 0 2 2 n 2 + 6 h 2 0( 2 - 1 3 ) 2 2 2s n c r 脱硝反应过程主要影响因素 从s n c r 的反应机理可以看出，氨水或尿素的反应过程实际是还原和 氧化的两类反应相互竞争的过程：在还原过程中，n h 3 和h n c o 在o h 和 h 等活性基团的作用下生成n h 2 和n c o ，然后n h 2 和n c o 再与n o 反应 起到脱硝的作用；在有0 2 存在的情况下，n h 3 会与氧气反应，生成n 0 ， 使烟气中的n 0 浓度不降反升。因此可以看出，s n c r 的反应中的n h 3 的 反应方式是决定s n c r 脱硝反应效果的最根本原因。从s n c r 的反应机理 来看，影响n h 3 的反应方式的因素主要有以下几个方面： ( 1 ) 反应区中反应物的浓度的影响。 反应区反应物的浓度是决定反应进行方向的一个重要因素。因此，需 要对s n c r 反应过程的烟气气氛进行研究以确定各反应物对n h 3 的反应方 式的影响。 初始的n h 3 浓度对脱硝效率影响表现在两个方面：随着氨的喷入，氨 在活性基的作用下生成n h 2 ，n h 2 再进一步与n o 反应消耗n o ；同时氨基 也可与氧作用形成n 0 。因此初始的n h 3 浓度对脱硝效率影响应是两个效 应的综合作用结果，在氨量较少的时候，随着喷入氨量的增加，还原作用 不断加强；当过量的氨喷入后，会因氧化作用削弱脱硝反应【1 2 l ，甚至造成 l o 山东大学硕士学位论文 氨剂的“泄漏”。氨剂“泄漏”不仅会使烟气中的飞灰容易沉积在受热面上， 而且烟气中的氨在遇到s 0 2 时会生成粘性的硫酸铵，容易堵塞空气预热器， 并有腐蚀的危险1 1 l 。同时因为氨的使用是s n c r 运行费用较高的主要原 因，过多的喷氨会对s n c r 的经济性造成影响。在已有的s n c r 技术研究 中，往往采用n h 3 与n 0 的浓度比值n h 3 ，n o 值来反映n h 3 浓度对反应过 程的影响研究中需要确定合适的n h 3 n o 值，以提高s n c r 反应的合理 性和经济性 ( 2 ) 活性基团o h 和h 浓度的影响 烟气中活性基团的浓度是影响n h 3 反应方式的重要因素之一。活性基 团在烟气中的浓度受反应( 2 1 4 ) 的控制 h 2 0 斗h - 唧i ( 2 - 1 4 ) 当温度比较低时，反应的分解作用较弱，烟气中的o h 和h 浓度较低， 限制了反应( 2 8 ) ( 2 9 ) 的进行；随着温度的增高，烟气中活性基团浓度增大， 反应向着有利于脱硝反应进行的方向进行，使脱硝效率不断增高。 ( 3 ) 反应温度的影响 反应区温度是影响s n c r 反应的一个很重要的因素。在s n c r 反应过 程中，温度对s n c r 脱硝效率的影响表现出非常明显的特性。s n c r 反应 过程“温度窗口”( 脱硝效率达到最佳脱硝效率9 0 的反应温度区间【3 3 1 ) 比较窄。在温度低于或高于温度窗口时，脱硝效率均表现出快速的下降趋 势。这主要是由于s n c r 机理中的反应对温度的影响比较敏感，在温度较 低时烟气中的活性基团浓度较低，限制了反应( 2 8 ) ( 2 9 ) 的进行，从而表现 出了较低的脱硝效率；随着温度的增高，烟气中活性基团浓度增大，反应 向着有利于脱硝反应进行的方向进行，在温度窗口内脱硝反应占主导地位； 随着温度的进一步提高，反应( 2 - 1 2 ) ( 2 1 3 ) 占据主导地位，导致脱硝效率下 降甚至n 0 浓度升高。对温度影响的敏感性是s n c r 技术存在的主要难题 之一，对温度影响过程的准确认识和改进是对s n c r 技术优化的一个重要 方向。 ( 4 ) 氨剂与烟气混合程度的影响。 氨剂与烟气的混合程度属于物理影响因素，混合程度越高，各反应进 行的速度越快，反应越完全。氨剂与烟气的混合程度对n h 3 的两种反应方 山东大学硕士学位论文 式都会起到促进的作用，良好的混合将在脱硝反应占主导时，提高s n c r 的脱硝效果 由以上对s n c r 反应机理的分析可以看出，对s n c r 技术的研究应主 要是在正确认识n h 3 n o 、反应温度的基础上，进一步减少n h 3 使用量、 优化s n c r 的反应温度。 2 3 添加剂对s n c r 脱硝反应过程的影响机理及分析 通过2 2 节对s n c r 反应过程影响因素的分析可知，s n c r 反应过程 中的温度条件通过影响反应区域的活性基团浓度对反应物反应方式进行影 响低温区活性基团较低是脱硝效率较低的主要原因。目前，国外研究者 已经开始对反应区活性基团的调节进行研究，添加剂就是其中主要方式之 一，但国内对该方面的研究还鲜有报道。 国外对s n c r 的研究表明，添加剂通过两种方式影响s n c r 反应过程 中的活性基团浓度。 ( 1 ) 通过催化作用产生活性基团 钠无机盐主要通过这种方式对s n c r 起到促进作用。钠无机盐随氨或 尿素喷入s n c r 反应区，当反应区h 、o h 等基团浓度较低时，钠无机盐会 通过以下反应增大反应区的h 、o h 等基团浓度3 4 】： n a 0 h m 哼n a + 饼i + m ( 2 15 ) n a + h 2 0 _ n a 0 i i 忸 ( 2 - l6 ) 总反应式为： h 2 0 斗 i _ 唧i ( 2 1 7 ) h 和o h 浓度的增大促进了反应( 2 8 ) ( 2 9 ) 的进行，从而提高了温度窗口 外n o ，的还原率。 ( 2 ) 通过自身分解产生活性基团 通过向s n c r 反应区加入能够通过自身分解产生活性基团的添加剂的 方式也能够增加反应区活性基团浓度。已有研究表明f 3 3 1 ，含氧有机物如醇、 酯等具有在较低温度下分解产生h 、o h 等基团的性质，因此可以通过向 s n c r 反应区添加有机添加剂，增大较低温度下反应区的h 、0 h 等基团浓 度的方式促进反应( 2 8 ) ( 2 9 ) 的进行，从而提高低温下s n c r 的脱硝效率 1 2 山东大学硕士学位论文 有机添加剂的种类繁多，本文将通过对不同种类有机物的试验研究，确定 最适合s n c r 反应过程的有机物添加剂 2 4 气体再燃、s n c r 协同脱硝原理 再燃过程脱硝效率较低是影响再燃技术发展的一个主要原因，从已有 的研究结果来看，通过优化再燃参数的方式对再燃效率的提升空间有限 因此，本文希望能够从气体再燃和s n c r 联合脱硝的角度，通过充分利用 再燃脱硝费用低和s n c r 脱硝效率高的优点，实现经济高效的脱硝。 已有的研究表明天然气再燃的反应温度在1 0 0 0 以上【1 6 儿3 ，s n c r 的 反应温度大约在9 0 0 1 1 0 0 【3 6 】【3 7 1 ，因此可以采用在再燃过程后复合 s n c r 的方式，实现再燃、s n c r 联合脱硝气体再燃、s n c r 联合脱硝的 主要技术原理是：将主燃料和空气通过燃烧器喷入炉膛内，在过量空气系 数大于l 的情况下充分燃烧，形成主燃区；在主燃区上部一定位置处，喷 入再燃燃料形成再燃区，在此处进行再燃反应；在再燃区后加入燃尽风， 使未燃尽的燃料完全燃烧。在燃尽区后喷入适量的氨剂，进行s n c r 反应， 进一步降低烟气中的n 0 ，。 在气体再燃、s n c r 联合脱硝的过程中，烟气经再燃后，可以脱除大 部分的n o ，进入s n c r 反应段的n o 浓度已经较低，仅用较少量的氨剂 就能够达到较好的脱硝效果。由此可见，从原理上，可以通过联合再燃和 s n c r 过程实现经济高效的脱硝。 2 5 本章小结 本章对再燃和s n c r 的反应机理及反应过程中的主要影响因素进行了 分析，主要结论如下： ( 1 ) 再燃脱硝主要是再燃燃料形成的c h ，基团与n o 反应形成分子氮 的过程，c h i 基团与n o 和与0 2 反应的竞争是决定再燃脱硝效果的主要途 径。可以通过优化再燃燃料种类、再燃燃料量、再燃温度、再燃区过量空 气系数等反应参数提高再燃脱硝效率。 ( 2 ) s n c r 脱硝的主要过程为氨剂与n 0 的反应过程，n h 3 的反应方 式是影响s n c r 脱硝效果的主要原因。对于s n c r 反应过程的改进可以分 l3 山东大学硕士学位论文 为两个方面：一方面，通过优化n h 3 n o 、反应温度等参数提高脱硝效率； 另一方面，通过添加剂的方式改进反应过程，扩大温度窗口。 ( 3 ) 对再燃、s n c r 联合脱硝技术原理进行了介绍。分析认为，从原 理上可以通过联合再燃和s n c r 过程实现经济高效的脱硝。 1 4 山东大学硕士学位论文 3 气体再燃、s n c r 脱硝过程试验研究 3 1 引言 本章将在第2 章机理分析的基础上，对气体再燃、s n c r 反应过程主 要影响因素对脱硝效果的影响作用进行试验研究，并通过试验的方式对再 燃、s n c r 反应过程进行优化改进。 试验的条件和方法是决定试验结果的主要因素。试验中，为了保证试 验研究的准确性，在参考国内外多种再燃试验台和s n c r 试验台的基础上， 设计搭建了能够分别进行再燃和s n c r 试验以及再燃、s n c r 协同试验的 多功能脱硝试验系统。烟气成分分析采用国际领先的德国m & c 烟气分析 系统，为研究提供了良好的试验和测试基础。 本章将对试验系统、气体再燃、s n c r 脱硝试验内容以及试验结果进 行详细的介绍。 3 2 试验系统介绍 本课题试验系统结构如图3 1 所示。该系统高4 m ，反应段总长2 m ， 通过分段控温的方式，可以分别进行再燃、s n c r 以及再燃、s n c r 协同 试验。试验系统主要由主燃系统、反应系统、热风系统、加热系统、取样 分析系统等几部分构成。 3 2 1 主燃系统 该试验台的主燃系统由气体燃烧器和主燃烧室两部分构成。燃烧器为 送风式部分预混燃烧器，具有自动打火、火焰监测和灭火保护功能，能够 保证燃烧的充分和稳定。燃烧室高l 米，内径o 3 米，外径o 7 米，包覆 水泥耐火材料和硅酸铝保温材料，具有较好的耐热保温效果，为主燃燃料 的充分燃烧提供必要的空间。在炉膛下部设有火焰观测孔，可以随时监视 炉膛内的燃烧情况。在燃烧室的上方设有n o 混入口，从该口通入n o 形 成反应所需的烟气成分。 山东大学硕士学位论文 1 燃烧器2 燃烧室3 、4 电加热区域5 空压机6 净化器7 预热器 8 看火孔9 温控仪1 0 热电偶1 1 烟气分析仪1 2 引风机1 3 沉灰池 1 4 2 2 试验试剂通入孔或取样孔 图3 1 热态脱硝试验系统示意图 3 2 2 反应系统 本试验台的反应系统主要是从孔1 6 到取样孔2 2 之间的区域。该区域 总长2 m ，内管为内径8 0 m m 的刚玉管，外层包覆硅酸铝纤维毡，弯头采用 钢管套接，具有较好的保温、密封特性。区域3 和区域4 为电加热段，保 证试验所需的恒定反应温度在反应区域依次分布着1 6 2 l 六个与内管相 通的孔，可以通过这些孔向反应区通入再燃气体、空气、氨剂以及添加剂 1 6 山东大学硕士学位论文 等孔2 2 为烟气取样孔，经孔2 2 抽取待测烟气，剩余烟气经沉灰池1 3 和引风机1 2 排出室外 3 2 3 热风系统 热风系统的主要设备包括：5 空压机、6 净化器、7 预热器以及若干流 量计空气经空压机压缩进入净化器后分为两路：一次风和燃尽风，经预 热器预热至3 0 0 后分别送入燃烧器和燃尽区一次风用来提供主燃液化 气以及再燃燃料燃烧所需的空气；燃尽风用于再燃时在燃尽区为未燃尽燃 料提供燃尽所需空气。净化器的作用是除去压缩空气中含有的杂质和由于 压缩产生的水分，同时起到稳压的作用。试验中通过净化器控制一次风和 燃尽风的开、关，通过转子流量计调节空气量的大小。 3 2 4 加热系统 试验台反应段中设有两个电加热区域：区域3 和区域4 ，以满足试验 所需的反应温度。加热方式为电阻丝加热，额定加热温度为1 2 0 0 ，外接 s 型热电偶，通过温控仪调节或保持加热段温度。加热段3 和4 采用独立 控温方式，可以分别调节控制两段反应温度，对不同反应温度下的脱硝特 性进行试验研究。 3 2 5 取样分析系统 反应段末段设有取样口2 2 ，试验时为保证烟气成分的准确性，通过耐 高温取样杆从炉膛中心区域抽取反应后烟气进行烟气分析。本试验采用德 国m & c 烟气分析仪对燃烧产物及污染物浓度进行测量。分析仪中所有分 析单元均采用红外传感器，具有较高的抗干扰能力，能同时分析测量0 2 、 c o 、c 0 2 、n o 等多种气体浓度。 3 3 试验内容与方法 3 3 1 气体再燃试验内容与方法 气体再燃试验主要在反应段3 中进行。试验中模拟烟气由主燃区燃烧 液化气并加入n o 产生，再燃气体从燃烧室顶部的孔1 6 处送入：通过温控 仪控制反应段3 的电加热温度来控制再燃反应温度，主燃和再燃所需的空 1 7 山东大学硕士学位论文 气由一次风提供，通过计算一次风量控制再燃区的过量空气系数a 2 ；燃尽 风从孔1 8 送入，燃烧总过量空气系数o = 1 2 。本试验中所采用的燃料主要 是液化气和配制的天然气，其成分分析如表3 1 、表3 2 所示。 表3 1 液化气主要成分 序号名称时间峰面积标记含量发热量( m j m 3 ) la i ro 7 75l8 2 5b v3 3 6 7 70 0 0 0 0 2 c 2 1 0 29 7 4v bo 0 6 3 30 0 4 0 7 3 c 3 h l 1 5 02 3 1 6 2 4b b1 5 0 5 1 41 4 0 2 4 6 4 i c 4 h i o 2 2 54 6 0 5 7 0b b2 9 9 2 8 73 6 7 4 3 8 5 n 一c 4 h l o 3 1 01 7 5 5 5 8 b v1 1 4 0 8 l 1 4 0 9 6 5 6 c 4 h o - l 3 5 02 8 1 7 9 9v b1 8 3 1 1 82 1 5 3 7 7 7 c 4 h l - 2 4 2 71 9 7 0 8 2b v1 2 8 0 6 81 3 6 6 9 2 8 c 4 h b 一3 4 8 01 3 9 4 5 7v b9 0 6 2 29 6 9 1 4 合计1 5 3 8 8 8 9 l o o1 1 0 1 0 3 9 表3 2 配制天然气主要成分 成分甲烷乙烷氮气发热量( m j m ) 天然气3 03其余 1 1 9 9 0 气体再燃试验主要对再燃燃料种类( 试验1 ) 、再燃温度( 试验2 ) 、再 燃燃料比例( 试验3 ) 、反应时间( 试验4 ) 、再燃区过量空气系数( 试验5 ) 对再燃脱硝效果的影响进行了试验研究。反应中初始n o 浓度( 体积分数) 为6 0 0 1 0 巧( 本文中所有烟气浓度均折算到0 2 为6 时浓度) 。具体研究内 容及工况如表3 3 所示。 3 3 2s n c r 试验内容与方法 由于s n c r 反应速度较快【3 6 l 【3 引，对温度的影响比较严格，因此试验中 选用反应段4 作为反应区域。在试验中，首先利用区域3 对模拟烟气进行 预热，使之在反应段4 之前就达到反应所需温度，然后再通过严格控制反 应区4 的电加热温度，使区域4 中保持恒定的反应温度，从而保证s n c r 反应过程的温度控制。氨剂及复合添加剂通过孔1 8 送入反应区域，反应在 孔1 8 和测孔2 2 之间约1 m 的区域内进行。 s n c r 试验主要研究了温度窗口( 试验1 ) 、氨剂种类( 试验2 ) 、氨氮 比( 试验3 ) 以及反应时间( 试验4 ) 对n o 。还原效果的影响。初始n o 浓度为6 0 0 l o 一具体研究内容及工况如表3 4 所示； 表3 3 再燃试验工况 试验条件 试验 再燃 工况 再燃温度再燃比 a 2 燃尽风位置 燃料 试验l 液化气 9 0 0 、9 5 0 、l o o o 、 1 5 o 8孔1 8 试验2天然气 1 0 5 0 、l l o o ”l 1 0 ，1 5 、 试验3天然气1 0 0 0 o 8 孔1 8 z o 、2 5 、3 0 _ 孔1 7 、孔1 8 、 试验4天然气 1 0 0 01 5 0 8 孔1 9 、孔2 0 0 5 、o 6 、o 7 、 -，t 试验5天然气 l 0 0 01 5 孔1 8 0 8 、o 9 、1 0 表3 s n c r 试验工况 试验试验条件 工况 还原剂反应温度n h 3 ，n o还原剂喷入位置 试验1尿素8 0 0 、8 5 0 、9 0 0 、9 5 0 、 1 5孔1 8 试验2氨水1 0 0 0 ，1 0 5 0 、1 1 0 0 、1 1 5 0 o 8 、1 o ，1 5 、 试验3 氨水 1 0 0 0孔1 8 2 o 、3 o 孔1 7 、孔1 8 、孔 试验4 氨水 1 0 0 01 5 1 9 、孔2 0 1 9 山东大学硕士学位论文 3 4 气体再燃脱硝过程试验结果及分析 3 4 1 再燃区温度及燃料种类对再燃脱硝过程的影响 一 * 校 普 錾 m o1 m1 m”1 口1 5日 温度再燃比_ 图3 2 再燃温度及燃料种类对图3 - 3 再燃比对脱硝效率 脱硝效率的影响 的影响 气体再燃反应试验1 、试验2 工况下温度及燃料种类对再燃脱硝过程 的影响见图3 2 。由图可以看出，当天然气或液化气作为再燃燃料时，再 燃脱硝效率随着温度的升高而不断升高。从反应机理来看，温度的升高对 脱硝过程的促进主要存在两方面原因：一方面，促进了再燃过程的主要反 应的进行，无论是还原反应过程还是c h ，的氧化反应均为吸热反应，再燃 区温度的升高将有利于所有反应的进行。由于再燃过程在还原性气氛下进 行，还原区的氧浓度较低，因此温度的升高对反应( 2 6 ) 的促进作用较小。 因此，再燃区还原性气氛是保证再燃区温度对脱硝反应产生促进作用的前 提条件。另一方面，温度的升高有利于促进再燃区0 、o h 和h 等活性基 团的生成，从而促使更多含氮中间产物转变为n ，有利于再燃区还原反应 的进行。 从图3 2 中还可以看出，不同再燃燃料的脱硝特性有所不同。1 0 0 0 以下，液化气脱硝效率随温度的升高快速增长，当温度高于l o o o ，液化 气脱硝效率随温度的升高增长趋缓天然气则表现出相反的特性，1 0 5 0 以下时，脱硝效率随温度的升高缓慢增长，当温度高于1 0 5 0 时，脱硝效 率急剧增长，并在l l o o 超过液化气。由此可见，以c 4 h l o 和c 4 h 8 多碳气 体为主要成分的液化气适合低温脱硝，而以c h 4 和c 2 h 6 为主要成分的天 碍 辞 坼 i 瞥荣器罄 山东大学硕士学位论文 然气则适合于1 1 0 0 以上的高温脱硝。 3 4 2 再燃燃料量对再燃脱硝过程的影响 再燃燃料量是影响再燃效果的一个很重要的因素，在再燃研究中通常 用再燃比来确定再燃过程中的燃料量。再燃比是指再燃燃料发热量与燃烧 总发热量的比值。为了达到一定的n 0 ，的还原效果，必需送入足够数量的 再燃燃料，以保证再燃区内还原n 0 ，所必需的烃根浓度。如果再燃燃料分 额太小，在再燃区产生的c h f 基团过少，对n o ，的还原效果不够明显；如 果再燃燃料分额太大，一方面，还原n 0 ，的效果已不明显增加，另一方面 会给锅炉燃烧和锅炉效率带来不利的影响，而且气体再燃分额越大投资越 多【2 引。因此，应充分考虑各方面因素确定合理的再燃燃料比例。 图3 3 为再燃区过量空气系数a 2 = o 8 ，再燃温度l 0 0 0 时，再燃比对 n o ，排放特性的影响。从图中可以看出随着再燃燃料量的增加，脱硝效率 不断增加。再燃比低于2 0 时，脱硝效率随再燃比的增加变化较大，2 0 以后变化趋缓，再燃比的增加对脱硝效率的影响变小。试验中合适的再燃 比为1 5 2 0 。 。 3 4 3 再燃区反应时间对再燃脱硝过程的影响 在再燃反应过程中，再燃燃料必须和n 0 ，在合适的温度区域内有足够 的停留时间，才能保证烟气中n o ，的还原率。本试验中在试验2 工况下， 通过改变燃尽风的送入位置，对再燃的反应时间进行了试验研究。燃尽风 的通入位置及停留时间如表3 5 所示： 表3 5 燃尽风通入位置及停留时间对照表 燃尽风位置孔1 7孔1 8孔1 9孔2 0 停留时间s o 8 31 1 81 3 31 9 3 图3 4 为再燃区反应时间对再燃脱硝过程的影响图。由图3 4 中可以 看出，再燃反应温度1 0 0 0 ，再燃比t 5 的反应条件下，天然气再燃的脱 硝效率随着反应时间的增加而不断增加。在1 3 3 s ( 孔1 9 加入燃尽风时) 之前，增加幅度较大，但当时间超过1 3 3s 之后，再延长停留时间对脱硝 2 l 山东大学硕士学位论文 效率的影响不大。由此可见，在再燃反应区中，停留时间越长越有利于脱 硝反应的进行但在实际应用中停留时间受到锅炉燃烧方式和燃尽要求的 制约，过长的再燃区停留时间会缩短燃尽区的停留时间而导致燃烧效率下 降【39 1 因此应当根据实际锅炉的特点，在保证燃尽和锅炉效率的前提下尽 可能的延长再燃区的停留时间，以获得更好的再燃效果 1 姗 较 瓣 翟 o 8l1 21 41 61 82 时间s 图3 4 再燃区反应时问 对脱硝效率的影响 - 姗 楼 普 馨 o jn 01 m 过量空气系数 图3 5 再燃区过量空气系数 对脱硝效率的影响 3 4 4 过量空气系数对再燃脱硝过程的影响 再燃区过量空气系数直接影响到再燃区的还原性气氛，是影响再燃脱 硝反应的一个重要条件。本小节在试验3 工况下，对再燃区过量空气系数 变化对再燃脱硝效果的影响进行了试验研究，试验中通过调整燃尽风在总 燃烧空气量中的比例来实现对再燃区的过量空气系数的控制，试验结果见 图3 5 。 从图中可以看出再燃效率随着再燃区过量空气系数a 2 的增加先增加 后降低，在旺2 = o 8 时获得了最好的脱硝效果，过量空气过低和过高都不利 于再燃脱硝的进行。从再燃反应机理可知a 2 较小时，反应区活性基( 0 、 h ) 的浓度较低，反应( 2 2 ) 一( 2 4 ) 将无法正向进行，大量的未反应的h c n 和n h f 离开再燃区，并在燃尽区中被氧化为n o ，从而降低了n o 。的还原 率；另外天然气作为再燃燃料时，在较低温度( 茎l3 0 0 ) 条件下c h f 基团 踮蚰佰伯；宕跖的 山东大学硕士学位论文 的形成需要一定氧的气氛，主要反应方程式为【4 0 】： c h 。+ o c h f + ( 3 - 1 ) a 2 过低时不利于c h ，基团的形成从而使脱硝效率比较低。随着旺2 的升高， 反应区活性基( 0 、h ) 的浓度升高，再燃脱硝效率不断升高，在a 2 = o 8 时达到最佳值当a 2 o 8 后再燃脱硝效率开始降低，这主要是由于过高 的a 2 导致再燃区氧量过高，c h f 基团会与再燃区的氧发生氧化反应( 2 6 ) ， 不利于脱硝反应的进行。 由以上分析可知，再燃区过量空气系数a 2 应当存在最佳值，本文通过 试验得出天然气作为再燃燃料时，伍2 最佳值为o 8 。 3 5s n c r 脱硝过程试验结果及分析 3 5 1 温度对s n c r 脱硝过程的影响 l 静 较 器 翟 图3 6 温度对s n c r 脱硝效率的影响 温度是影响s n c r 脱硝的最主要因素之一本试验中分别对氨水和尿 素不同温度下脱除n 0 ，的特性进行了试验研究。由试验l 工况下温度对氨 水、尿素s n c r 脱硝效果的影响图3 6 可以看出，氨水和尿素的脱硝效率 受温度的影响变化比较明显，随着温度的升高脱硝效率先增加后下降，存 在着最佳反应温度。氨水的最佳反应温度出现在1 0 0 0 左右，尿素的最佳 反应温度略高于氨水的最佳反应温度，约为1 0 2 5 。由图可以看出，氨水 和尿素的最高脱硝效率相当，约为9 0 ，但氨水的“温度窗口”要明显宽于 尿素。在本试验中，氨水的温度窗口范围9 2 5 一1 1 0 0 ，尿素的温度窗口 山东大学硕士学位论文 范围为9 5 0 1 0 7 0 。 从试验结果可以看出，氨水和尿素作为还原剂时，反应温度窗口比较 窄，在温度窗口之外反应的脱硝效率都急剧的降低，尤其是尿素表现得更 为明显。这主要是由于当温度低于“温度窗口”时，还原剂与氮氧化物的反 应缓慢，经历反应区时大部分还原剂没有参与反应，而是随烟气排出，造 成了氨逃逸；当温度高于“温度窗口”时，还原剂的氧化反应( 2 - 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 占据主要地位，尿素溶液分解出来的氨或者喷入的氨没有还原n o ，反而 和氧反应生成n o ，因此在s n c r 应用中选择温度合适的喷入位置十分重 要，喷入位置选择不当会造成氨逃逸甚至n 0 ，排放量上升。反应温度较严 格，温度窗口较窄是s n c r 技术推广的重要障碍，因此对s n c r 反应温度 的研究和优化将是s n c r 研究过程中非常重要的一个方面。 3 5 2n h 3 ，n o 对s n c r 脱硝过程的影响 ， * 凝 翟 罄 i * 凝 罄 氆 图3 7n h 3 ，n o 对脱硝效率的影响图3 - 8反应时间对脱硝效率的影响 由反应机理可知，在氨剂与氮氧化物的反应过程中，n h 3 与n o 的反 应化学当量为l ：i 。但在实际应用中，为了保证较高的脱硝效率，促使反 应向还原方向进行，通常选用的n h 3 n o l 。在s n c r 反应过程中，n h 3 n o 的选取对于s n c r 过程的效率和经济性有着直接的影响，n h 3 n o 较小n 0 ， 还原不彻底，脱硝效率较低；n h 3 n o 太大，会引起氨逃逸，不仅使投资 增加，而且逃逸的氨与硫酸结合生成硫酸氨会对尾部受热面造成腐蚀，影 响锅炉的安全运行。因此在研究过程中，应综合考虑各方面因素选用合适 2 4 山东大学硕士学位论文 的n h 3 n o 。 本文对不同n h 3 n o 对s n c r 反应过程的影响进行了试验研究。由图 3 7 可以看出，n h 3 n o l 时，随着n h 3 n o 值的增加，脱硝效率不断增 加在n h 3 n o = 2 之前，脱硝效率随n h 3 ，n o 增加较快之后，由于s n c r 脱硝反应已经进行的比较完全，增加反应区的n h 3 浓度不能够进一步的促 进脱硝反应的进行，n h 3 ，n o 的增加对脱硝效率的影响不大在本试验中， 最佳n h 3 n o 应为1 5 2 3 5 3 反应时间对s n c r 脱硝过程的影响 本试验在试验3 反应工况下，通过移动氨剂的喷入位置，对反应时间 对s n c r 脱硝过程的影响进行了试验研究氨剂喷入位置及反应时间如表 3 6 所示： 表3 6 氨剂喷入位置及反应时间对照表 氨剂喷入位置孔2 0孔1 9孔1 8孔1 7 反应时间s o 7 61 2 31 7 72 2 2 由图3 8 可以看出，反应完全的时间约为1 2 3 s 。1 2 3 s 之前，脱硝效 率随反应时间的增加迅速增加，1 2 3 s 之后反应达到平衡，时间的增加对脱 硝效率几乎没有影响，脱硝效率保持不变。由试验结果可以看出足够的反 应时间对脱硝效果的影响比较大，因此在s n c r 应用过程中，应当在合适 的反应温度窗口中保证足够的反应时间，从而获得较好的脱硝效率。 3 6 本章小结 本章在热态脱硝试验台上对再燃和s n c r 反应过程中的主要影响因素 对脱硝效率的影响规律进行了试验研究。 ( 1 ) 对再燃过程主要影响因素研究表明：在较低温度下( 1 1 0 0 ) 单碳燃料表现出较好的脱硝特性，以甲烷为主要成分的天然气适合在高温 下使用：提高再燃区温度、延长再燃反应时间、增大再燃燃料比例均有利 山东大学硕士学位论文 于提高再燃脱硝效率；但再燃区过量空气系数过大或过小均不利于脱硝反 应的进行，存在最佳值，试验中为o 8 。 ( 2 ) 对s n c r 反应过程研究表明：s n c r 反应过程存在温度窗口，氨 水的“温度窗口”范围为9 2 5 l 1 0 0 ，最佳反应温度为1 0 0 0 ；尿素的“温 度窗口”范围为9 5 0 1 0 7 0 ，最佳反应温度约为1 0 2 5 氨水的脱硝效 果好于尿素在l o o o 下，提高n h 3 ，n o 和反应时间对氨水s n c r 脱硝效 率提高有限，最佳n h 3 n o 为1 5 2 ，试验中完全反应时间为1 2 3 8 。 山东大学硕士学位论文 4 气体再燃、s