（热能工程专业论文）天然气再燃先进再燃脱硝的化学动力学模拟与实验研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 燃煤氮氧化物是大气污染源之一，其大量排放严重威胁了人类的健康 和生存环境，控制其排放势在必行。天然气先进再燃以其脱硝效率高、对 锅炉燃烧影响小、改造费用低等优点而成为研究热点。本文利用化学动力 学模拟和实验两种方法研究了不同因素对天然气再燃、先进再燃脱硝效率 的影响规律，并分析了相应机理，以期为天然气先进再燃技术的发展和应 用提供借鉴。 首先，本文在建立物理模型基础上，选取g r l 3 0 机理模拟不同因素对 天然气再燃脱硝效率的影响规律，并分析了天然气再燃脱硝机理，结果表 明：天然气再燃可以获得5 0 7 0 的脱硝效率，多种影响脱硝效率的因素 均存在最佳取值范围。随反应温度的升高，c h 4 脱硝效率先升高后降低， 最佳温度范围为10 5 0 1 10 0 ；较低的过量空气系数( s r ) 利于c h 4 还 原n o ，但当s r 1 的条件下燃烧，伴随该过程有大量的n o 。生成；将占入炉 热量1 0 - 3 0 的再燃燃料( 二次燃料) 在主燃区上部的合适位置喷入再燃 区，在o t o 5 时，低温有利于脱硝，而当s r o 6 后，脱硝效率下降较明显。升高温度可以使得高效 脱硝的s r 范围向较低方向拓宽，使得先进再燃脱硝反应对0 2 的消耗量减 少。 邑 s ( a ) 混合燃料( b ) c h 4 ( c ) 混合燃料( d ) c h 4 图4 2 再燃区过量空气系数对脱硝效率的影响 图4 2 ( c ) 、( d ) 为10 5 0 时，不同s r 下的n o 浓度沿管长的分布情 况。随着s r 增加，n o 浓度下降速度增加，当s r 达到0 6 时，脱硝效率达 到最大值，再增加s r ，再燃区尾部又生成新的n o ，从而脱硝效率下降， 并且随s r 的增加，再燃区尾部n o 的生成量增加，因而需要选取一个合适 山东大学硕士学位论文 的歙，模拟结果显示最佳再燃区拙范围为o 4 0 6 ，综合考虑锅炉效率推 荐最佳s r 为o 6 0 7 。 4 2 3 天然气与n 0 初始比例对脱硝效率的影响 由第三章的分析可知，适当的再燃燃料量是取得高效再燃脱硝效率的 关键，有关研究【7 7 】表明在s n c r 反应中加入c h 4 ，o h 基元量增加，促进 n h 3 形成n h 2 ，可以促进脱硝反应。但是随着加入c h 4 的增加，反应过程 中o h 基元逐渐积累，过量的o h 基元会使n h 2 进一步被氧化为n h ，继而 被氧化成n o ，导致脱硝效率下降。因而先进再燃中再燃燃料的选取量也 是影响脱硝效率的关键因素。 ( a ) 混合燃料( b ) c h 4 ( c ) 混合燃料( d ) c h 4 图4 3 天然气与n o 初始比例对脱硝效率的影响 4 5 山东大学硕士学位论文 模拟初始值为s r = o 7 ，c d = 6 0 0 10 ，n s r = 2 ，t = o 4 5 s 。图4 3 为天 然气与n o 初始比例对脱硝效率的影响。在10 5 0 时，c h 4 再燃脱硝效率 随n g n o 值的增加先快速增加而后呈现小幅度下降趋势，在n g n o = 3 取 得最大值，当温度降低到10 0 0 时，脱硝效率随n g n o 值的增加而不断 增加，这是由于温度较低时c h ，的生成浓度较小，主要依靠增加再燃燃料 量来维持较高c h ，浓度，而当有少量c 2 h 6 加入时，这种规律发生了变化， 如图4 3 ( a ) 所示，在10 0 0 时也出现了最佳n g n o 值，这是由于c 2 h 6 较c h 4 易分解，在较低的温度下即可以形成较高的c h 。浓度。另外，随着 n h 3 的加入，不仅提高了同比下天然气的再燃脱硝效率，而且使得n g n o 的最佳值减小，这说明n h 3 的加入有利于减小再燃燃料的使用量。 图4 3 ( c ) 、( d ) 为10 0 0 时，不同g d 值下n o 浓度沿管长分布 情况。比较两图可以看出，少量c 2 h 6 加入促进了还原反应的进行，但是当 g d 高于3 以后，又有了新的n o 生成。与图3 4 ( c ) 、( d ) 比较可以 看出，n h 3 加入大幅度的提高了脱硝效率，并使得最佳n g n o 明显降低。 4 2 4 初始n 0 浓度对脱硝效率的影响 n o 浓度的大小由主燃区燃料的含氮量决定，考察不同初始n o 浓度对 天然气再燃脱硝效率的影响规律可以为燃用不同燃料锅炉的再燃脱硝提供 理论借鉴。 图4 4 为s r = o 7 、n g n o = 4 ，n s r = 2 ，t = o 4 5 s 的条件下，不同初始 n o 浓度对天然气再燃脱硝效率的影响规律。从图4 - 4 ( b ) 中可以看出， 随着n o 初始浓度的增加，脱硝效率逐渐增加，但增加趋势逐渐减缓，当 有少量c 2 h 6 加入后，反应速度增加，如图4 4 ( a ) 所示，当n o 初始浓度 超过8 0 0 x1 0 巧后，脱硝效率基本保持不变。 图4 4 ( c ) 、( d ) 为10 5 0 时，不同n o 初始浓度下，n o 浓度沿管长 分布情况。从图中可以看出，在反应管的前段，不同初始n o 浓度下的反 应速率基本相同，随着反应管长度的增加，初始n o 浓度较高的反应速度 增加，从而使得脱硝效率较之低初始n o 浓度条件下有较大幅度的提高。 山东大学硕士学位论文 当有少量c 2 h 6 加入后，在整个反应管段的反应速率几乎都不变，较高的 n o 初始浓度使得还原反应速率较高，从而使得在相同再燃停留时间下的 脱硝效率增加。与图3 5 ( c ) 、( d ) 相比可以看出，相同工况下，先进再燃 比再燃的还原反应进行的更彻底，几乎整个反应管段上都在持续进行，有 效利用了再燃区长度。 ( a ) 混合燃料 + c 一3 0 0 x 1 0 4 0 0 1 0 1 一c 5 0 0 x l o - ! 十c 蠲o o x l o + c f 7 0 0 x 1 0 1 i 卜g i 蠲0 0 x l o 。8 文+ = 9 0 0 x l o 8 s 氐二品赫l 旷 o5 1 01 52 02 5 l c m ( b ) c h 4 ( c ) 混合燃料 ( d ) c h 4 图4 4 初始n o 浓度对脱硝效率的影响 4 2 5 再燃区停留时间对脱硝效率的影响 停留时间的大小影响反应的进行程度，合适的停留时间不仅可以实现 较高的脱硝效率而且可以合理布置炉膛的有限空间。另外，先进再燃相对 于再燃其还原基团增加，增加停留时间有利于提高还原基团的利用率，因 4 7 o 8 6 4 2 o i b _ l 3 山东大学硕士学位论文 而考察停留时间对先进再燃的影响规律对于提高脱硝效率和先进再燃的机 理研究都是有益的。 图4 5 为s r = o 7 、n g n o = 4 ，c n o = 6 0 0x10 一，n s r = 2 的条件下，不同 再燃区停留时间对天然气先进再燃脱硝效率的影响规律。图4 5 ( b ) 表明， 随再燃区停留时间的增加，c h 4 先进再燃脱硝效率先迅速增加，然后基本 保持不变，甚至有略微下降趋势。不同温度下的最佳再燃停留时间差别较 大，10 0 0 约为o 9 s ，而10 5 0 则为0 4 s 。这是因为高温有利于还原基团 的形成，从而加速还原反应的进行，缩短了最佳停留时间。当有少量c 2 h 6 加入做再燃燃料时，提高了相同工况下的脱硝效率，如图4 5 ( a ) 所示。 ( a ) 混合燃料( b ) c h 4 ( c ) 混合燃料 ( d ) c h 4 图4 5 再燃区停留时间对脱硝效率的影响 图4 5 ( c ) 、( d ) 为10 0 0 时，不同再燃区停留时间下n o 浓度沿管 长分布情况。天然气先进再燃过程中，n o 浓度在整个反应管内都均匀下 山东大学硕士学位论文 降，与图3 - 6 ( c ) 、( d ) 相比，n o 浓度在相同工况下的下降幅度增加，并 且还原反应时间增加，这是先进再燃中由于n h 3 的加入增加了再燃区还原 基团的数量，从而增加n o 与还原基团的接触几率，而且会使反应的持续 时间加长。但过大的停留时间并不总是有利的，停留时间的增加不仅会促 进n o 的还原反应，而且也会促进n o 生成反应的进行，从而不利于脱硝。 另外，过度的增加再燃停留时间会影响锅炉的整体布置，带来设计困难等 一系列问题，因而实际应用中的最佳停留时间的选择应该结合锅炉效率要 求来确定。 4 2 6n h 。与n o 比例对脱硝效率的影响 再燃区中喷入的氨剂量是影响先进再燃脱硝效率的重要因素，氨剂量 直接影响了再燃区内n h ，的浓度，随着氨剂的喷入，n h 3 在活性基的作用 下分解成n h 2 ，且该物质的生成量随氨剂量的增加而增加。但当氨剂量超 过一定数值后，氨剂与氧气的反应生成n o 的副反应增强，因而天然气先 进再燃脱硝效率受氨剂喷入量的影响。另外，过多的喷氨量，会造成氨逃 逸，这不仅会带来二次污染，而且会使烟气中飞灰团聚沉积在受热面上， 遇到s 0 2 后会生成粘性的硫酸铵，堵塞腐蚀空气预热器 2 6 1 。因而考察氨剂 量对天然气先进再燃的影响规律对于其在工程中的应用具有重要意义。 本文中采用n h 3 与n o 浓度的摩尔比值( n s r ) 来反映n h 3 的初始喷 入量，由下面反应( 4 9 ) 可知，将n o 恰好完全还原的n s r 为1 ，但实际 过程中最佳n s r 往往要大于1 。 4 n o + 4 n h 3 + 0 2 ；4 n 2 + 6 h 2 0 ( 4 9 ) 模拟初始值为n g n o = 4 ，c d = 6 0 0x1 0 一，s r = o 7 ，x = 0 4 5 s 。图4 6 给出了不同n s r 下天然气先进再燃脱硝效率的变化规律。由图4 6 ( b ) 可 知：随着n s r 的增加，脱硝效率的增加趋势变化明显，并随温度的变化而 发生改变。在10 0 0 时，再燃脱硝效率随n s r 的增加而逐渐增加，其中再 燃燃料中有c 2 h 6 存在时，随n s r 的增加，脱硝效率的增加幅度和速度都 较只有c h 4 时明显。当温度达到10 5 0 后，天然气先进再燃脱硝效率受 4 9 山东大学硕七学位论文 n s r 影响较小，基本保持8 0 以上的脱硝效率。从图4 6 ( a ) 、( b ) 中可 知，当温度达到10 5 0 时，在n s r 为1 2 5 范围内的脱硝效率基本保持不 变，因而可以选择l 为最佳n s r ，实际运行中，考虑到n h 3 与烟气的混合 问题，可以将n s r 的取值扩大到1 2 1 5 。 ( a ) 混合燃料( b ) c h 4 ( c ) 混合燃料( d ) c h 4 图4 - 6n h 3 与n o 比例对脱硝效率的影响 图4 6 ( c ) 、( d ) 给出了t = 10 5 0 时，不同n s r 条件下n o 浓度沿管 长分布情况。从浓度变化可以看出n s r 在1 2 5 的范围内时，n o 浓度变 化都出现了拐点，这说明，当