（工程热物理专业论文）辊底炉再燃脱硝过程燃烧数值模拟.pdf

摘要 摘要 降低工业燃烧过程中n o x 的排放已经成为国内外学者的重要研究对象之 一。其中气体再燃技术是一种发展前景良好的低氮氧化物燃烧技术。本文针对 应用广泛的辊底炉进行了再燃脱硝技术研究，对保护大气环境具有重要的工程 应用价值。 本文以辊底炉的下游模块为研究对象，自行设计、搭建了再燃脱硝实验台。 以主烧嘴所产生的高温烟气模拟上游烟气，以侧壁上的副烧嘴在炉内构建再燃 脱硝环境。 本论文通过改变再燃率、主烧嘴过量空气系数、再燃过量空气系数以及主、 再燃烧嘴间距等燃烧条件，研究了燃气型工业炉窑再燃脱硝过程以及运行参数 和烧嘴分布对脱硝效果的影响。研究结果表明： 1 再燃脱硝技术是经济可行的低n o x 燃烧技术，并且从脱硝效果和炉膛燃 烧火焰效果两方面考虑，脱硝率控制在1 5 2 0 的范围内最适宜。 2 再燃燃料喷入位置与主火焰长度有关，因此，需要根据燃烧装置的工程 实际运行特点合理地调整再燃燃料喷入位置。 3 过量空气系数包括再燃过量空气系数( a 1 ) 和主燃过量空气系数( a 2 ) 两部分， 它们作为影响氮氧化物排放量的重要参数，应该将a l 控制在0 7 - 0 9 的范围内， 并且将a 2 控制在1 2 以下。 关键词：再燃，脱硝，低氮氧化物燃烧技术，n o x 排放 a b s t r a c t a b s t r a c t n o w a d a y s ，h o wt or e d u c et h en i t r o g e no x i d ee m i s s i o nd u r i n gt h ei n d u s t r i a l c o m b u s t i o ni so n eo ft h ec u r r e n tm a j o rs u b j e c t sf o rm ed o m e s t i ca n df o r e i g n r e s e a r c h e r s i nt h i s b a c k g r o u n d ，r e b u r n i n gt e c h n o l o g yi sap r o m i s i n gd e - n i t r o g e n m e t h o d t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h er e b u r n i n gt e c h n o l o g yi nr o l l e rk i l n ，a n di tw i l lb e v a l u a b l ef o rt h ee n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n t h et e s t - b e di sd e s i g n e do nt h eb a s i so fp a r to ft h er o l l e rk i l n ，a n db u i l tt o i n v e s t i g a t et h er e b u r n i n gt e c h n o l o g y t h ef l u eg a sp r o d u c e db yt h em a i nb u r n e r s i m u l a t e st h eu p s t r e a mf l u e i tw i l lm a k et h e r e b u m i n ga t m o s p h e r ew i t ht h e s e c o n d a r yb u r n e r so nt h es i d eo ft h ef u r n a c e t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e st h ep a r a m e t e r so ft h er c b u r n i n g s y s t e m ，i n c l u d i n gt h e r e b u m i n gr a t i o ，t h er e b u r n i n ge x c e s sa i rr a t i o ，t h em a j o re x c e s sa i rr a t i o ，a n dt h e a r r a n g e m e n tm o d eo fb u r n e r s a n dt h er e s u l t sa r e ： 1 t h er e b u r n i n gc o m b u s t i o nt e c h n o l o g yh a st h eg r e a te c o n o m i cf e a s i b i l i t y t h e b e s tr e b u m i n gr a t i oi sb e t w e e n15 a n d2 0 ，c o n s i d e r i n gt h ed e n i t r a t i o ne f f i c i e n c y a n dt h ec o m b u s t i o ne f f i c i e n c y 2 t h ei n j e c t i o nl o c a t i o no ft h er e b u m i n gf u e la f f e c t st h ef l a m es t a t e ，a n di ti s o n eo ft h em a j o r p a r a m e t e r s h e n c e ，t h ei n j e c t i o nl o c a t i o ni sa d j u s t e db yt h ef u r n a c e o p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s 3 t h ee x c e s sa i rr a t i o sc o n s i s to ft h e r e b u r n i n ge x c e s sa i rr a t i o ( a b b a 1 ) a n dt h e m a j o re x c e s sa i rr a t i o ( a b b a 2 ) ，a n da ls h o u l db ec o n t r o l l e db e t w e e n0 7a n d0 9 a n d a 2s h o u l db ec o n t r o l l e du n d e rt h e1 2 k e yw o r d s ：r e b u r n i n g ，d e n i t r i c ，l o w - n o xc o m b u s t i o nt e c h n o l o g y , n o xe m i s s i o n u 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 年月日 绪论 第1 章绪论 氨氯化物( b o x ) 的危害 中国既足能张生产人国。也是能源消费大国，其中工业消费比例在5 0 以上， 由下罔l 】可知，我国化石能源消费量呈逐年递增的趋势。随着我国能源消耗量 的不断增长，氮氧化物( n o x ) 排放量也持续增加，同时，我国工业氨氧化物排 放量比重较大，约占排放总量的3 0 9 ，并且上海、天滓和北京等特大城市的氰 氧化物平均捧放强度最高。据统计，2 0 0 4 年我国工业部门氮氧化物排放量约为 1 0 2 0 万吨。2 0 0 6 年环境统计体系首次将氮氧化物排放置纳八统计范围，环境统 计数字显不，2 0 0 6 年全国担氧化物排放量达i5 2 3 万吨。据有关研究的估算，到 2 0 1 0 年我国的n o x 捧放篮将达到2 1 9 4 万吨。据l 州e p 项目“能源规划中综合 考虑环境因素”研究的初步估算，按照行业划分目前我国氪氧化物排放量的近 6 0 来自于工业”j ， 妥2 0 0 0 0 0 蝗 营1 5 0 0 0 0 基 拦5 0 0 0 0 i | j 懈n i 能源消费总盘口f 业能源消费总盘一工业耗能比倒1 目ii 中国2 0 0 0 2 0 0 5 年能源消费结构 化石能源的大量开发和利用推动了现代经济的飞速发展，同时也给自然界 一掌一匿丑拦麟爿h 。毪碡碟“。 绪论 和人类带来了巨大的环境隐患。氮和氧结合的无机化合物如n o 、n 0 2 、n 2 0 、 n 2 0 4 、n 0 3 等都是大气污染物，被通称为n o x 。因为在通常的燃烧温度下，化 石燃料燃烧生成的n o x 中，n o 约占9 0 以上，n 0 2 占5 - - 1 0 ，而n 2 0 仅占 l 左右，n o 排入大气后绝大部分又被氧化成毒性更大的n 0 2 ，故将n o 和n 0 2 作为主要防治对象1 2 t l 引。 n o x 对人类健康、生产生活以及气候等方面都存在着巨大且复杂的危害。 首先，当大气中n o x 浓度过高时就会强烈损害人的心脏、肝脏、肾脏和血液组 织等功能器官。另外，n o x 还是酸雨形成的主要元凶之一，众所周知，酸雨会 给农业、工业设备及生态系统等造成严重的经济损失。而且一旦它进入平流层 就会对臭氧层构成直接的威胁，逐渐破坏地球的重要保护层。 1 2 选题依据 随着我国城市化进程的不断加快和工业的迅速发展，城市大气污染现象较 为严重，我国6 2 的城市大气中氮氧化物、二氧化硫全年日平均浓度超过了3 级标准( 1 0 0 m g m 3 ) ，并且根据世界卫生组织对6 0 个国家1 0 - - 一5 0 年的监测发 现，在全球污染最严重的l o 个城市中，我国就占了8 个，同时，我国城市大气 中的n o x 、s 0 2 和总悬浮微粒的浓度也很高。因此，我国城市的大气污染问题越 来越引起人们的关注。国家统计数据( 见下图1 2 ) 显示，各地政府在工业废气 治理方面的投资亦不断地增加。 目前降低n o x 排放的措施主要分为两大类：是燃烧过程中控制n o x 的生 成量，即低n o x 燃烧技术；二是处理燃烧后的烟气，脱除其中的n o x ，即烟气 脱硝技术。低n o x 燃烧技术无需运行费用，n o x 减排效果良好，是一种比较经 济的控制n o x 排放方法。若将低n o x 燃烧技术与烟气脱硝技术联合使用，可以 满足更高的n o x 排放标准，同时还能起到降低燃烧后烟气脱硝的技术难度和成 本的作用。 2 绪论 o 2 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 42 i ) 0 52 0 0 6 年份 图1 2 全国工业废气治理年投资情况 低n o x 燃烧技术主要包括低n o x 燃烧器、浓淡偏差燃烧、烟气再循环法、 空气分级燃烧技术以及燃料分级燃烧技术( 即再燃脱硝技术) 等。低n o x 燃烧 技术的实质是通过各种技术手段改进燃烧状况、抑制氮氧化物生成。改进原则 主要有：( 1 ) 控制燃烧火焰温度峰值，防止产生局部高温区；( 2 ) 限制火焰峰和反 应区内的氧气含量；( 3 ) 缩短烟气在高温区的停留时间等 4 1 。 上个世纪初，p a r t ya n de n g l e 首先发现碳氢化合物有助于降低n o 的排放， 进而w e n & 等提出了“再燃”这个概念，并且再燃技术很快引起欧洲、北美和日 本的普遍关注。2 0 世纪8 0 年代初，日本三菱公司首次完成了燃料分级燃烧技术 ( 即再燃技术) 的工程应用，达到了降低约5 0 n o x 排放量的良好效果吼【6 1 。 其后b a b c o c k h i t a c h ik k 公司又成功将再燃技术应用于大量的墙式布置旋流燃 烧器锅炉。g r i 和f o l s o m 等在三台燃煤锅炉上进行了长时间气体再燃实验研究， 在l7 2 m w 的墙式布置旋流燃烧器锅炉上可降低n o x 排放6 0 ，在一个旋风炉 上可降低n o x 排放6 5 ，而在一个7 1 m w 的四角切圆燃烧锅炉上，可降低n o x 排放5 5 。 3 一 一 一 一 ， 1 ， 袄文v稍鞯甏瘿f巡菘q 绪论 与国外相比，我国再燃技术研究处于起步阶段。其中，四川电力实验研究 所根据国家电力公司的统一部署，采用天然气再燃技术，用于降低燃煤锅炉n o x 排放工业实验研究。哈尔滨工业大学燃烧工程研究所承担的8 6 3 项目“超细煤粉 再燃低n o x 燃烧技术研究”项目已完成，进行了该项目相关工业示范研究工作。 另外，许多学者对r e b u m i n g 技术展开了大量的小型实验及中试研究，并且， 全球已有若干燃料再燃技术应用于商业项目。再燃技术适用于新建锅炉和现有 的锅炉改造方案，其技术投资处于中等水平，并且再燃技术可以与其它各种低 n o x 技术或者烟气脱硝技术联合使用。当前再燃技术是降低n o x 排放的高效且 很有前途的措施之一。 电站锅炉作为n o x 的主要来源，已经成为国内外再燃脱硝技术应用研究的 重点，而针对燃气型工业炉窑的再燃脱硝技术研究比较薄弱。但是随着节能减 排理念的推广、环保压力的增加以及煤气化技术的发展，燃气型工业炉窑的氮 氧化物减排的需求也不断地上升，尤其是在陶瓷、玻璃等以燃气型炉窑为主要 生产设备的行业，对经济性较高的脱硝技术有着迫切的需求。 世界各国的气体污染物排放标准不断地修正补充，逐渐严密、准确和细化。 以日本为例，1 9 7 3 年制订了第一部关于限制n o x 排放量的法规，1 9 7 4 年进行了 补充，1 9 7 5 年重新修订，而后又先后进行了三次修订过程，最终根据锅炉的容 量和燃料的不同，分别规定了相应的n o x 最高允许排放限值，并且统一按换算 成n 0 2 计，如下表1 1 。 表1 1 日本化石燃料锅炉的允许排放限制f 7 】- 8 1 燃料种类和锅炉蒸发量n o x 的最高允许排敖浓度 空气过剩状态t 稳1 m g 磺3 ( 换算成n 0 2 ) 5 7 00 0 2 55 1 3 煤0 2 = 6 0 0 5 7 00 0 2 04 1 0 5 4 00 0 1 53 0 8 油0 2 = 4 5 4 00 0 1 32 6 7 5 0 6o 0 l o2 0 5 气0 2 = 5 5 0 60 0 0 61 2 3 我国作为第一大发展中国家，进一步完善氮氧化物的排放标准，并且使之 早日与国际水平接轨是必然的趋势。同时，我国已经将增补和完善工业炉窑等 4 绪论 污染物排放标准纳入了“十一五”计划。 因此研究燃气炉窑的再燃脱硝技术参数以及诸影响因素对于提高脱硝效率 和增加运行经验都具有十分重要的科研价值和社会意义。 1 3 课题的研究目的和意义 近几十年，我国对电站燃煤锅炉污染物控制技术的研究投入了大量的人力 物力，而对燃气型炉窑氮氧化物的控制技术研究投入则较少。虽然，目前我国 以火电厂作为控制氮氧化物的重点行业，但是随着煤气化技术的发展，燃气型 工业炉窑的用途会更加广泛，同时我国北京、上海等大中城市已经开始逐渐限 制大型燃煤设备的上马，燃气型炉窑的应用将越来越广。因此，加紧对燃气型 工业炉窑n o x 控制技术的研究具有重要的环境意义及社会效益。 以实验及数值计算为基础，借鉴电站燃煤锅炉再燃脱硝技术研究成果和经 验，研究辊底炉等燃气型炉窑再燃脱硝技术，不仅有助于该项脱硝技术在工业 应用方面的商业化发展，还能够在一些已经得到认可的反应机理基础上，进一 步探索再燃还原氮氧化物的反应机理，从而推动该项技术工业应用的成熟。 本课题研究分析气体再燃脱硝技术降低氮氧化物排放的若干主要影响因 素，为该项低n o x 燃烧技术的工业示范应用提供一定的理论和实践依据，为控 制n o x 排放，降低酸雨量，减少大气污染源，做出一份贡献。 1 4 课题的研究内容和方法 本课题通过数值模拟和实验研究方法，研究以辊底炉为代表的长炉窑再燃 脱硝效率的主要影响因素，包括再燃燃料量、再燃燃料及燃尽风喷入位置以及 过量空气系数配置等，从而得到最佳再燃脱硝运行参数。 辊底炉等工业炉窑通常为模块装配式结构，全炉窑由十几或几十节模块组 成。本文选择辊底炉的下游一节模块作为研究对象，并且对其进行适当的简化， 利用热态实验台的主烧嘴所产生的烟气模拟真实炉窑的上游烟气，通过改变副 烧嘴的过量空气系数模拟构建再燃脱硝环境，以达到降低氮氧化物的目的。 本论文中以过量空气系数大于1 的主烧嘴附近区域为主燃区，其燃烧剧烈 温度较高；以主燃区下游过量空气系数小于l 的副烧嘴附近区域为再燃区；以 5 绪论 再燃区下游至烟气出口这段区域为燃尽区，其主要作用是充分氧化上游烟气中 的未完全燃烧产物。 数值模拟和实验研究部分主要包含以下四方面的内容： ( 1 ) 燃料分配比例( 即再燃率) 的变化对n o x 排放量的影响：固定总燃料量、 各燃烧区过量空气系数以及再燃燃料的投入位置，调节再燃率，使其分别占总 燃料量的2 5 、2 0 、1 5 、l o 、5 ，研究再燃率变化对炉内燃烧状态以及 n o x 生成和还原的影响。 ( 2 ) 主过量空气系数的变化对n o x 排放量的影响：固定总燃料量、再燃率、 副烧嘴分布位置以及再燃过量空气系数，调节总过量空气系数，研究炉内燃烧 状态以及n o x 生成和还原的变化。 ( 3 ) 再燃过量空气系数的变化对n o x 排放量的影响：固定总燃料量、再燃率、 副烧嘴分布位置以及主过量空气系数，调节再燃过量空气系数，研究炉内燃烧 状态以及n o x 生成和还原的变化。 ( 4 ) 再燃燃料投入位置和o f a 投入位置( 即副烧嘴位置) 的变化对n o x 排 放量的影响：固定总燃料量、再燃率、主过量空气系数和再燃过量空气系数， 调节再燃喷口和o f a 的分布位置，研究其变化对炉内燃烧状态以及n o x 生成和 还原的影响。 实验研究以天然气为燃料和再燃燃料，通过烟气分析仪在自制再燃实验台 尾部排烟道取样，进行n o x 排放浓度测试，其主要目的是研究燃气型长炉窑再 燃脱硝技术的n o x 减排效果，以及讨论影响再燃脱硝效果的重要因素，为数值 模拟研究做出方向性指导，进而为燃气再燃脱硝技术的工业应用提供更多的理 论依据。 6 工业炉再燃还原反应机理及低n o x 燃烧技术 第2 章工业炉再燃还原反应机理及低n o x 燃烧技术 2 1燃烧过程中n o x 的生成机理 燃烧过程中生成的氮氧化物主要是n o 和n 0 2 ，通常将这两种氮氧化物统称 为n o x 。实际上，燃烧系统排放的n o 远远多于n 0 2 ，而且n 0 2 也是由n o 与 空气接触二次氧化而生成的。因此，国内外学者研究氮氧化物生成数学模型时 会着重考虑n o 的生成。 燃料燃烧时所生成n o 主要来自两个方面：其一是燃烧系统内空气中所含的 氮被氧化而生成n o ；其二是燃料本身所含的组分氮在高温下被氧化而生成n o 。 实验证明，除了以原油或煤为燃料的燃烧装置，在大多数燃烧装置中，前者是 n o 的主要来源。 根据燃烧过程中氮氧化物生成机理的不同，通常将n o 分为三类：热力型 n o 、快速型n o 和燃料型n o 。其中，在高温时以热力型n o 为主，其主要是 由空气中的氮气在高温下氧化生成的。而温度较低时( 如t j 一 图2 6 浓淡燃烧示意图嘞 2 3 3 烟气再循环燃烧技术 烟气再循环技术的原理是：将部分烟气冷却并送回至燃烧区，这些烟气能 够吸收热量降低火焰温度，从而减少n o x 的生成量，同时这些烟气还具有稀释 氧浓度的作用，也可以抑制n o x 的生成。实验显示，当烟气循环率低于2 5 时， 循环烟气对火焰发展的影响可以忽略，对于减少燃料型n o x 作用很小。通过自 身烟气再循环烧嘴或者风机降低助燃空气中含氧量( 氧气低于2 l ) ，控制n o x 生成量。从某种意义上讲，烟气再循环燃烧技术与低过量空气系数的低氧燃烧 机理相似i t s l 。烟气再循环工艺如图2 7 。 1 4 工业炉再燃还原反应机理及低n o x 燃烧技术 过热器 图2 7 烟气再循环原理卧1 2 1 2 3 4 燃料分级燃烧技术 燃料分级燃烧技术，又称为“再燃脱硝技术”，即将燃料分两次或者多次送 入炉膛，使燃料在不同的区域内完成燃烧过程，其原理示于下图2 8 。通常，根 据燃烧的先后顺序，再燃过程可以分为三个燃烧区，分别是主燃烧区、再燃烧 区和燃尽区。在主燃烧区内约7 5 - - - - 9 0 的燃料量在过量空气系数大于l 的条件 下完成燃烧，此区氧气过剩，火焰温度高，n o x 生成量大。接着，剩余燃料和 不足量空气( 过量空气系数小于1 ) 被投入主燃烧区的下游形成再燃区，由于氧 气不足，此区内的燃料形成大量的c h i 碳氢基团，从而还原丰燃烧区生成的n o x 。 最后，所有燃烧产物进入最后一个燃烧阶段燃尽区，此区过量空气系数大 于l ，使所有未完全燃烧的产物燃尽。燃料分级燃烧技术可以减少5 0 左右的 n o x 。再燃技术初投资小、技术改造容易、脱硝效果良好，而日还适宜联合其它 脱硝技术达到更高的n o x 排放标准。 工业炉再燃还原反应机理及低n o x 燃烧技术 图2 8 再燃原理示意图【2 4 l 2 0 世纪8 0 年代初，再燃技术首次被三菱重工应用于传统的全尺寸锅炉，并 且n o x 排放降低幅度超过了5 0 t 6 。f o l s o m 等通过实验提出：通过再燃技术可 以使n o x 和s 0 2 的排放分别降低6 0 和2 0 。他们在三台全尺寸燃煤锅炉上进 行了长时间的气体再燃研究的结果显示：在1 7 2 m w 的墙式燃烧锅炉上可降低 n o x 排放6 0 ；在一个旋风炉上可降低n o x 排放6 5 ；在一个7 l m w 的四角 切圆燃烧锅炉上可降低n o x 排放5 5 1 2 5 】。渤】。 最近十几年里，再燃脱硝技术在工业应用方面也得到了长足的发展。2 0 0 4 年4 月宝山钢铁公司热电厂在l 号炉大修期间，对其进行了燃烧器的气体再燃 技术改造。改造的重点在于对再燃燃料c o g 喷口和燃尽风喷口位置的布置。为 了实现改造前后污染物的排放情况对比，在改造之前，测定了在特定工况下的 n o x 排放参数以及所用燃煤的工业与元素分析指标。在改造完成之后，首先对1 号炉的燃烧区域的空气动力场进行了冷态实验，并在锅炉投运后，在相同工况 ( 3 2 0 m w ) 采用相同产地、指标相近的燃煤进行了热态实验。改造后，锅炉的 n o x 排放浓度可以达到1 5 5 m g m 3 ，为国内3 0 0 m w 以上机组的最好水平，所以 1 6 工业炉再燃还原反应机理及低n o x 燃烧技术 改造应用效果令人满意1 2 7 】。 2 4 烟气脱硝技术 烟气脱硝属于燃烧后脱硝技术，是近年来n o x 控制措施中的重要方法。通 常在无法通过低n o x 燃烧技术达到排放要求时，才采用烟气脱硝技术，使烟气 与反应剂接触以脱除或减少n o x 。 烟气脱硝技术主要分为两大类：干法和湿法。干法脱硝主要是用气态反应 剂将烟气中的n o x 还原为n 2 和h 2 0 ，这类方法主要包括选择性催化还原法 ( s c r ) 、非选择性催化还原法( n s c r ) 、选择性非催化还原法( s n c r ) 、氧化 铜法、活性炭法及电子束照射法等。其中，s c r 、s n c r 和n s c r 使用较多。湿 法脱硝主要是用液态反应剂吸收烟气中的n o x 并将其还原为有用或无害物质， 通常湿法还兼具脱硫的效果。这类方法主要包括气相氧化液相吸收法、液相氧 化吸收法以及n o n 0 2 等摩尔吸收法等。由于湿法脱硝的局部或全部过程在湿态 下完成，会导致烟气增湿降温现象，不利于排烟，所以需要增设烟气再热过程睇引。 2 4 1选择性催化还原法( s c r ) s c r 的主要工艺过程：将氨气喷入电站锅炉燃煤产生的烟气中，含有氨气 的烟气通过一个催化剂反应器，在催化剂的作用下，n h 3 选择性地和n o x 发生 还原反应生成水和氮气，而不是被氧气所氧化。s c r 原理及反应器示意图分别 见图2 9 和图2 1 0 其基本反应方程式如下【2 9 1 ： 4 n h 3 + 4 1 4 0 + 0 2 4 n 2 + 6 h 2 0 ( 2 1 9 ) 4 n h 3 + 6 n o 专5 n 2 + 6 h 2 0 ( 2 2 0 ) s n h 3 + 6 n 0 2 7 n 2 + 1 2 h 2 0 ( 2 2 1 ) 4 n h 3 + 2 n 0 2 + 0 2 _ 3 n 2 + 6 h 2 0 ( 2 2 2 ) 1 工业炉再燃还原反应机理及低n o x 燃烧技术 纛 懦托鹏 ， 。 x 一黼一h p 嘎 一暇 一n q 一鹣 _ x _ 潮1一聃 一她一l l l o , 一嗨 一憾 x n 心 ! 啪 l 一一溉 幽心 x _ 潮i 卅喝母 图2 9s c r 原理示意图1 1 3 0 l 空气预热器 图2 1 0s c r 系统构成示意图【2 3 1 如果催化剂选择合适，以上反应能够在2 0 0 瘢 - 4 5 0 瘢范围内有效的进行， 而且在n h 3 n o = l 工况下，脱硝率可以达到8 0 - - 9 0 。 1 8 工业炉再燃还原反应机理及低n o x 燃烧技术 2 4 2 选择性非催化还原法( s n c r ) s n c r 的主要工艺过程：取一定量的氨或尿素等还原热喷入高温烟气，在适 当的温度下将n o x 还原成氮气。通常s n c r 的脱硝率为3 0 - 5 0 左右【3 i 】。 s n c r 工艺流程示于图2 1 l 。 图2 1 1s n c r 工艺流程示意副1 川 1 一氨或尿素贮槽；2 燃烧器；孓锅炉；4 - 空气预热器 s n c r 还原n o 过程对温度条件( 称为温度窗口) 菲常敏感，不同的还原剂 温度窗口也略有不同。 2 4 3 主要脱硝技术对比 本章所介绍的各主要脱硝技术脱硝效率和成本的对比数据示于表2 1 ，所以 在选择脱硝技术时需要考虑以下数据，考查其技术经济性。随着n o x 排放控制 技术的飞速发展，各类脱硝技术的技术性和经济性也会不断提高。 1 9 工业炉再燃还原反应机理及低n o x 燃烧技术 表2 1 各种脱硝技术对比表1 3 2 1 阐 低n o x 燃烧技术 成本( 估算) n o x 排放控制技术 脱硝效率 r m b k gn o x 再燃技术3 0 4 0 0 1 - 0 5 低氮氧化物燃烧器 3 0 5 0 0 5 l 烟气再循环技术 2 5 5 0 0 5 l 烟气脱硝技术 成本( 估算) n o x 排放控制技术脱硝效率 r m b k g n o x s n c r4 0 7 0 l 2 s c r7 0 9 5 l 5 2 5 本章小结 本章首先分析了气体燃料燃烧过程中热力型n o x 、快速型n o x 以及燃料型 n o x 的生成机理，进一步又介绍了烟气中n o x 的还原机理，从而为研究氮氧化 物脱除技术奠定理论基础。 另外，介绍了两大类脱硝技术( 即燃烧中脱硝技术和燃烧后脱硝技术) 的 基本原理及其国内外发展概状。同时，对比评价了各主要n o x 排放控制技术的 脱硝效率和技术经济性，进而为实际应用提供一定的参考。 再燃脱硝过程的实验研究 第3 章再燃脱硝过程的实验研究 3 1实验目的及意义 本文通过自行设计的燃气实验炉进行再燃脱硝实验研究。本实验主燃燃料 和再燃燃料均采用天然气，研究目的在于：探索较长炉窑上气体再燃脱硝技术 的脱硝效果，讨论多烧嘴气体再燃过程中各主要因素的影响，同时，对气体再 燃过程中过量空气系数、再燃燃料和燃尽风喷入位置分布等参数进行匹配和优 化，为气体再燃技术在较长工业炉窑上的应用奠定基础并且提供实验依据。 3 2 实验燃烧系统介绍 实验装置主要由四大部分组成：( 1 ) 实验炉膛本体；( 2 ) 主、副烧嘴系统；( 3 ) 供气及排烟系统；( 4 ) 测温及烟气成分测定系统。实验系统结构如图3 1 所示。 图3 1 再燃实验炉系统简图 1 鼓风机，2 阀门，3 。主烧嘴，4 一转了流量计， 5 副烧嘴孔，6 烟气出口，7 一烟气分析仪，8 燃气供应管路 2 l 再燧脱硝垃程的实验研究 网3 2 实验台系缆实物图 整个实验系统的工作过程是：鼓风机提供的助燃空气经过流量调节阀和转 子流量计后分别进入主、再燃烧嘴类似的，燃料总管提供的天然气经过调节 阀和转子流母计后分别流进主、再燃烧嘴。实验台系统如图3 2 所示。 再燃脱硝过程的实验研究 3 2 1实验系统结构及主要设计参数 一、实验系统主要设计参数 根据实验需要再燃系统的主要设计参数示于下表3 1 。 表3 1 实验系统主要设计参数 名称单位 额定工况 天然气流量m 8 总过量空气系数 1 1 空气流量m 3 h8 4 天然气进口温度 常温 空气进口温度 常温 实验用天然气组成成分示于表3 2 。 表3 2 天然气成分组成 组分c h 4c 2 h 4 + c 2 h 6 c 3 8 6c 4 h 1 0c s h l 2 体积百分数 9 5 41 7 3o 3 1 9o 1 2 00 0 2 9 6 燃气低位发热量q 。计算公式为： q d = 3 5 9 6 c h 4 + 5 8 9 8 c 2 h 4 + 8 5 8 1 c 3 h 6 + 1 2 0 4 3 c 4 h i o ( 3 1 ) 式中c o 、h ：、c h 。和c ：h 。分别为可燃气体在燃气中所占的体积百分数( ) 。 根据此式，可得实验用天然气低位发热量： q d = 3 5 9 6 x 9 5 4 + 5 8 9 8 x 1 7 3 + 8 5 8 1 x 0 3 1 9 + 1 2 0 4 3 x 0 1 2 = 3 5 7 4 4 5 ( k j n m 3 ) ( 3 2 ) 再燃脱硝过程的实验研究 二、炉膛主要结构 根据实验需要以及上述设计参数，确定实验台炉膛主体外形尺寸为 3 1 0 0 ( l ) ? o o ( v o ? 0 0 ( h ) ，并且采用了内衬2 0 0 r a m 厚高铝砖，外包3 r a m 厚铁板 的炉墙，同时高铝砖与外包铁板之间敷设一定厚度的石棉。实验炉本体结构如 下图3 3 所示。 主烧嘴 l 孽2 幻l 4 拳5j 陆# t 霉8 霉9s l o 霉1 1粤1 j 十：卜h h 廿 主视图 蒜著搿卜 1 严，i 薹芦# 衅毕卜 雌9 - 邓1 护，妒5 俯视图 图3 3 实验炉体三视图 右视图 7 5 - - - 1 0 0 的燃料通过炉膛前端的主烧嘴进入炉膛，完成过量空气系数大 于1 的燃烧过程；其余燃料通过炉膛侧壁上某一副烧嘴孔送至主燃区下游，实 现富燃料燃烧；最后燃尽风通过另- - n 烧嘴孔送至再燃区下游，将上游烟气中 的未完全燃烧产物充分氧化。因此炉体一侧水平轴线上共设置l1 个再燃烧嘴孔， 以供实验人员根据试验需要，改变再燃燃料和燃尽风的投入位置，从而实现试 验工况的调节。再燃烧嘴孔的编号为撑1 # i l ，其沿炉膛轴向方向到主烧嘴的距 离分布示于表3 。3 。同时，这组再燃烧嘴孔还可以根据试验工况的需要用做烟气 取样孔，从而达到测定和分析炉膛各段烟气成分的目的。 2 4 再燃脱硝过程的实验研究 表3 3 烧嘴孔及烟气探测孔分布位置 孔号距离主烧嘴出口( m m ) 襻l 3 0 0 # 25 5 0 撑38 0 0 撑41 0 5 0 撑51 3 0 0 襻61 5 5 0 拌7 1 8 0 0 撑82 0 5 0 撑92 3 0 0 稃1 02 5 5 0 稃1 1 2 8 0 0 炉顶壁沿轴线方向设置3 行热电偶测温孔，共1 9 个，可以根据实际需要， 选择若干位置点进行炉膛内燃烧温度的测量，其编号分别为a l , - - - a 5 ，b l - - - - b 9 ， c ! - - c 5 。炉膛主燃区燃料供应量多，燃烧剧烈，温度分布不均匀，因此在整个炉 体的上游段布置三排热电偶测温孔，共1 5 个，而炉体下游段的温度分布比较均 匀，故仅在炉顶中心线上布置4 个测温孔。 3 2 2 实验系统烧嘴基本结构和参数 本实验系统的主烧嘴为套管式结构，空气通道内设有孔板，使得助燃空气 流场比较均匀，而且具有流向垂直的两组燃气出口，以获得良好的燃气、空气 混合效果。烧嘴的基本结构如图3 4 所示。 再燃脱硝过程的实验研究 ( 由主烧嘴 图3 4 实验系统烧嘴结构示意图 ( b ) 剐烧嘴 副烧嘴采用电极点火烧嘴，其结构简单，操作方便，并且配有外置燃料、 空气预混室，其内径为1 6 r a m 外径为2 2 r a m ，长度为3 7 0 r a m 。 3 2 3 实验系统主要设备仪表及设计参数 一、设备概况 本实验系统的空气供应设备为h t b1 0 0 1 0 2 型风机。测量系统分为温度测 量、流量测量以及烟气成分测量，其中温度测量部件包括k 型热电偶和 x m t - 1 0 0 0 型温度数字显示仪，流量测量设备为l z b 系列玻璃转子流量计，烟 气成分测量设备为k m 9 1 0 6 型烟气成分分析仪。调解系统主要部件为电磁阀和 平衡阀。 ( 1 ) 玻璃转子流量计：用于实验系统中燃气和助燃空气的流量测定。对于燃 气流量读数需按照如下方法进行修正； q s = q n 式f f i ，q 。表示实际的流量值； q n 表示仪表的读数示值； = k q n( 3 3 ) p n 、t n 和风分别表示标定介质( 即空气) 在标准状态- 卜的绝对压力、绝 对温度和密度； 2 6 再燃脱硝过程的实验研究 p s 、t s 和风n 分别表示被测气体在测量时的绝对压力、绝对温度及被测气 体在标准状态下的密度； z 。n 表示被测气体在标准状态下的压缩系数； z 。表示被测气体在p s t s 时的压缩系数。 由于被测气体压力不太大，温度不太高，故z 。n z s ，即方程( 3 3 ) 可以简化 为下式： q 冈n 厩酞q n 0 4 ) ( 2 ) 烟气分析仪：k m 9 1 0 6 烟气成分分析仪可以同时测量c o 、0 2 、n o 、 n 0 2 、s 0 2 等5 种气体成分，以及3 个温度和压力，并且自动计算1 2 个燃烧参 数。同时，配带有f i r e w o r k sc o m b u s t i o ng r a p h e r1 0 软件从手持器上每隔1 分钟 在线读取数据，并且在计算机上进行制表和存储处理。烟气分析仪的气体成分 测量精度和量程示于表3 4 ，其实物则如图3 5 所示。 表3 4 烟气分析仪的气体成分测量精度和量程 可测气体 c o 0 2 n o n 0 2s o z 精度( p p m ) lo 1ll1 0 - - - 5 0 0 00 1 0 0 00 5 0 0 0 量程 o 1 0 - - - 2 l p p mp p mp p m ( 3 ) 燃气超压切断调压器：本实验燃气系统中采用了燃气超压切断调压器 ( 见如下实物图3 6 ) 。系统运行时，如果出口压力超过设定压力一定值时，阀 门会自动关闭，从而阻止燃气流动，使整个系统处于安全状态。根据意大利调 节标准u n i c i g 8 0 4 2 规定：每一台燃烧器的进气管上都必须安装一个调压器。 再燃脱硝过程的实验研究 图3 5 烟气分析仪实物外观圈 刚3 6 燃q 超压切断漏节器 再燃脱硝过程的实验研究 3 3 实验结果及分析 3 3 1温度对n o x 生成量的影晌 温度是影响n o x 生成的一个重要因素。理论上，当温度在5 5 0 以下时， 氮氧化物的生成量是微不足道的，而当温度高于1 5 0 0 ( 2 时，n o x 的生成量急剧 增加。为了研究温度对n o x 生成量的影响，设计实验工况a 示于表3 5 。由图 3 7 可知，在长炉窑加热升温阶段，炉膛前段温度明显高于后段温度，温差最大 达6 0 0 c 6 5 0 c ，炉膛前段达到i0 0 0 c 左右时，n o x 生成量陡然增加；丽炉膛 后段温度从2 0 0 。c 上升至8 0 0 c 的过程中n o x 生成量较少；随着炉膛温度趋于稳 定，炉膛各段n o x 含量的增加速率也随之变缓，即n o x 的排放量达到稳定。 表3 5 实验工况a 参数条件 伞炉总过骨审气系数1 1 再燃过量空气系数 o 8 再燃率 1 5 再燃燃料喷入位置 # 3 ( 8 0 0 m m ) 燃尽风喷入位置# 8 ( 2 0 5 0 m m ) 烟气分析仪取样孔 样5 和撑1 1 再燃脱硝过程的实验研究 o细o鞠oo鼬1 a a 瀑度( ， 图3 7 温度对n o x 生成量的影响 3 。3 2 全炉各段氮氧化物分布情况 氮氧化物的生成速率与燃烧氧化反应速率相比是比较缓慢的，即n o x 通常 是在火焰锋面处开始大量形成。根据图3 8 可以知道，在一定温度水平下，甲烷 燃烧过程中n o x 生成达到稳定值所需的时问从几十毫秒到上万毫秒以上。因此， 设计本实验工况b 如下表3 6 ，分别褥到无再燃、再燃率15 以及再燃率2 0 工 况下，沿炉膛轴线n o x 的分布曲线，示于图3 9 。 表3 。6 实验工况b 参数条件 全炉总过量空气系数 1 2 秀燃过量空气系数 0 8 再燃率 0 ，1 5 ，2 0 再燃燃料喷入孔 # 3 ( 8 0 0 r a m ) 燃尽风喷入孔 # 8 ( 2 0 5 0 m m ) 烟气分析仪取样孑l 趁、群5 、撑7 和撑】1 3 0 一仨，1w毫x呈 再燃脱硝过程的实验研究 1 0 0 0 0 8 0 0 0 6 0 0 0 4 0 0 0 2 0 0 0 l 量1 2 知们 ， | l b 2 0帕 ，1 l? 。 1 毫l 锄旺c v 一 7 、 夺l 蛇 。 e oe 1 勖bh 停留时间( 嘲 图3 8n o x 的生成与温度和反应时间的关系嘲1 燃料：甲烷过量空气系数：1 0 5 再燃反应实验b 工况下，群2 、 5 、母7 和桴l l 号取样孔测得c o 含量均为零， 并且所有取样孔测得的c 0 2 含量基本不变，即炉膛内燃烧充分、状况良好。由 图3 9 可以证实，n o x 的生成过程需要一定的时间，即n o x 的含量沿着炉膛长 度方向逐渐上升。 从图3 9 还可以看出，采用再燃技术可以明显地降低烟气中n o x 的含量， 能够大大降低沿炉膛长度方向上n o x 含量的上升速率，并且随着再燃率的增大， 这种减缓效果也更加明显。 fu盖8一moz 再燃脱硝过程的实验研究 0 5 - o1 52 0 2 玉 烟气取样廉距离主烧嘴的长度( m ) 图3 9 不同再燃率工况下沿炉膛轴线n o x 分布曲线 3 3 3 再燃率对再燃脱硝效果的影响 再燃率是影响再燃脱硝效果的重要参数之一。这里需要指出的是，再燃率 指再燃燃料的发热量占全炉总燃烧发热量的比例，再燃率的大小将直接影响到 还原性基团的形成量以及再燃燃料与烟气的混合状况等因素，因此，设计实验 工况c 对再燃率对脱硝效果的影响进行讨论。 表3 7 实验工况c 参数条件 总过骨卒气系数 1 2 再燃过量空气系数 o 8 再燃燃料喷入位置# 3 ( 8 0 0 m m ) 燃尽风喷入位置# 8 ( 2 0 5 0 m m ) 再燃率7 5 、1 0 、1 2 5 、1 5 、2 0 烟气取样孔撑1 l 本文通过比较烟气出口处的脱硝效率，来考查再燃过程的n o x 减排效果。 脱硝效率定义为，无再燃工况出口烟气中n o x 含量和再燃工况出口烟气中n o x 3 2 。毫6x - - j 终生， 同时也会激励着我在人生道路上和工作道路上积极努力、永不放弃。 另外，还要感谢王海老师、高乃平老师和王海鹰老师在论文期间给予我的 指导和帮助! 感谢我的三位同门：李志茂同学、贺启滨同学和杨静同学，和你 们一起度过的两年半快乐的学 - - j 生活使我终身难忘，从你们身上我也学到了很 多优秀的品质和丰富的知识，感谢你们在学习和生活上给我的关心和支持! 感 谢师弟师妹们在实验期问给我的帮助，尤其是施孝增师弟，非常感谢你们! 最后，我还要特别感谢养育我的父母和家人，你们一直培养着我，教育着 我，默默支持着我，使我能够顺利的完成学业。 谨以这篇论文献给所有关心过我、帮助过我的入，以表达我对你们深深的 谢意! 参考文献 参考文献 【1 i 李红，王玮，我国n o x 污染状况与控制对策建议，第十三届全国大气环境学术会议论 文集，2 0 0 6 1 2 】苏胜，向军，胡松，孙学信，张忠孝，朱基木，气体再燃降低n o x 排放的实验研究【j 】， 动力工程，2 0 0 4 ，v 0 1 2 4 ( 6 ) ：8 8