甄长红 版权所有
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工 况 | A | B | C | D | E |
空—燃比 | 1.337 | 1.402 | 1.186 | 1.820 | 2.203 |
水分,% | 1.66 | 25 | 25 | 25 | 25 |
温度,℃ | 830 | 790 | 725 | 825 | 750 |
表观气流速度,m/s | 1.856 | 1.830 | 1.553 | 1.785 | 1.605 |
流化后的床高,m | 0.21 | 0.21 | 0.21 | 0.21 | 0.21 |
床内颗粒空隙率 | 0.55 | 0.55 | 0.55 | 0.55 | 0.55 |
总燃料N转换为NO时的排放浓度,mg/m3(6%O2) | 1758 | 1618 | 2114 | 1370 | 1128 |
挥发分N所占比例,% | 50 | 50 | 50 | 50 | 50 |
床内焦炭容积份额,% | 2.5 | 2.5 | 2.5 | 2.5 | 2.5 |
出口氧气浓度,% | 7.60 | 8.18 | 2.05 | 10.5 | 14.6 |
气体浓度,% | 0.393 | 0.877 | 5.0 | 0.513 | 0.294 |
0.03 | 0.03 | 0.02 | 0.04 | 0.04 |
4 计算结果和讨论 计算的工况条件与试验一致,NO的计算结果可以同流化床中高水分煤的燃烧试验结果[13]进行比较。表3给出了计算的NO排放量与实际测量值,可见两者比较接近。
影响流化床NO排放量的因素很多,通过计算发现煤中的水分、床内的CO浓度和空—燃比等都对于NO转换率有较大的影响。高水分煤在流化床中燃烧时,随着床内水分的增加,由于水煤气反应,使得CO和H2的浓度增加。当煤中水分由1.6%增加到25%时,CO的排放量由4 913 mg/m3增加到10 963 mg/m3,这时计算的NO转换率由15.1%下降至12.5%。空—燃比对于NO排放量也有较大影响,由表2的后四个工况可见,随着空—燃比的减少,床内CO浓度迅速增加,而O2浓度很快下降,当空—燃比由2.203(工况E)减少到1.186(工况C)时,计算的NO转换率由20.3%下降至6.4%。当然,床温也对NO的转换率有一定的影响。 表3 NO排放量计算值与测量值的比较 |
NO排放量 工 况 |
A | B | C | D | E |
测量值mg/m3(6%O2) | 293.8 | 179.7 | 114.8 | 202.9 | 255.1 |
计算值mg/m3(6%O2) | 265.5 | 202.2 | 135.4 | 198.6 | 229.0 |
测量的NO转换率,% | 16.7 | 11.1 | 5.43 | 14.8 | 22.6 |
计算的NO转换率,% | 15.1 | 12.5 | 6.40 | 14.5 | 20.3 |
表4 NO生成和还原反应数值计算的结果 |
序号 |
反 应 |
催化物 |
累积转换率,% | ||||
A | B | C | D | E | |||
1 | NO+CO→1/2N2+CO2 | 焦炭 | 439 | 50.4 | 55.6 | 44.1 | 41.4 |
2 | NO+Char→1/2N2+CO | 气体-固体粒子 | |||||
3 | NO+2/3NH3→5/6N2+H20 | 均相气体 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 |
4 | NO+H2→1/2N2+H2O | 焦炭 | 0.003 | 0.002 | 0.003 | 0.002 | 0.003 |
5 | NH3+5/4O2→NO+3/2H2O | 焦炭 | 9.0 | 12.9 | 12.0 | 8.6 | 11.7 |
均相气体 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | ||
6 | 2NH3+3/2O2→N2+3H2O | 焦炭 | 41.0 | 37.1 | 38.0 | 41.4 | 38.3 |
计算还得到了生成NO和NH3的各个反应的累积速率,表4给出了对于不同水分(O2浓度约为8%)、不同空-燃比(煤中水分为25%)的各个反应的累积转换率。图2直观地表达了NO生成和还原反应的转换率。 可以看出,有两个NO的还原反应是非常重要的: NO+CO→1/2N2+CO2 (4) NO+Char→1/2N2+CO (5) 可见CO的焦炭对于NO的还原反应很重要。这些反应和流化床中的焦炭含量、床中CO和H2O的浓度有关。H2对于NO的还原反应比CO对于NO的还原反应重要性要小得多。气相中NH3对于NO的反应几乎对NO还原没有影响,这是由于流化床中的气固反应特别快,NH3在床内的浓度特别小的缘故[7]。 下面两个反应对于NH3氧化非常关键: NH3+5/4O2→NO+3/2H2O (6) 2NH3+3/2O2→N2+5/4O2 (7) 这两个氧化反应中生成NO的反应要比生成N2的反应重要,而气相中NH3与O2的反应几乎对NO的生成没有影响。 5 小结
通过数值计算表明,高水分煤在流化床中燃烧时,煤中的水分、床内的CO浓度和空—燃比等都对于NO转换率有较大影响。随着床内水分的增加,由于水煤气反应,使得CO的浓度增加。当煤中水分由1.6%增加至25%时,计算的NO转换率由15.1%下降至12.5%。空—燃比对于NO排放量也有较大影响,当空—燃比由2.203减少到1.186时,计算的NO转换率由20.3%下降至6.40%。对于NO生成和还原反应的累积反应速率表明,床内CO的浓度和焦炭含量对于NO的还原反应和挥发分N转化为NO和N2的反应起着非常重要的作用。而H2对NO的反应影响不大。气体均相反应对于床内燃料N的反应几乎没有影响。
*国家攀登计划和自然科学基金资助项目 A类 E060410 编号59776023
作者简介 魏小林,男,31岁,西安交通大学热能工程专业毕业,工学博士。现从事煤燃烧、废弃物焚烧等方面的工作,已发表相关论文十余篇。(邮编100080 北京) 作者单位:魏小林 田文栋 盛宏至 中国科学院力学研究所 参考文献
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〔2〕 Pourkashanian M,et al.The combustion of coalwater slurries.The proceeding of the first european conference on coal liquid mixtures,Cheltenham(U.K):1983. 〔3〕 Arena U,et al.Coal-Water slurry utilization in fluidized bed combustion.The proceeding of the 7th International symposium on coal slurry combustion and technology.Orlando,Fla.1984. 〔4〕 倪明江等.煤水混合物在流化床燃烧过程中的凝聚结团现象.浙江大学学报,1986,20(6):38~45. 〔5〕 张永照,牛长山.环境保护和综合利用(修订版).机械工业出版社,1989:25~105. 〔6〕 曾汉才.燃烧与污染.华中理工大学出版社,1992:26~130. 〔7〕 Johnsson J E.A kinetic model for NOx Formation in fluidized bed combustion the proceeding of the 1989 International Conference on FBC.1989:1111~1118. 〔8〕 Chan L K,Sarofim A F.Beer J M.Kinetic of the NO-Carbin reaction at fluidized bed conditions.Combustion and Flame,1983,52:37~45. 〔9〕 Furusawa T,Tsujimura M,Yasunaga K,et al.Fate of fuel bound nitrogen within fluidized-bed combustor under staged air firing.Proceedings of the 8th International Conference on Fluidized Bed Combustion,1985:1095~1104. 〔10〕 Kunii D,Wu K T,Furusawa T.NOx emission control from a fluidized bed combustor of coal.Chemical engineering science.1980,35:170~177. 〔11〕 Lyon R K.Thermal NOx.environmental science and technology.1987,21(3):231~236. 〔12〕 Furusawa T,Tsumoda M,Kunii D.Nitric oxide reduction by hydrogen and carbon monoxide over Char Surface.Chemical Reaction Engineering-Boston.ACS Symposium Series,1982:347~357. 〔13〕 魏小林,盛宏至,孙文超等.流化床中高水分煤的燃烧与排放试验研究.燃烧科学与技术.1997,3(3):264~269. (渠 源 编辑)
收稿日期 1998-05-05 收修改稿 1998-07-20 |
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