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高水分煤在流化床中燃烧时NOx的排放特性
发布时间:2011/4/16  阅读次数:1797  字体大小: 【】 【】【
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  在计算中,认为O2浓度在床内沿高度方向线形衰减,CO浓度由测量得到,并认为床内各处的CO和H2的浓度一致。假设挥发分N与焦炭N各占50%,NO和NH3的初始浓度由此给定。计算的工况条件如表2所示。
  表2 NO生成和还原数值计算的工况条件
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
207.gif (3763 bytes)
图2 NO生成和还原反应各过程的转换率(对工况A)
  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.
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〔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.
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〔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.
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〔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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