煤粉熱解氣還原NO的數值研究

賀東偉，程顯峰，吳麗梅

(黑龍江省經濟管理干部學院，哈爾濱150080)

煤粉熱解氣還原NO的數值研究

賀東偉，程顯峰，吳麗梅

(黑龍江省經濟管理干部學院，哈爾濱150080)

依據煤粉熱解氣的來源，針對所要研究的內容，介紹了計算的工況安排。根據模擬的工況安排，分別研究了停留時間、還原區溫度、還原區的化學計量系數、還原劑的燃料量及還原劑中HCN的濃度對NO還原效果的影響。

煤粉熱解氣；還原NO；數值分析

引言

影響NO的還原的因素很多，對于氣相還原NO，主要受還原區溫度、氧量、燃料量及燃料種類的影響。本文從煤粉熱解氣同相還原NO出發，研究溫度、氧量、燃料量的變化對NO還原的影響，找到NO氣相還原的規律，為NO還原的研究提供一定的參考。

一、初始條件

本文所使用的某煤粉熱解氣是煤在恒溫沉降爐中快速熱解得的。熱解條件：恒溫900℃，煤粉在爐內的停留時間約為1.5s，選取在不同停留時間內測得的熱解氣濃度平均值進行研究，表1為煤粉熱解氣組分及其濃度。

二、不同影響因素對NO還原效果的影響

本文主要研究各不同影響因素如溫度、氧量和燃料量對NO還原效果的影響，所研究的溫度范圍是：1173K、1273K、1373K和1473K；還原區的化學計量系數為0.7、0.8、0.9和1.0；還原燃料量為10%、15%、20%和25%。

本文定義NO還原效率為

式中：[NO]in為反應器入口的NO物質的量濃度；[NO]out為反應器出口的NO物質的量濃度。根據文獻定義[1]，當量比的計算公式為

1.停留時間的變化對NO還原的影響

對于鍋爐再燃技術來說，較長的停留時間不僅有利于還原更多的NO，也有利于提高再燃燃料的燃盡率。但是，過長的停留時間并非有利，這是因為，一方面，再燃區過長的停留時間，并不會進一步顯著提高NO的還原效率；另一方面，再燃區停留時間的增加是以犧牲主燃區和燃盡區的停留時間為代價的。如果為了增加再燃區停留時間而減少主燃區的停留時間，雖然可以將再燃燃料噴射到NO比較集中的火焰區，實現更有效地還原NO，但這不僅會降低主燃區煤粉的燃盡率，而且使更多的過剩O2進入再燃區，使再燃區O2濃度增加，對還原反應不利；減少燃盡區停留時間同樣導致鍋爐燃燒效率下降。

表1 煤粉熱解氣組分及其質量分數

圖1 不同溫度下NO濃度隨停留時間的變化關系

停留時間和溫度的變化對NO還原影響的研究是在固定還原區的化學計量系數、固定燃料量的情況下進行的，針對的是表2的C20-08工況，研究的溫度值是1173K、1273K、1373K和1473K。圖1是不同還原區溫度下反應器中NO的摩爾濃度隨燃料在反應器中的停留時間的變化關系。從圖1中可以看出：同一溫度下，隨著燃料在還原區停留時間的增加，NO的濃度是逐漸降低的，即NO的還原效率是隨著停留時間的增加而增加的。而且反應進行的初始階段，此時停留時間低于0.2s，NO的濃度下降很快，之后變得比較平緩，這與煤粉還原NO的效果是不一樣的。煤粉還原NO時，通常在前0.8s內隨停留時間的增加，NO還原效率增加很快[1]。原因是煤粉的熱解、揮發分的釋放需要一定的時間，NO要么與揮發分反應進行同相還原，要么與焦炭反應進行異相還原。由于假定還原劑與煙氣預先完全混合，這樣同相還原主要受動力學控制，而異相還原不僅受反應速率的影響，而且還與氣相組分的擴散、焦炭顆粒表面狀況如粒徑、表面積有關，因此通常需要更多的時間。

2.溫度的變化對NO還原的影響

圖2 NO的還原效率隨溫度的變化關系

同一停留時間時，隨著還原區溫度的升高，NO的濃度是增加的，即NO的還原效率隨著還原區溫度的升高而降低，如圖2所示，溫度為1173K 時NO還原效率接近65%，而溫度為1473K時其效率僅為12.6%。這中變化趨勢與文獻[2]的計算結果是一致的，但與煤粉還原NO有區別，對于煤粉，還原區溫度在1373-1573K范圍內時，隨著溫度的升高，NO還原效率升高[3]。主要原因是隨著溫度的升高，煤粉升溫速率加快，揮發分釋放速度升高，產生的揮發分多，而揮發分是煤粉還原NO的主要作用物質。對于本文的模擬，煤粉熱解氣的含量一定，溫度升高會加快反應地進行，但是并不能增加NO的還原效率，相反卻增加了熱力型和快速型NO的生成。

3.化學計量系數的變化對NO還原的影響

NO的還原理論表明還原區的O2含量是影響NO還原效率的關鍵因素。電站鍋爐采用氣體燃料還原NO，從而降低NO排放，維持再燃區較低的O2濃度是獲得較高的NO還原效率的前提條件。而低O2濃度燃燒時由于還原區O2濃度較低，還原劑在爐內停留時間又相對較短，可能會造成爐膛出口煙氣溫度偏高，不完全燃燒損失也會增大，導致鍋爐運行的經濟性降低等問題。

圖3 化學當量比的變化對NO還原的影響

研究化學計量系數對NO還原的影響是在固定還原區的溫度為1373K，固定燃料量為20%的情況下進行的，化學計量系數的變化范圍是0.7、0.8、0.9和1.0。圖3表示的是還原區化學當量比的變化對NO還原的影響程度。從圖中可以看出，隨著化學計量系數的增加，NO的還原效率是降低的，化學計量系數為0.7時，熱解氣還原NO的效率可以達到32.5%，而化學計量系數為1.0時，還原效率僅為6%。這種變化趨勢與煤粉還原NO的效果是一致的。隨著還原區化學計量系數的降低，還原區氧量降低，還原性氣氛增強，從而有更多地碳氫自由基與NO反應將其還原為HCN、CN等，接著這些氮的中間產物再與碳氫自由基反應，將其還原為N2。

三、結論

1.同一溫度下，煤粉熱解氣還原NO的效率是隨著停留時間的增加而增加的。在混合良好的情況下，NO在反應開始的最初0.2s內下降很快，之后逐漸變得平緩。

2.同一停留時間時，熱解氣還原NO的效率隨著還原區溫度的升高而降低，溫度為1173K時NO還原效率接近65%。

3.隨著化學計量系數的增加，NO的還原效率是降低的，化學計量系數為0.7，燃料量為20%時，熱解氣還原NO的效率可以達到32.5%。

[1]毛健雄,毛健全,趙樹民.煤的清潔燃燒.科學出版社,1998.

[2]國家電站燃燒工程技術中心＆美國燃燒技術公司.闞山電廠600MW燃煤發電機組煙氣脫硝示范工程項目可行性研究報告，2005.5.

[3]董建勛，李成之，李振中.燃煤電站氮氧化物控制技術現狀及發展.中國科協2004年學術年會電力分會場暨中國電機工程學會2004年學術年會論文集.2004：317-320.

（編輯 文新梅）

Simulation Study on NO-reduction by Volatiles from Coal Devolatilization

HE Dongwei,CHENGXianfeng,WULimei
(Economic Management Cadre Institute ofHeilongjiangProvince,Harbin 150080，China)

This Article introduces the calculation condition according to the research contents and the source of volatiles from coal devolatilization.According to the arrangement of simulated conditions,study the effect of NO-reduction rate caused by the retention time,reduction zone temperature,stoichiometric coefficient,amount of fuel and the concentration of HCN of reductant.

volatiles fromcoal devolatilization;NO-reduction;numerical analyses

G712

B

1672-0601（2015）06-0122-02

賀東偉（1963-），學士學位，副教授。主要研究方向：熱能。