添加生物质气化气选择性自动催化还原技术

添加生物质气化气选择性自动催化还原技术王启志，卢银盛，郭浩然，苏俊伟能源学院刘辉1研究目的选择性非催化还原（SNCR）技术是一种低成本的电站锅炉烟气脱氮技术，该技术在900—1100℃范围内才能保证较高的脱硝效率。本创新性实验计划项目提出以生物质气化气为SNCR反应的添加剂，提高低温条件下的SNCR脱硝反应效率，同时实现了可再生的生物质资源的利用。2研制背景燃煤电站锅炉产生的氮氧化物(NOx)是主要大气污染物之一，氮氧化物除了形成酸雨，破坏生态环境，还能形成光化学烟雾，直接危害人类健康。2004年全国氮氧化物排放总量达到1600万吨，火电机组排放量约占一半。本作品以生物质气化气为SNCR反应的添加剂，利用丰富的可以再生的生物质资源实现提高SNCR技术的脱硝率，旨在发展一种煤粉锅炉高效、低成本的低NOx排放方法。典型的SNCR系统如图1，本项目提出的以生物质气化气为添加剂的SACR技术系统图见图2，本项目提出的脱硝系统，不需要催化剂，系统简单可靠，低成本，高脱硝率，便于实施，同时利用丰富的生物质资源，而生物质气化技术相对成熟，技术风险低。忆图父1框SN牌CR材工艺导原理弟示意玉图足图旷2肃添加款生物宋质气窑化具气逮SA向CR恼原理却示意滑图3研究内容及研究方案本项目通过试验研究和化学反应动力学计算来认识CH4、H2、CO等成分单独与共同作用下的SNCR脱硝反应机理，为生物质气化气为添加剂的SNCR技术提供理论依据。3.1试验装置和试验方法试验在携带流反应器上进行，试验系统见图3，包括模拟烟气配气系统、反应系统和烟气成分分析系统三部分。利用气瓶气通过质量流量计控制反应气体的组成，配气系统送出两股气流，一股主气流包含N2、O2和NO，另一股气流包含NH3和添加剂。这两股气流在反应系统的预热段被加热至反应温度，然后在反应段的入口开始混合反应。反应段长30cm，内径5cm，反应段的温度分布见图4。在反应段的出口，通过油冷的取样枪将反应后的气体引出，保证反应气体在取样过程中不发生反应。NO、NH3、CO和CH4的浓度通过FTIR在线连续测量，O2的浓度通过电化学的方法测量。NHNH3和添加剂NOO2N2质量流量计控制器烟气分析仪r排空预热段反应段取样枪核图唉3榴试验掠系统置示意赢图熄图4虽反应躲段温战度分消布3.2反应机理的选择利用CHEMKIN4.1软件中PLUG模块，采用目前描述SNCR反应应用较多的AA机理和Miller等[3]的GAD98-M99反应机理，对NH3选择性非催化还原NO的化学动力进行了计算和分析。试验和反应动力学模拟结果见图5-图7，φ(NO)out/φ(NO)in为出口NO浓度与入口NO浓度的比值。可以看出两种反应机理的数值模拟结果和试验结果大体吻合，因为计算时反应器采用PFR模型没有考虑气体混合的过程，而试验过程中气体存在混合过程，所以反应动力学模拟得到的NO还原效果要优于试验效果，而GAD98-M99反应机理与实验数据吻合得更好。简图5谈C蛇O作碰添加加剂时屿模拟只与实图验结图果序图6脚咽CH蔬4歉作添炼加剂会时模溪拟与注实验腰结果苏图7爱库H晓2并作添脆加剂随时模暑拟与周实验猎结果国图8忠惯CH户4刷/C唐O/纪H屑2遗作复旨合添沈加剂具时模后拟与热实验膊结果3.3反应器模型选择通常对携带流反应器上SNCR反应的化学反应动力学模拟都是采用PFR模型，假设中心射流和环形射流在反应前充分混合，所以模拟结果和试验结果存在一定偏差。本研究反应动力学计算的反应器模型分别采用PFR模型和考虑混合过程的Zwietering模型。殖Zw洲ie突te丧ri举ng狼提出疾的闹“蓝最大述混合全模型宝”沃可以珍描述倍携带极流反岭应器跑上宏份观尺怨度的删混合插过程附[扯4，行5预]排，理欢论模架型见灵图惹9遭。肤图9壶乖Zw般ie宜te嚼ri植ng枯反应帖器模喝型兆体怒爷(4难)卫定义野90回%的盼环形燃射流提混入展中心装射流灰所用丹的时艳间为迁t垮90挂，并惕近似笨认为逐t帽90妙为混丘合特柜征时程间捞为：功爆傅(钓5)耍愚筑丧歉湿岁滩票庸杨衬遵劲朋紧娇宫寨渐反应笔器上冈的流确动混盼合棕过程部进行涌模拟油而得鬼到握t走90笔的霜近似侨值。符随着任环形考射流禁不断饼混入帝，耽中心概射流厦的氩盗气浓少度沿苹程摩不断困降低详。混平合过垫程完稼成后势，反吹应器颗轴线闭上的日氩气竭浓度妈达到茧最低昆值。够近似趁认为贱反应削器轴妥线上惭氩气辣浓度娇达到锐反应弱器出于口俊(混皂合过瓣程已浑经结折束)禽轴线泪上瞧氩气用浓度亡的1达10岔%伸的位掠置所矮对应庸的纲停留狂时间懂为晴t楚90飞。惑在都10券00与℃绑条件挠下，拣n予(A佣r)怠/厕n眼(N益O)形为1霜.5杠时得故到携下带流猜反应刊器内览氩气师浓度陆分布兆，见矩图匹10累。披在梯Ch迈em户ki饥n4快.1切软件躺平台吼上，现对海PF趣R模厦型和弱Zw睡ie羞te符ri侧ng五模型辞进行最比较杜。虽反应去动力振学计慕算的悔条件挤与实啦验脾条件兵相同晒。东反应思器出舍口N匪O摩沾尔分注数随搁反应阀温度努的变融化见恶图温11员，寇Zw播ie络te祖ri抵ng唇模型亡的计埋算结恳果和淡实验略符合佛较好祝。筒图1乖0性1添00埋0谱℃撒时携过带流菜反应略器内检氩气骑分布菊盲顺图1隶1庆PF非R模旺型和产Zw问ie切te粱ri鸟ng债模型塔计算祸结果醒与实顿验结希果歉应用漫PF蝇R模麻型和清Zw敬ie挑te存ri递ng挣模型盐对C别O，冤H扮2活，C掠H愚4寻作为筑单一太添加耍剂影捡响S倘NC干R反欣应过帜程进辆行计敞算，特见图棕12溜、图稼13眨、图绸14祸，同揭样Z裁wi历et蕉er俱in文g模沈型与首实验塞结果椅符合貌较好急。旧图1阅2俯C蜻H转4趴作为夸添加药剂兔抗丛浑豆叹竹逮销艺禽飘灿植费帆奴换图赌13踪恳CO辩作为眨添加制剂安图1芬4坡H番2坝作为配添加吼剂犹刻堂滋耻瞧醒诞纵票伤雁辆疮穴图1蝴5锦CH模4阀/H湖2姻/C冬O复疼合添堵加剂览如图川11奴，无茧添加跟剂时懒，S那NC羡R反肚应最植高脱基硝效纹率对鲜应的俯温度踢为9用50陷℃练，如饲图1累2-肿14利，添起加机CO免险、缺CH脖4置、聪H磨2恭后勾最高族脱硝度效率斜对应桥的温奖度分误别为烧88吐0锻℃猪、8全00慈℃石、8途00厚℃慨左右意，旱CH即4价、贫H裳2螺、减CO救这几遵种典承型的狼生物丧质气谋化气三成分鞋均可样以降贫低反贺应的央温度量窗口糠。如暮图1猫5添娇加丛CO鸡县、际CH装4来、衡H旱2正的复恋合添聪加剂魄时最似高脱毒硝效启率对蚊应的疯温度哲为7组50亩℃级左右还，可村见复融合添竖加剂盒的作纽用要唉大于睁单一殿添加炸剂。喘3.石4塌生物奶质气己化气牢作为拐添加框剂的直模拟羊计算找生物拖质气饱化过扶程主聚要有滤四大搂系统隐,包锦括进凡料系额统、苏气化横反应过系统蜘、气泳体净要化系万统和挑气体孔利用杯系统据。中对加寇入体激积分废数为花30莫0膛μ秧L/圾L萄生物套质气货化气捉时的坚脱硝躬过程缺进行续了模脚拟计隐算，宋并与喇30汗0需μ勉L/塘L越CH谢4旦作添命加剂尼时的程结果依进行欢了对惠比，络计算子结果街见图通15拿。计浊算中风分别继选用孙两遥种典粘型生锈物质塑气化趋气拜[遍9台-利10春]恒，其哑成分柴见表提1。皮表提1蹈生物式质气棵化气装成分莫种类谁CO股2迹/雕%兽CO朵/席%诱CH惧4铁/%药H铁2捎/%速O急2膝/%踢N持2申/%玩1助14神20蜂2味14达0况50饮2陶28摊.8叨9郑37贯.6症5纪4.月78镇27腹.1叮7随1.轿16渴0唱通过齐图中崖CH拌4累和减生物炊质气蝶化气财曲线弊的对悔比可腐以看摸出，涨虽然榴相同栋体积商分数踢的屈生物挖质气恋化气毒对S智NC谜R温蹄度窗拒的作相用效嫌果不午如盟CH府4录那么郑好，插但可下以通衣过提予高生伍物质倚气化布气浓帽度的搂方法幕改善喂其对常SN选CR辱的作宽用效识果。萄由于刃生物拦质是饭可再胞生资冒源，甜我国固的生援物质哪资源招比较锁丰富寿，若馅能用奴生物衔质替岸代稀孤缺的挡天然抹气，拒即充吗分利逮用了冶资源聋，降瞎低N议O刚X杀排放首，又柱降低恨了成身本。邪图1录5蹦生播物质亭气化迫气添观加剂周与C浮H4早添加膊剂的搏模拟礼结果晨比较倍3.星5绵生物鸦质作歌为添轰加剂身的S唉NC详R工宾程应烟用方国案曲为了雅解决删现有价的狡选择养性非炒催化档还原家方法寨存在颜的四温度脸窗口越狭窄积、在狠低温痰区脱攀硝率增低的总问题兼，馅提出怀一种欲生物抬质气奉化气沙雾化肉的生选择携性非耳催化藏还原愿方法菊。乡SN督CR呆系统刃将氨胡基还泰原剂财溶液遍充入荐氨基剪还原镰剂溶欢液管童道1战内，帐通过简多个加喷枪编3将羡氨基屑还原定剂溶后液喷宾入亮折焰次角6熟附近仗的浸炉膛孟5和尼水平捷烟道靠9内快，将怒压缩豆空气碍作为净雾化巾介质谢经葛雾化好介质刊与氨慈基还樱原剂助溶液胖一起疗喷入佩炉膛锐5和怨水平膛烟道锋9内撒；将扶生物困质气利化装竟置1竞4产木生的君生物矿质气故化气群充入顷生物萍质豆气化圈气管礼道1谦8内劝，经盲加压且装置悟15斯加压锦至0诸.5录MP净a～件0.约8M佛Pa织后进司入气茂体添柏加剂侨管道异17土，气案体添甲加剂僚管道遇17另内的鬼生物险质气田化气象与坦压缩非空气炊通过梨混气客装置锐1酿9谢混合刷后羊作为贞氨基拒还原摧剂析溶液朗的雾垮化介民质蜓，与数氨基浑还原恋剂溶袍液一仍同疲通过陕设在涝炉膛消5和辩水平吴烟道追9上窝的喷榴嘴3甩喷入换80蛋0幻℃晓～9表50击℃择温度益区域艘的炉扫膛5衬和水湾平烟姓道9武内N麻H叠3长与烟逗气中码的N临Ox亦的摩陈尔比业为1治.1才～1巨.缺8，列且素生物锐质气诵化气晌喷入赞前给凉入炉劫内的古氨基捏还原思剂溶袭液的当喷入购量以移还原漂剂产淹生的标NH竞3栋与氨伯基还裂原剂祝溶液乌喷入匀前的挡烟气解中N竟Ox喉的摩痛尔比浆表示旦，N子H远3械与烟岩气中滩的N碌Ox暖的摩界尔比签为捡0.阀5胡～1们.效1，惠生物岩质气暮化气写的喷福入总公量与田生物分质气傍化气道喷入貌前烟崇气中宜NO星x的故摩尔迷比为喘0.逐3～厅1.赶2；或还原鲜后的脱烟气胳经反尾部烦烟道盾1悉1待流出旦。钩1安还原狱剂管聪道肚2百震压缩答空气啦管道铜3详还原虎剂喷良射装玉置恒4猾燃烧酸器隆5解炉膛测6室折焰午角7匀屏叠过热绢器服8蜜高温钩过热聋器找9拒水平桥烟道狠1梨0再高热器肚1宁1尾联部烟蜘道格12保省煤荒器会13喘空气骑预热惜器律14迅生物州质气刃化装湖置膝15帐加压兵装置凑1扫7要生物债质气悉化压那力管偿路茶18希生盟物质饺气化问装置主出口践管路兵2斜0混谢合气惯体管船路惊图塌1可6对添加财生物桶质气坦化气俱的寇SN调CR淘技术女方案嘉4结臣论诵完成蓄了添府加剂够作用幼下的锋SN洽CR愁反应逃过程俗试验伙研究延和化详学反捉应动凑力学应计算塘，得似到如萄下结膝论。蔑（1柏）杜GA仔D9宁8-政M9繁9誉反应挽机理稿可以顽很好这地描庆述添毯加剂窜作用剑下的层SN上CR声反应厦过程阁。偶（2戏）算Zw留ie单te血ri准ng亡反应制器模祝型可糖以较鲜好地