賀東偉，程顯峰，吳麗梅

(黑龍江省經(jīng)濟(jì)管理干部學(xué)院，哈爾濱150080)

煤粉熱解氣還原NO的數(shù)值研究

賀東偉，程顯峰，吳麗梅

(黑龍江省經(jīng)濟(jì)管理干部學(xué)院，哈爾濱150080)

依據(jù)煤粉熱解氣的來(lái)源，針對(duì)所要研究的內(nèi)容，介紹了計(jì)算的工況安排。根據(jù)模擬的工況安排，分別研究了停留時(shí)間、還原區(qū)溫度、還原區(qū)的化學(xué)計(jì)量系數(shù)、還原劑的燃料量及還原劑中HCN的濃度對(duì)NO還原效果的影響。

煤粉熱解氣；還原NO；數(shù)值分析

引言

影響NO的還原的因素很多，對(duì)于氣相還原NO，主要受還原區(qū)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(fā)，研究溫度、氧量、燃料量的變化對(duì)NO還原的影響，找到NO氣相還原的規(guī)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(nèi)的停留時(shí)間約為1.5s，選取在不同停留時(shí)間內(nèi)測(cè)得的熱解氣濃度平均值進(jìn)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(duì)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(duì)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(qū)的化學(xué)計(jì)量系數(shù)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(yīng)器入口的NO物質(zhì)的量濃度；[NO]out為反應(yīng)器出口的NO物質(zhì)的量濃度。根據(jù)文獻(xiàn)定義[1]，當(dāng)量比的計(jì)算公式為

1.停留時(shí)間的變化對(duì)NO還原的影響

對(duì)于鍋爐再燃技術(shù)來(lái)說(shuō)，較長(zhǎng)的停留時(shí)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(guò)長(zhǎng)的停留時(shí)間并非有利，這是因?yàn)椋环矫?，再燃區(qū)過(guò)長(zhǎng)的停留時(shí)間，并不會(huì)進(jìn)一步顯著提高NO的還原效率；另一方面，再燃區(qū)停留時(shí)間的增加是以犧牲主燃區(qū)和燃盡區(qū)的停留時(shí)間為代價(jià)的。如果為了增加再燃區(qū)停留時(shí)間而減少主燃區(qū)的停留時(shí)間，雖然可以將再燃燃料噴射到NO比較集中的火焰區(qū)，實(shí)現(xiàn)更有效地還原NO，但這不僅會(huì)降低主燃區(qū)煤粉的燃盡率，而且使更多的過(guò)剩O2進(jìn)入再燃區(qū)，使再燃區(qū)O2濃度增加，對(duì)還原反應(yīng)不利；減少燃盡區(qū)停留時(shí)間同樣導(dǎo)致鍋爐燃燒效率下降。

表1 煤粉熱解氣組分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖1 不同溫度下NO濃度隨停留時(shí)間的變化關(guān)系

停留時(shí)間和溫度的變化對(duì)NO還原影響的研究是在固定還原區(qū)的化學(xué)計(jì)量系數(shù)、固定燃料量的情況下進(jìn)行的，針對(duì)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(qū)溫度下反應(yīng)器中NO的摩爾濃度隨燃料在反應(yīng)器中的停留時(shí)間的變化關(guān)系。從圖1中可以看出：同一溫度下，隨著燃料在還原區(qū)停留時(shí)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(shí)間的增加而增加的。而且反應(yīng)進(jìn)行的初始階段，此時(shí)停留時(shí)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(shí)，通常在前0.8s內(nèi)隨停留時(shí)間的增加，NO還原效率增加很快[1]。原因是煤粉的熱解、揮發(fā)分的釋放需要一定的時(shí)間，NO要么與揮發(fā)分反應(yīng)進(jìn)行同相還原，要么與焦炭反應(yīng)進(jìn)行異相還原。由于假定還原劑與煙氣預(yù)先完全混合，這樣同相還原主要受動(dòng)力學(xué)控制，而異相還原不僅受反應(yīng)速率的影響，而且還與氣相組分的擴(kuò)散、焦炭顆粒表面狀況如粒徑、表面積有關(guān)，因此通常需要更多的時(shí)間。

2.溫度的變化對(duì)NO還原的影響

圖2 NO的還原效率隨溫度的變化關(guān)系

同一停留時(shí)間時(shí)，隨著還原區(qū)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(qū)溫度的升高而降低，如圖2所示，溫度為1173K 時(shí)NO還原效率接近65%，而溫度為1473K時(shí)其效率僅為12.6%。這中變化趨勢(shì)與文獻(xiàn)[2]的計(jì)算結(jié)果是一致的，但與煤粉還原NO有區(qū)別，對(duì)于煤粉，還原區(qū)溫度在1373-1573K范圍內(nèi)時(shí)，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(fā)分釋放速度升高，產(chǎn)生的揮發(fā)分多，而揮發(fā)分是煤粉還原NO的主要作用物質(zhì)。對(duì)于本文的模擬，煤粉熱解氣的含量一定，溫度升高會(huì)加快反應(yīng)地進(jìn)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(xué)計(jì)量系數(shù)的變化對(duì)NO還原的影響

NO的還原理論表明還原區(qū)的O2含量是影響NO還原效率的關(guān)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(qū)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(shí)由于還原區(qū)O2濃度較低，還原劑在爐內(nèi)停留時(shí)間又相對(duì)較短，可能會(huì)造成爐膛出口煙氣溫度偏高，不完全燃燒損失也會(huì)增大，導(dǎo)致鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性降低等問(wèn)題。

圖3 化學(xué)當(dāng)量比的變化對(duì)NO還原的影響

研究化學(xué)計(jì)量系數(shù)對(duì)NO還原的影響是在固定還原區(qū)的溫度為1373K，固定燃料量為20%的情況下進(jìn)行的，化學(xué)計(jì)量系數(shù)的變化范圍是0.7、0.8、0.9和1.0。圖3表示的是還原區(qū)化學(xué)當(dāng)量比的變化對(duì)NO還原的影響程度。從圖中可以看出，隨著化學(xué)計(jì)量系數(shù)的增加，NO的還原效率是降低的，化學(xué)計(jì)量系數(shù)為0.7時(shí)，熱解氣還原NO的效率可以達(dá)到32.5%，而化學(xué)計(jì)量系數(shù)為1.0時(shí)，還原效率僅為6%。這種變化趨勢(shì)與煤粉還原NO的效果是一致的。隨著還原區(qū)化學(xué)計(jì)量系數(shù)的降低，還原區(qū)氧量降低，還原性氣氛增強(qiáng)，從而有更多地碳?xì)渥杂苫cNO反應(yīng)將其還原為HCN、CN等，接著這些氮的中間產(chǎn)物再與碳?xì)渥杂苫磻?yīng)，將其還原為N2。

三、結(jié)論

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

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

3.隨著化學(xué)計(jì)量系數(shù)的增加，NO的還原效率是降低的，化學(xué)計(jì)量系數(shù)為0.7，燃料量為20%時(shí)，熱解氣還原NO的效率可以達(dá)到32.5%。

[1]毛健雄,毛健全,趙樹(shù)民.煤的清潔燃燒.科學(xué)出版社,1998.

[2]國(guó)家電站燃燒工程技術(shù)中心＆美國(guó)燃燒技術(shù)公司.闞山電廠600MW燃煤發(fā)電機(jī)組煙氣脫硝示范工程項(xiàng)目可行性研究報(bào)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(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展.中國(guó)科協(xié)2004年學(xué)術(shù)年會(huì)電力分會(huì)場(chǎng)暨中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)2004年學(xué)術(shù)年會(huì)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(xué)士學(xué)位，副教授。主要研究方向：熱能。