煤粉热解气还原NO的数值研究

贺东伟，程显峰，吴丽梅

(黑龙江省经济管理干部学院，哈尔滨150080)

煤粉热解气还原NO的数值研究

贺东伟，程显峰，吴丽梅

(黑龙江省经济管理干部学院，哈尔滨150080)

依据煤粉热解气的来源，针对所要研究的内容，介绍了计算的工况安排。根据模拟的工况安排，分别研究了停留时间、还原区温度、还原区的化学计量系数、还原剂的燃料量及还原剂中HCN的浓度对NO还原效果的影响。

煤粉热解气；还原NO；数值分析

引言

影响NO的还原的因素很多，对于气相还原NO，主要受还原区温度、氧量、燃料量及燃料种类的影响。本文从煤粉热解气同相还原NO出发，研究温度、氧量、燃料量的变化对NO还原的影响，找到NO气相还原的规律，为NO还原的研究提供一定的参考。

一、初始条件

本文所使用的某煤粉热解气是煤在恒温沉降炉中快速热解得的。热解条件：恒温900℃，煤粉在炉内的停留时间约为1.5s，选取在不同停留时间内测得的热解气浓度平均值进行研究，表1为煤粉热解气组分及其浓度。

二、不同影响因素对NO还原效果的影响

本文主要研究各不同影响因素如温度、氧量和燃料量对NO还原效果的影响，所研究的温度范围是：1173K、1273K、1373K和1473K；还原区的化学计量系数为0.7、0.8、0.9和1.0；还原燃料量为10%、15%、20%和25%。

本文定义NO还原效率为

式中：[NO]in为反应器入口的NO物质的量浓度；[NO]out为反应器出口的NO物质的量浓度。根据文献定义[1]，当量比的计算公式为

1.停留时间的变化对NO还原的影响

对于锅炉再燃技术来说，较长的停留时间不仅有利于还原更多的NO，也有利于提高再燃燃料的燃尽率。但是，过长的停留时间并非有利，这是因为，一方面，再燃区过长的停留时间，并不会进一步显著提高NO的还原效率；另一方面，再燃区停留时间的增加是以牺牲主燃区和燃尽区的停留时间为代价的。如果为了增加再燃区停留时间而减少主燃区的停留时间，虽然可以将再燃燃料喷射到NO比较集中的火焰区，实现更有效地还原NO，但这不仅会降低主燃区煤粉的燃尽率，而且使更多的过剩O2进入再燃区，使再燃区O2浓度增加，对还原反应不利；减少燃尽区停留时间同样导致锅炉燃烧效率下降。

表1 煤粉热解气组分及其质量分数

图1 不同温度下NO浓度随停留时间的变化关系

停留时间和温度的变化对NO还原影响的研究是在固定还原区的化学计量系数、固定燃料量的情况下进行的，针对的是表2的C20-08工况，研究的温度值是1173K、1273K、1373K和1473K。图1是不同还原区温度下反应器中NO的摩尔浓度随燃料在反应器中的停留时间的变化关系。从图1中可以看出：同一温度下，随着燃料在还原区停留时间的增加，NO的浓度是逐渐降低的，即NO的还原效率是随着停留时间的增加而增加的。而且反应进行的初始阶段，此时停留时间低于0.2s，NO的浓度下降很快，之后变得比较平缓，这与煤粉还原NO的效果是不一样的。煤粉还原NO时，通常在前0.8s内随停留时间的增加，NO还原效率增加很快[1]。原因是煤粉的热解、挥发分的释放需要一定的时间，NO要么与挥发分反应进行同相还原，要么与焦炭反应进行异相还原。由于假定还原剂与烟气预先完全混合，这样同相还原主要受动力学控制，而异相还原不仅受反应速率的影响，而且还与气相组分的扩散、焦炭颗粒表面状况如粒径、表面积有关，因此通常需要更多的时间。

2.温度的变化对NO还原的影响

图2 NO的还原效率随温度的变化关系

同一停留时间时，随着还原区温度的升高，NO的浓度是增加的，即NO的还原效率随着还原区温度的升高而降低，如图2所示，温度为1173K 时NO还原效率接近65%，而温度为1473K时其效率仅为12.6%。这中变化趋势与文献[2]的计算结果是一致的，但与煤粉还原NO有区别，对于煤粉，还原区温度在1373-1573K范围内时，随着温度的升高，NO还原效率升高[3]。主要原因是随着温度的升高，煤粉升温速率加快，挥发分释放速度升高，产生的挥发分多，而挥发分是煤粉还原NO的主要作用物质。对于本文的模拟，煤粉热解气的含量一定，温度升高会加快反应地进行，但是并不能增加NO的还原效率，相反却增加了热力型和快速型NO的生成。

3.化学计量系数的变化对NO还原的影响

NO的还原理论表明还原区的O2含量是影响NO还原效率的关键因素。电站锅炉采用气体燃料还原NO，从而降低NO排放，维持再燃区较低的O2浓度是获得较高的NO还原效率的前提条件。而低O2浓度燃烧时由于还原区O2浓度较低，还原剂在炉内停留时间又相对较短，可能会造成炉膛出口烟气温度偏高，不完全燃烧损失也会增大，导致锅炉运行的经济性降低等问题。

图3 化学当量比的变化对NO还原的影响

研究化学计量系数对NO还原的影响是在固定还原区的温度为1373K，固定燃料量为20%的情况下进行的，化学计量系数的变化范围是0.7、0.8、0.9和1.0。图3表示的是还原区化学当量比的变化对NO还原的影响程度。从图中可以看出，随着化学计量系数的增加，NO的还原效率是降低的，化学计量系数为0.7时，热解气还原NO的效率可以达到32.5%，而化学计量系数为1.0时，还原效率仅为6%。这种变化趋势与煤粉还原NO的效果是一致的。随着还原区化学计量系数的降低，还原区氧量降低，还原性气氛增强，从而有更多地碳氢自由基与NO反应将其还原为HCN、CN等，接着这些氮的中间产物再与碳氢自由基反应，将其还原为N2。

三、结论

1.同一温度下，煤粉热解气还原NO的效率是随着停留时间的增加而增加的。在混合良好的情况下，NO在反应开始的最初0.2s内下降很快，之后逐渐变得平缓。

2.同一停留时间时，热解气还原NO的效率随着还原区温度的升高而降低，温度为1173K时NO还原效率接近65%。

3.随着化学计量系数的增加，NO的还原效率是降低的，化学计量系数为0.7，燃料量为20%时，热解气还原NO的效率可以达到32.5%。

[1]毛健雄,毛健全,赵树民.煤的清洁燃烧.科学出版社,1998.

[2]国家电站燃烧工程技术中心＆美国燃烧技术公司.阚山电厂600MW燃煤发电机组烟气脱硝示范工程项目可行性研究报告，2005.5.

[3]董建勋，李成之，李振中.燃煤电站氮氧化物控制技术现状及发展.中国科协2004年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会2004年学术年会论文集.2004：317-320.

（编辑 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

贺东伟（1963-），学士学位，副教授。主要研究方向：热能。