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1、 上海应用技术学院 毕业设计论文 气体再燃降低氮氧化物排放的实验研究 姓名：沈佳 专业：热能与动力工程 指导老师：王清成 2014年5月10日 气体再燃降低氮氧化物排放的实验研究摘要：随着化石能源的枯竭和人类对全球性环境问题的关注，生物质资源以其可再生、资源丰富、分布广泛、CO2 零排放等优点日益成为国内外众多学者研究的热点。天然气再燃是一种可行、经济且高效的降低锅炉烟气中NOx的方法。而现在对于生物质气化再燃是否能够同样代替天然气再燃进行研究。另一方面也将生物质充分利用。本实验采用固定炉排进行模拟工业锅炉实验，采用天然气和生物质气对再燃脱硝的效率进行比较。实验表明生物质气和天然气拥有良好的脱
2、硝效率，并且天然气有更好的脱硝效果。关键词：生物质；热解 ；气化再燃；脱硝Experimental Study on Nitrogen Oxide Emissions Reduced Gas ReburnAbstract: With the depletion of fossil fuels and human concern for global environmental issues, renewable biomass resources with its abundant resources, widespread distribution, CO2 emissions, zero
3、merit scholars increasingly become the focus of many at home and abroad. Natural gas reburn is a feasible, economical and efficient method of reducing the boiler flue gas emissions. And now for the gasification of biomass instead of natural gas reburning is able to reburn the same study. On the othe
4、r hand will make full use of the biomass. Have better prospects.The simulation experiments using fixed grate industrial boilers experiments using natural gas and biomass gas reburning efficiency for comparison. Experiments show that biomass gas and natural gas denitration with good efficiency and be
5、tter gas denitration effects.Keywords: biomass; pyrolysis; gasification reburn ; stock目录第一章 绪论11.1课题的目的和意义11.2再燃技术的应用21.3国内外发展现状与研究趋势41.4本论文的研究方法与内容5第二章 气体再燃降低氮氧化物的实验研究62.1前言62.2气体再燃降低氮氧化物的实验方法62.2.1 实验目的62.2.2 实验原理72.2.2.1 NOx的生成机理72.2.2.2 生物质热解92.2.2.3 再燃脱硝技术简介102.2.2.4 再燃燃料种类112.2.3 实验装置122.2.4实验
6、材料152.2.4.1 煤样成分介绍152.2.4.2 再燃气体成分介绍152.2.5 实验方法162.3再燃脱硝实验操作19第三章 实验数据与处理213.1原始工况实验213.2天然气再燃降低氮氧化物含量实验223.3 玉米芯气化气再燃实验233.4 稻壳气化气再燃实验24第四章 实验结果及分析254.1 温度对NOx排放的影响254.2 气体再燃降低氮氧化物254.2.1 天然气再燃降低氮氧化物254.2.2 生物质气化气再燃脱硝274.2.3 两者脱硝效率比较29第五章 总结与展望305.1 总结305.2 工作展望30致谢32参考文献33 第一章 绪论1.1 课题的目的和意义我国是一个
7、能源生产大国，也是一个能源消费大国。2003年，全国能源生产总量为16 .03亿吨标准煤比2002年增长11 %。其中，煤炭产量16 .67亿吨、原油产量1 .7亿吨、天然气产量345亿立方米。2003年能源消费总量约为16 .8亿吨比2002年增长13 %。其中，煤炭占67 .1 %、 石油占22 .7 %、天然气占2 .8 %、 水电等占7 .3 %，石油进口达9 700万吨1。能源是国民经济发展的重要基础。目前能源供应不足已经成为制约经济发展的重要因素，从长远来看能源问题仍将是中国经济发展面临的最重要的问题。能源是人类社会生存、国民经济发展的必备资源和重要战略物资。占目前世界一次能源供应
8、87.7%的化石能源，因其不可再生性、稀缺性以及附带产生的诸多严重环境问题，已经制约人类的可持续发展。世界能源委员会在1992年世界能源资源调查报告中指出，以目前的消费速度，全世界已探明的煤、石油和天然气储量将分别在262年、49年和57年后用完，可见能源将成为未来人类社会发展的瓶颈。此外，化石能源的大量使用也是大气中CO2、SO2 等温室气体和污染气体浓度不断提高的一个重要原因，大气中CO2浓度由1958年的315L/L上升到2003年的376L/L，并呈逐年加剧趋势2。能源紧缺以及由其产生的生态环境恶化，使得当今能源和环境科学研究的一个重要领域是寻找新的替代能源。在这些新能源中，由于核能、
9、大型水电具有潜在的生态环境风险，风能和地热等具有区域性资源制约，大力发展受到限制和质疑，而生物质能却以资源丰富、生态环境友好光彩夺目。我国是农业、林业大国，生物质能资源丰富，开发利用条件良好。据不完全估计，包括可作为燃料的农作物生物质、农产品加工废弃物、森林采伐加工产业的剩余物、禽畜养殖业粪便排放物、工业废水和废渣以及城市垃圾等在内的可利用生物质能，转化为能源的潜力近期约为5亿t标准煤/年，远期可达10亿t标准煤/年，具有良好的开发利用生物质能的资源条件，对增加能源供应、保护环境，特别是有效地解决“三农”问题，实现可持续发展具有重大的现实意义。当前我国能源发展主要存在以下问题：能源资源约束十分
10、严重，能源供应过分依赖煤炭，环境污染问题严重，能源利用技术落后，能源利用效率低，优化能源结构，提高可再生能源利用比例，是今后我国能源发展的重要方向。生物质能是种类众多的可再生能源的一种，世界上许多国家特别是经济发达国家，都很重视生物质能的开发和利用3。特别是近几十年来，许多国家特别是发达国家大力研究开发利用生物质能转型优化技术，也就是将低品味的生物质能转化成液体、气体、固体、电力等形式的优质能源利用技术以及高效节能技术；并开发种植能源植物，增加生物质能源的资源储备，作为建立可持续发展能源系统的一项战略措施，生物质再燃作为生物质能利用的一种方式包括直接再燃，气化再燃以及高级再燃等技术，可以降低燃
11、煤锅炉的NO排放，幅度可达50 % 90 % 具有很好的应用前景4。1.2再燃技术的应用目前，控制NOx排放的技术主要可分为燃烧前处理，燃烧中的低NOx燃烧技术和燃烧后的烟气净化技术。1）燃烧中的过程处理技术（1）低过量空气燃烧用改变燃烧条件的方法来降低NOx 的排放，统称为低NOx燃烧技术。这是一种最简单地降低NOx排放的技术，它是使燃烧过程在尽可能接近理论空气量的条件下进行。由于燃烧中过量氧的减少，从而控制了NOx的生成5。但是，电站锅炉在运行中一般不会采用过低的过量空气，因为燃烧过程氧量过低，会造成浓度的急剧增加，大大增加气体未完全燃烧热损失。同时，也会使飞灰含碳量增加，导致固体未完全燃
12、烧热损失增大。这样锅炉的燃烧效率降低，锅炉的经济性下降。另外，采用低过量空气燃烧还会造成锅炉受热面的结渣和腐蚀以及汽温的变化。（2）空气分级燃烧它是目前使用比较普遍的低NOx燃烧技术之一。空气分级燃烧的基本原理是将燃料燃烧所需的空气分阶段送入炉膛。在第一阶段，从主燃烧器送入炉膛的空气量减少到总燃烧空气量的75%左右，使燃料先在贫氧、富燃料燃烧条件下燃烧。降低了初始燃烧区域的氧浓度，进而降低了主燃烧区域的燃烧速度和温度水平，在还原性气氛中降低了NOx的反应率，抑制了NOx在主燃烧区域的生成量。为了完成全部燃烧过程，燃烧完全所需的剩余空气量则通过布置在主燃烧器上方的专门空气喷口OFA（over f
13、ired air 燃尽风）送入炉膛，在燃尽区域使燃料在富氧贫燃料燃烧条件下完成全部燃烧过程6。（3）烟气再循环烟气再循环就是从锅炉的省煤器出口，空气预热器前抽出部分烟气直接送入炉膛，也可与一次风或二次风混合后送入炉内。这样既降低了燃烧温度，又降低了氧气浓度，所以可以降低热力型NOx的排放浓度。此项技术系统复杂，改装费用较高，对于80%左右的NOx属于燃料型NOx的固态排渣煤粉炉来说，这种方法的效果不是很明显。（4）低NOx 燃烧器对煤粉锅炉来说，煤粉燃烧器是锅炉燃烧系统中的关键设备，通过尽可能地降低燃烧器着火区的氧浓度，适当降低着火区的温度，以达到最大限度地抑制NOx 生成的目的。低NOx 燃
14、烧器不仅要保证煤粉的着火和燃烧，还要能有效地抑制NOx 的生成。通过特殊设计的燃烧器结构，以及通过改变燃烧器的风煤比例，低NOx 燃烧器能在煤粉的着火阶段就抑制NOx 的生成，可以达到更低的NOx 排放值，因此低NOx 燃烧器得到了广泛的应用。2）燃烧后的烟气净化技术（1）选择性催化还原（SCR）用NH3 作为还原剂，在催化剂的作用下，将烟气中的NOx 还原成N2，脱氮率可达90%以上，根据所采用的催化剂的不同，其适宜的反应温度范围也不同，一般为300340。由于所采用的还原剂NH3 只与烟气中的NOx发生反应，而一般不与烟气中的氧发生反应，所以称其为选择性催化剂法。此技术在实际应用中对NOx
15、的脱除效率高，但是投资成本很大，经济性不佳。（2）选择性非催化还原（SNCR）在不采用催化剂的条件下，将氨作为还原剂还原NOx的反应只能在9501000这一温度范围内进行，因此，需要将氨气喷射注入炉膛出口区域相应温度范围内的烟气中，将NOx还原N2和H2O。该方法的脱氮效率为40%60%，对反应所处的温度范围很敏感，并且排入大气中的氨量显著增加，造成环境污染。从技术和经济的角度出发，低NOx燃烧技术一直是应用最广泛的控制NOx排放的措施。其原理是通过各种技术手段抑制或还原燃烧过程中生成的NOx，以降低NOx排放量。即便是为满足排放标准的要求不得不使用投资和运行成本巨大的燃烧后的烟气净化技术，仍
16、须采用低NOx燃烧技术来降低净化装置入口的NOx浓度，以达到节省运行费用的目的。低NOx燃烧技术主要包括低NOx燃烧器、浓淡偏差燃烧、烟气再循环法以及空气分级燃烧技术等。其中只有低NOx燃烧器技术最大可降低60的NOx排放量，应用于煤粉锅炉后可使NOx达到排放标准，但该技术同时也带来了燃烧效率下降、炉膛结渣和高温腐蚀等问题。据有关报道，由于存在上述缺点，美国已不再继续推广使用低NOx燃烧器，并且目前正在已安装了低NOx燃烧器的煤粉锅炉上广泛采取补救措施，克服上述缺点。再燃烧技术是一般采取的主要补救措施之一。再燃烧(Reburning)技术又称为燃料分级技术，是一种能够大幅度降低NOx排放量的燃
17、烧技术，一般可降低NOx的排放量达50以上。它将炉内分成主燃烧区、再燃烧区和燃尽区。8090左右的一次燃料在过量空气系数a1的条件下喷入主燃烧区进行燃烧，同时生成大量NOx；其余1020左右的再燃燃料则由再燃区喷入，形成富燃料条件(a1)，再燃区域中由于氧量不足，再燃燃料形成大量的碳氢基团等还原性物质将主燃烧区形成的NOx还原，同时还可抑制新的NOx生成；最后燃烧产物进入燃尽区，由送人的燃尽风(OFA)燃尽未燃尽的燃料(主要为一氧化碳及未燃尽的碳氢化合物)。燃尽过程中会重新生成少量的NOx，但总的来看，采用再燃烧技术后，NOx的排放量可在主燃烧区采用低NOx燃烧器降低NOx生成量的基础上，再减
18、少5070的NOx排放量。再燃烧这一概念最早由Wendt等人于1973年提出，直到1983年日本三菱公司将再燃技术应用于实际的锅炉并降低了大于50的NOx排放量，这一方法才得以确立并实际应用7。再燃技术中再燃燃料可以是各类燃料，包括气态碳氢化合物(天然气)、煤粉、油、生物质、水煤浆甚至沥青。气态碳氢化合物在燃烧时由于能产生大量的烃类而又不含有氮类物质，同时又易与烟气充分混合和反应，是普遍认为较理想的再燃燃料。采用再燃技术不但可以降低煤粉锅炉的NOx排放量，而且也不存在炉内结渣、高温腐蚀等其它低NOx燃烧技术带来的不良现象，已成为最有效的低NOx燃烧技术之一。再燃技术在美国的电站煤粉锅炉中已有成
19、功的工业示范，该技术是美国能源部(DOE)洁净煤技术计划的一项重要成果，已在工业发达国家进行大面积的工业推广应用，但是，其技术关键处如再燃气体的喷口位置、几何尺寸、气流参数等均保密。目前，在国内利用气体燃料再燃技术降低煤粉锅炉NOx排放的系统研究报道极少。因此，进行这方面的研究工作对开发适合我国国情的高效低NOx再燃技术具有重要意义。1.3国内外发展现状与研究趋势采用再燃技术不但可以降低煤粉锅炉的NOx排放量，而且也不存在炉内结渣、高温腐蚀等其它低NOx燃烧技术带来的不良现象，已成为最有效的低NOx燃烧技术之一。再燃技术在美国的电站煤粉锅炉中已有成功的工业示范，该技术是美国能源部(DOE)洁净
20、煤技术计划的一项重要成果，已在工业发达国家进行大面积的工业推广应用，但是，其技术关键处如再燃气体的喷口位置、几何尺寸、气流参数等均保密。国外自20 世纪70 年代开始研究生物质气化利用技术 目前已经取得了很大的进展，欧盟、日本、美国等发达国家已经建立了多个生物质气化发电示范工程：如瑞典的Varnamo电站，美国的夏威夷电站等 采用100 % 的生物质气化发电，气化效率已经超过80 % 热值可以到20 .0MJ m3。利用生物质气化再燃可以有效降低燃煤锅炉的NO排放，是一种经济可行，对环境有益的技术。国内外已经有大学和研究机构对此技术进行了研究与探讨8。德国斯图加特大学Hein等人以生物质气化所
21、得到的气体作为再燃燃料在实验台上进行了实验。实验结果显示生物质气非常适合作为再燃燃料，有很好的NO减排效果，对于不同的生物质类型，包括草、木屑和淤泥等。进行气化后作为再燃燃料都有明显效果，NO减排可以达到200 mg /m3。丹麦科技术大学P . Glarborg等人对混合模拟气作为再燃燃料对NO减排的效果进行了实验9。实验结果显示这些非碳氢化合物作为再燃燃料可以减排20 % 30 % 的NO减排幅度随着反应温度的升高而升高。再燃燃料的热量输比例越大 减排幅度也就越大。最终，接近于碳氢化合物燃料作为再燃燃料的效果。如果考虑到再燃燃料对于主燃燃料的部分替代作用，NO的生成量也会同比例下降。目前，
22、在国内利用气体燃料再燃技术降低煤粉锅炉NOx排放的系统研究报道极少。因此，进行这方面的研究工作对开发适合我国国情的高效低NOx再燃技术具有重要意义。目前国内开展生物质直接再燃技术研究的报道不多，还没有开展生物质气化气直接用于锅炉再燃和高级再燃技术的研究。国内外研究查明，生物质直接再燃可以实现60 % 以上的NO减排，气化再燃可以实现50 %左右的NO减排，而生物质高级再燃则可以达到80 % 以上的NO减排。因此，通过开展对这些技术的研究可以提高可再生生物质能源的利用效率，缓解目前的能源紧缺，对于国民经济发展和环境保护有着更重要的现实意义。1.4本论文的研究方法与内容目前，降低燃烧过程中的NOx
23、排放有两类方法：一类是燃烧控制技术，即采用各种措施抑制或者还原炉内燃烧过程中产生的NOx，如燃烧优化、低NOx燃烧器、空气分级等；另一类是烟气后处理技术，即在燃烧后将已形成的NOx还原成N2，如选择性催化还原、非选择性催化还原等。目前我国对低NO。排放多依靠包括低NOx燃烧器在内的燃烧组织，但此方法的NOx减排效果多低于50，不能满足日益严格的环保要求10。本课题论文中将采用气体再燃还原氮氧化物的方法，来研究气体再燃对降低氮氧化物的影响。通过实验台模拟工业锅炉燃煤过程，在再燃区通入再燃气体，控制再燃区的温度，以及再燃气体在炉膛内部的停留时间，使用烟气分析仪对所排放的烟气进行监测，并对采集的数据
24、进行分析。在此基础上，使用天然气和生物质气化气进行比较，对其效率作出初步评估。第二章 气体再燃降低氮氧化物的实验研究2.1前言先进的发达国家很早就对NOx会给人类造成的危害开展了相当深入的研究，认识到了大气中的NOx不只是停留在排放地影响当地的一种污染源，它会大范围的扩散是一种全球性的污染。因此，在控制NOx的排放上化费了巨大的资金，同时也取得了相当大的成绩，他们的研究成果对是我们今天的工作有极其重要的参考意义。NOx是一氧化氮NO 二氧化氮NO2 等氮氧化物的统称其中对人体健康危害最大的是NO2它会影响呼吸系统的正常工作引发支气管炎和肺气肿等。11尽管大气中NOx的含量很少，但由于堆积的污染
25、物通常在近地面人们会处于高浓度区域，直接吸入有毒物质而受到伤害，特别是 NO 和NO2它们可能是高度有毒的。目前，降低燃烧过程中的NOx排放有两类方法：一类是燃烧控制技术，即采用各种措施抑制或者还原炉内燃烧过程中产生的NOx，如燃烧优化、低NOx燃烧器、空气分级等；另一类是烟气后处理技术，即在燃烧后将已形成的NOx还原成N2，如选择性催化还原、非选择性催化还原等12。2.2气体再燃降低氮氧化物的实验方法2.2.1 实验目的我国的能源结构以煤炭为主, 其中约二分之一用于电站锅炉燃料, 大气中约60% 的氮氧化物排放来自燃煤, 燃煤对环境造成严重的污染。氮氧化物(NOx) 是常见的大气污染物, 对
26、人们的身体健康、生产、生活有很大影响。降低燃煤锅炉NOx排放技术的研究是当前防止大气污染的一项重要内容。目前, 发达国家已推广使用选择性催化还原法(SCR) 作为燃煤电厂脱硝的主要方法, SCR 技术的脱硝率高达90% , 但是SCR 的设备和运行费用十分昂贵, 而且容易发生堵塞和腐蚀13。按照国内目前的实际情况要求燃煤电厂使用SCR 来脱硝, 其建设和运行费用还难以承受。与煤相比, 天然气是一种较为清洁的能源, 但是如果把燃煤电厂全部改烧天然气, 一方面会造成原有设备的巨大浪费且重新建设成本太高; 另一方面天然气成本比煤要高得多, 所以也不现实。研究气体再燃降低氮氧化物排放的可行性，能够如今
27、能源紧缺的状态下，提供一个更好更有效的能源，并且符合我国的国情，节能减排，减少大气污染的排放，达到控制的目的。2.2.2 实验原理2.2.2.1 NOx的生成机理1）NOx 生成机理在煤燃烧的过程中，NOx的生成机理主要有三个方面：（1）热力型NOx（Thermal NOx），它是空气中的氮气在高温下氧化而生成的NOx。（2）燃料型NOx（Fuel NOx），他是燃料中含有的氮氧化物在燃烧过程中热分解而又接着氧化而生成NOx。（3）快速型NOx（Prompt NOx），他是涌过燃料产生的CH原子撞击空气中的N2分子，生成HCN类化合物，再进一步被氧化而生成的NOx。2）热力型NOx其生成规理由
28、前苏联科学家捷里多维奇（Zeldvich）于1964年提出，因此称为称为捷里多维奇机理，其机理可由一系列不分支链锁反应式来表达14。在高温下生成NO和NO2的总反应式为：（2.1） （2.2）其中，式（2-1）起主导作用，所以NOx的生成与氧原子的存在成正比，随温度的上升，氧原子浓度增大，总的反应速度增大。随着反应温度的升高，热力型NOx生成速度呈指数规律迅速增加。当燃烧温度低于1300时，几乎观察不到热力型NOx的生成，只有当温度高于1300时，热力型NOx的生成才明显起来。燃煤产生的NOx中，热力型NOx占20左右。影响热力型NOx生成量的主要因素是温度、氧浓度及高温区停留时间。因此控制热
29、力NOx生成量的方法概括为：降低燃烧温度水平，避免局部高温；降低氧气浓度；燃烧在偏离理论空气量的条件下进行；缩短在高温区内的停留时间。3）燃料型NOx燃料中的氮含量一般在0.5%2.5%左右，它们通常以原子状态与各种碳氢化合物相结合，形成环状化合物或链状化合物，如喹啉(C5H5N)x，芳香胺（C6H5NH2）等，与空气中的氮相比，其结合键内能量较小，在燃烧时很容易分解出来15。因此，从氮氧化物生成的角度看，氧更容易首先破坏C-N键而与氮原子生成NOx即燃料型NOx。煤燃烧时约75一90的NOx是燃料型NOx。燃料型NOx的生成机理非常复杂，其生成和破坏机理至今仍不是完全清楚。这是因为燃料型NO
30、x的生成和破坏过程不仅和煤种特性、煤的结构、燃料中的氮受热分解后在挥发分和焦炭中的比例、成分和分布有关，而且大量的反应过程还和燃烧条件如温度和氧及各种成分的浓度等密切相关。在一般的燃烧条件下，燃料中的氮有机化合物首先热分解成氰化氢(HCN)、氨(NH3)和CN等中间产物，它们随挥发分一起从燃料中析出，称之为挥发分N。挥发分N析出后残留在焦炭中的氮化合物，称之为焦炭N。在通常的煤燃烧温度下，燃料型NOx主要来自挥发分N，约占燃料型NOx的60一8016。挥发分N中最主要的氮化合物是HCN和NH3。挥发分N中的HCN被氧化的主要反应途径如图所示。HCN被氧化成NCO后，根据所遇到的反应条件，可能有
31、两条主要的反应途径。在氧化性气氛中，NCO会进一步氧化成NO，如遇还原性气氛，则NCO会反应生成NHf。NHf在氧化性气氛中会进一步氧化成NO，成为NO的生成源；在还原性气氛中能把已生成的NO还原成N2，成为NO的还原剂。挥发分N中的NH3被氧化的主要反应途径如图所示。根据这一反应途径，NH3可能作为NO的生成源，也可能成为NO的还原剂。4）快速型NOx快速型N仉是由费尼莫尔(Fenimore)于1971年通过试验发现的，即在碳氢化合物燃料燃烧在燃料过浓时，在反应区附近会快速生成NOx。费尼莫尔根据碳氢燃料预混火焰的轴向NO分布的试验结果，得到费尼莫尔反应机理，由此得出快速型NOx的生成途径如
32、图。生成过程由(a)、(b)、(c)和(d)四组反应构成。在碳氢化合物燃烧时，特别是富燃料燃烧时，会分解出大量的CH、CH2、CH3和C2等离子团，它们会通过反应(a)破坏燃烧空气中N2分子的键而生成HCN、CN等。然后，HCN和CN通过反应(b)与在火焰中所产生的大量O、OH等原子团反应生成NCO。接着按照反应(c)，NCO被进一步氧化成NO。此外，研究还发现，在火焰中HCN浓度达到最高点转入下降阶段时。存在着大量的氨化物(NHf)，这些氨化物会通过反应(d)和氧原子等快速反应而被氧化成NO。快速型NOx的生成途径快速型NOx只有在比较富燃的情况下，即在碳氢化合物CH较多，氧浓度相对较低时才
33、发生，其生成量很小，一般在总NOx排放量的5以下。因它的生成速度快，就在火焰面上形成，欲降低快速型NOx生成量，只要保持足够的氧量供应便可以。研究表明，快速型NOx对温度的依赖性很弱。一般情况下，对不含氮的碳氢燃料在较低温度燃烧时，才重点考虑快速型NOx。2.2.2.2 生物质热解生物质的热解是生物质再燃的第一步反应。热解有两种加热方式：缓慢加热和快速加热。缓慢加热可制取大量焦炭；而快速加热可用于制各液体和气体。对于再燃过程，生物质的热解可以理解为快速热解。影响生物质热解产物的因素是多方面的，如生物质原料的特征(组分、粒径等)和热解反应条件(热解终温、压力、停留时间)，热解反应器形式和材料也会
34、影响生物质热解产物的成分和相对含量。实验研究表明，除生物质本身的特性外，影响气体产率的因素大小依次是加热方式、热解终温、填实率和粒径17。生物质在受热时先进行一级分解，产生焦炭、一次焦油和一次气体；在高温时，一次焦油发生二次分解，产生二次焦油和二次气体，液体产量下降，气体产量迅速增加。焦油产率在550600时达到最大值，随着温度升高，焦油的产率迅速下降，而CO、CH4和H2的产率迅速上升。由此可判断出当温度超过550600时，一次反应已经完成，二次反应产生大量的CO、CH4和H2等，其中CO产量增加很快，因为此时随着温度的升高，发生了气化反应。只有温度超过500时，H2才会析出。随着温度进一步
35、升高，H2的含量继续升高，这一方面与高温阶段的脱氢反应有关，伴随着大分子断裂成小分子都有一定的H2析出：另一方面由初期反应生成的焦炭脱氢生成，而CH4、C2H4、C2H6的含量会逐渐降低。在一定的温度范围内，CH4、C2H4、C2H6的含量会达到最大值，这个温度范围受到其他因素的影响，并且与生物质的种类密切相关。对于木材，在750时，CH4达到析出高峰；当炉膛温度超过750后，CH4、C2H4、C2H6的含量会逐渐降低，H2含量升高的速度加快；对于橄榄油残渣，在550600时，C2H4、C2H6的含量达到最大值18。CO2的变化要复杂一些，由于生物质种类不同，变化规律也不同，但是当温度超过80
36、0以后，CO2的含量将随着温度的升高而降低。2.2.2.3 再燃脱硝技术简介再燃降低NOx 排放的方法是将燃料分级送入炉膛, 在燃烧区火焰的上方喷入另外的碳氢燃料, 以建立一个富燃料区使生成的NOx还原。比较典型的就是, 将80% 85% 的燃料( 称为一次燃料) 送入第一级燃烧区( 主燃烧区) , 在A略大于1 的条件下燃烧并生成NOx。其余15% 20% 的燃料( 称为二次燃料、再燃燃料) 则在主燃烧器的上部送入二级燃烧区( 再燃区) , 在A l 的条件下形成很强的还原性气氛, 在主燃烧区生成的NOx就会通过后面所列的反应式( 1) 式( 5) 被还原成氮分子( N2 ) 19。再燃区中
37、不仅能使已生成的NOx得到还原, 同时还抑制了新的NOx生成, 可使NOx的排放浓度进一步降低。此外, 再燃区的上面还需布置燃尽风喷口以形成第三级燃烧区( 燃尽区) , 以保证在再燃区中生成的未完全燃烧产物的燃尽。图1 为燃料再燃布置示意图。图1 燃料再燃布置示意图在再燃区内，已生成的NO在遇到烃根CH；和未完全燃烧产物CO、H2、C和CnHm时，发生复杂的化学反应： (2.3) (2.4) (2.5) (2.6) (2.7)燃料分级燃烧时所使用的二次燃料可以是和一次燃料相同的燃料, 例如煤粉炉可以利用煤粉作为二次燃料。但目前煤粉炉采用更多的是碳氢类气体或液体燃料作为二次燃料。这是因为燃料分级
38、燃烧时, 燃料需要经过燃尽区后才能完全燃尽, 燃料和烟气在再燃区内的停留时间相对较短, 所以二次燃料宜选用容易着火和燃烧的气体或液体燃料, 如天然气、石油气。国外示范工程的研究表明, 采用天然气再燃烧技术可以实现降低NOx排放大约70%左右。2.2.2.4 再燃燃料种类再燃燃料的选择范围很广，包括固体燃料(煤、生物质)、液体燃料(油)以及气体燃料(天然气和其它烃类气体)从燃料分级燃烧原理可知，在再燃区内的还原性气氛中最有利于NOx还原的成分是烃根(CHi)，因此，选择二次燃料时应采用能在燃烧时产生大量烃根而不含氮类的物质。天然气、油和煤三者相比，天然气中不含燃料氮，是最有效降低NOx排放的再燃
39、燃料。研究还表明，气态烃还原NOx的能力随烃分子中碳原子数目的增加而增加与天然气比较，油在欠氧燃烧时易析出炭，难于燃尽。可用作再燃燃料的煤种主要有褐煤和烟煤，而无烟煤用作再燃燃料，由于其挥发分含量较少。燃尽效果不佳，一般不被采用。煤作为再燃燃料，其最大的优点在于它的经济性和在燃煤电厂中使用的方便性；其缺点是再燃区中的未燃尽焦炭进入燃尽区后会被氧化而重新生成NOx，使NOx的还原效果降低，同时煤作为再燃燃料由于焦炭的未充分燃尽，其飞灰可燃物含量也较高，影响排放质量20。对于一般再燃来说，利用生物质作为再燃燃料，对氮氧化合物的还原作用相似或略好于天然气生物质的脱硝效果比天然气好，其主要原因是由于生
40、物质的挥发分中含有含氮中间物质，这些中间物质能与NO作用形成氮气。同时生物质的灰烬中含有较高的钠和钾，对再燃脱硝具有促进作用。国外工业应用中的再燃燃料主要是天然气，但对我国来说，虽然天然气易于着火、燃尽特性好，本身含氮量低，未完全燃烧损失小，但我国天然气主要集中在中西部地区，大多数电厂都没有稳定的天然气资源，即使有稳定的气源，也因其运行成本较高很难推广。而利用煤粉作为再燃燃料可大大降低再燃系统的运行成本，但煤的着火和燃尽特性较差，再燃燃料的煤粉在炉膛停留时间相对较短，燃烧初期燃烧温度低，又处于欠氧条件，不完全燃烧损失较大。煤的反应性较差，还使煤粉作为再燃燃料时不易形成还原区，NOx还原率较低。
41、我国是农业大国，生物质品种繁多，产量极大。就山东省来说，可利用的生物质有秸秆、稻壳、玉米芯、花生壳、锯木屑等。据统计，我国每年生物质资源总量折合成标准煤约3亿吨。我国直接利用生物质能已有几千年的历史，但利用效率极低。近年来，在一些经济发达的地区，农民大量使用优质高效燃料，用于炊事、取暖，而将农作物秸秆直接放在农田焚烧，既浪费了能源，又污染了环境21。如能将生物质和煤炭燃烧结合起来，开发大规模高效合理利用，对于调整我国能源结构，开辟能源利用新领域，促进环保效益和生态的良性循环，加快国民经济持续稳定发展有其重要的意义。2.2.3 实验装置为了模拟工业锅炉的燃烧情况，采用SK2-6-14型电阻炉（额
42、定功率 6KW、额定电压220V、额定温度1400 炉膛尺寸 60X540 mm）来模拟工业锅炉。能够模拟工业锅炉中的主燃区、再燃区、燃尽区的工作过程。如图2所示图2 固定床试验台电阻炉剖面图固定床实验台整个固定床实验台装置分为四大部分：电加热反应区段，可升降给煤系统、再燃气体供给系统和烟气收集分析装置。图3 电阻炉加热装置示意图1）两段式电加热反应区电加热反应区是固定床实验装置的核心部位，中间是内径为45mm圆柱状石英管，长度为540mm，其中温度维持恒定的石英管长度为300mm。石英管外面是垂直布置的碳硅棒，温度变化范围为室温到1400。可移动的固定床布置在石英管中，石英管下部连接进气装置
43、，上部连接热解气、再燃气体和烟气收集系统，如图3所示。2)可升降给煤系统圆盘型固定床由耐火材料预制烧成，外径为44mm，厚度为2mm，沿直径边缘处有高度为2mm的凸起边框，目的是防止固定床上的煤样掉落；在固定床面上布置直径为2mm的圆孔，空气等助燃气体从小孔中通过。固定床连接在可升降的装置上，通过装置的升降可以确定固定床在石英管中的位置，再考虑到气体进入到石英管中的速度，就可以确定气体在石英管中的停留时间。升降装置与炉体底部连接，密封较好，可升降给煤系统装置如图4所示。图4可升降给煤系统图5 烟气收集分析装置3）烟气收集分析装置从电阻炉中燃烧之后的气体，进入内径为300mm的不锈钢管内，在不锈
44、钢管的水平位置上设置了烟气取样装置的小孔，能够收集并分析气体的成分与含量。管道尾部连接尾气处理装置，将燃烧以后的污染气体处理之后进行排放。如图5所示。2.2.4实验材料2.2.4.1 煤样成分介绍为了计算燃煤锅炉中煤所需要的空气量以及释放的热量，实验采用大同煤作为实验用煤，表6为大同煤的工业分析和元素分析。表6 大同煤的工业分析和元素分析Table 6 Ultimate and proximate analysis of Datong coal工业分析%,ar元素分析%,ar热值MAVFCCHSNO（MJ/kg）8.4216.2824.9850.3261.673.990.721.287.642
45、3.91干燥无灰基 (daf) 挥发分含量v():33.172.2.4.2 再燃气体成分介绍本实验中将会用到玉米芯以及稻壳等作为实验原料。通过文献查阅，得出其生物质气体的气体百分含量。1）玉米芯生物质气气体成分气体成分气体百分比氢气12.3%一氧化碳22.5%甲烷2.3%其他（氮气、二氧化碳）62.9%2）稻壳生物质气气体成分气体成分气体百分比氢气12.0%一氧化碳15.0%甲烷2.1%其他（氮气、二氧化碳）70.9%在实验准备过程中，需按照生物质气体成分组成进行配比，以模拟实验用的生物质气，达到实验目的。2.2.5 实验方法1）温度的确定在实验过程中，温度对于再燃脱硝有着很大的影响，通过文献
46、查阅，发现1100实验温度，效率最高。为此，本实验对温度对再燃脱硝的效率进行验证。确定实验温度为11001300，每50做一次实验，进行比较，确定脱硝效率最高的温度区间并对文献中的温度进行验证。2）气体停留时间的确定根据石英管炉的高度、固定床的位置、进气流量和石英管的直径，可以计算出炉内热解气、烟气的停留时间。结合工业锅炉烟气的停留时间，本实验取的停留时间为0.6s。进气量随温度的不同做适当调整，停留时间由式（2.8）计算得出。（2.8）式中：t-气体停留时间H-固定床到石英管炉顶部的距离V-进入石英管炉的气体流量S-石英管炉的面积3）计算空气量与热量在实验中，需要了解一千克标准煤所需要的理论空气量以及释放的热量。假定1kg煤完全燃烧，空气中的氧和煤中能参加燃烧的氧(固有氧)全部被耗尽，此时所需要的空气量称理论空气量。C +O2 = CO2(2.9)12 kg 22.4m3 22.4m3此式表明，12kgC完全燃烧时，需消耗22.4m3O2 ，并生成22.4m3CO2 ，所以1kg碳完全燃烧消耗的O2为22.4/12=1.8667(m3 )。2H2
