层燃锅炉焦炭氮转化的调控机制研究

发布时间：2020-06-06 22:17

【摘要】：层燃锅炉是我国工业蒸汽、冬季供暖的重要设备。2017年国家颁布的《北方地区冬季清洁取暖规划(2017-2021)》明确规定,到2021年供热锅炉实现NO_x超低排放。因此,如何从源头控制层燃锅炉NO_x排放、提高超低排放的经济性和系统稳定性成为行业关注的热点。层燃过程具有显著的分区段燃烧特性,存在典型的化学动力、过渡、扩散三种控制过程;如何在宽筛分煤种条件下,同步实现层燃锅炉燃烧效率提高和NO_x排放降低是问题的难点,也是技术突破的关键。为此,本文提出了燃烧优化、局部烟气再循环、渗氮改性半焦异相催化还原等技术路线,针对“层燃工业锅炉低氮燃烧技术”中涉及的技术问题开展了如下研究:首先,在小尺度单元体悬挂固定床试验系统上,以神华烟煤热解焦炭为研究对象,采用焦炭掺混石英砂的方式进行试验研究。通过改变焦炭/O_2比,分析焦炭层燃过程中氧化层和还原层的变化趋势,研究焦炭氮(焦炭N)的迁移路径和转化规律,并佐以红外热像仪在线测量焦炭层迎风面(氧化层)和背风面(还原层)的表面温度。结果表明:完整的氧化层决定焦炭层的分层情况,还原层决定NO释放和焦炭N转化规律;焦炭层的传热和焦炭-CO_2气化反应决定氧化层、还原层表面温度变化趋势的不同。其次,在水平管式炉试验系统上对神华烟煤热解焦炭进行二次气化处理(气化介质为CO_2),获得扩散控制区不同转化率的气化焦炭,研究还原层CO_2气化反应对焦炭N转化规律和焦炭燃烧的影响。通过将焦炭孔隙结构、石墨化程度与焦炭-NO反应性相关联,明确焦炭N转化与焦炭理化特性之间的内在联系,获得气化焦炭还原NO和气化焦炭燃料氮向NO转化的规律,同时考察CO_2气化反应对焦炭各项反应特征参数的影响。研究发现:对焦炭进行CO_2气化处理,可以改善其孔隙结构,也会增大其石墨化程度;在惰性气氛下会强化焦炭对NO的还原能力,在燃烧条件下会提高其焦炭N转化率;长时间的CO_2气化处理不利于焦炭的稳定燃烧。再次,针对局部烟气再循环条件下一次风O_2浓度低通量高的特点,提出以O_2通量作为关键考察因素的试验手段,研究O_2通量,CO、CO_2和循环型NO浓度对焦炭层燃过程中氧化-还原分层及焦炭N转化规律的影响。以氧化层和还原层质量占比为切入点,对比分析循环烟气气相组分对焦炭层燃过程中NO释放的促进和抑制关系。结果表明:O_2通量的增加会降低还原层比重,促进焦炭NO的释放;CO和CO_2浓度的增加会降低氧化层的NO释放,但对整个焦炭层的影响不大;循环型NO的存在可以显著降低NO释放。然后,针对层燃过程中大颗粒焦炭外表面包裹灰层的特点,采用一维燃烧试验方法考察两种高灰热解焦炭(内蒙古焦炭和朔州焦炭)燃烧过程中灰层生长的影响,推断灰层剥落后焦炭燃烧反应条件的变化趋势。通过研究高灰热解焦炭在不同燃烧反应条件下的焦炭N转化率,获得灰层剥落对焦炭NO释放的影响。结果表明:灰层剥落的影响可以等效于反应温度,O_2浓度和环境中NO浓度的上升;反应温度和O_2浓度对不同煤种的焦炭N转化率的影响并不一致,外部NO对焦炭NO释放的抑制效果显著。随后,在一台采用提前配风方式的29MW链条炉排锅炉上进行工业试验,研究局部烟气再循环技术对锅炉负荷和NO排放的影响。结果表明,从2号风室通入7%-10%循环率的循环烟气,可以提高锅炉负荷约3MW,降低NO排放26.96%。最后,采用尿素水溶液浸渍干燥和水平管式炉内惰性气氛高温处理的方式,通过调整尿素担载质量和高温处理时间,对神华烟煤热解焦炭进行不同程度的渗氮改性,分析焦炭中氮元素(N)含量、N的表面/内部富集情况和焦炭孔隙结构的演变,研究不同反应条件下渗氮改性对焦炭还原NO的影响机制。结果表明,惰性气氛下,所有渗氮焦炭对NO的还原能力都高于原始焦炭;不同渗氮焦炭对NO还原能力的差异,主要源于三方面因素的耦合作用,分别是碳氮络合物C(N)含量的增加,N的表面富集,以及焦炭孔隙结构的堵塞。
【图文】：

示意图,转化路径,层燃,燃煤烟气

烧中更容易分解氧化，因此一般煤燃烧中 75%-95%以上的 NOx是对于层燃而言，，由于其燃烧温度较低，因此认为燃料型 NOx是产途径，并强烈依赖于过量空气系数（化学当量比）。而燃煤烟气中主要成分，所以在层燃的研究中，燃料型 NO 是关注的重点。 1-1 是煤中氮元素（N）的转化路径示意图。

煤分子结构,含氮官能团,单元

图 1-2 煤分子结构单元中的含氮官能团.1-2 Nitrogen functional groups in molecular structural unit of
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X701;TK229.61

【参考文献】