再燃煤粉着火特性及炉内脱硝的实验研究.pdf

上海交通大学 硕士学位论文 再燃煤粉着火特性及炉内脱硝的实验研究 姓名肖佳元 申请学位级别硕士 专业热能工程 指导教师章明川 20090201 摘要 i 再燃煤粉着火特性及炉内脱硝的实验研究 再燃煤粉着火特性及炉内脱硝的实验研究 摘摘 要要 能源消耗的全球性增长与化石能源的大量使用是造成全球环境污染 的重要原因。我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，目前煤炭占我 国能源总需求的 75左右，这样的能源消费结构在今后相当长时期内不 会有太大变化。 煤炭在其开发与利用过程中带来了严重的环境污染问题， 影响着环境、气候和人类的健康。火电厂燃煤产生的 NOx 是氮氧化物排 放的主要来源。 为了解决电站锅炉排放的 NOx 对环境的污染问题，多种控制 NOx 排放的技术应运而生。 煤粉再燃脱硝技术被公认为是降低 NOx 排放的最 有前景的技术之一，特别是超细煤粉再燃还原 NOx 效率高达 50-70， 已成为当前炉内脱硝领域的研究热点。超细煤粉再燃技术不仅有利于煤 粉的燃尽，更主要的是超细煤粉表现出较常规煤粉“超常”的还原活性， 即 NOx 还原效率随粒径变化的依赖关系存在着明显的突变性质。 本文认 为再燃煤粉的着火状态的变化是造成这一突变现象的根本原因。 本文主要采用实验研究和理论分析的方法，在一维炉上对煤粉再燃 脱硝过程及其主要影响因素进行了详细的研究， 结合煤粉着火理论分析， 合理地解释了各种因素对煤粉着火以及脱硝效率的影响机理。研究成果 申请上海交通大学硕士学位论文 ii 将对煤粉再燃的高效脱硝具有重要的指导意义。 本文首先采用居里点裂解器和气相色谱仪对煤粉的快速热解特性进 行了研究。实验发现，煤粉的快速热解失重主要发生在升温阶段，在各 种挥发分组分中，焦油的释放量均最大。烟煤气态挥发分中碳氧化合物 质量分数较高，可作为理想的再燃燃料。煤粉快速热解实验及动力学参 数计算，为建立煤粉颗粒群均相着火简化模型提供了可靠的实验数据和 基础。 其次，本文建立了一维管式炉煤粉再燃实验系统。在一维炉上，构 造低氧浓度的再燃条件，研究神木烟煤的均相着火特性，考察了氧浓度、 煤粉粒径等因素对着火温度的影响。低氧浓度下煤粉均相着火呈现反应 不剧烈，不连续的特点，着火现象的观察判断比较困难。氧浓度对于煤 粉均相着火的影响至关重要，氧浓度越低，煤粉均相着火温度越高，延 迟时间越长。煤粉粒径对均相着火温度的影响表现为均相着火温度随粒 径减小而增大，近似成线性关系。实验研究对于煤粉着火模型的建立和 再燃脱硝实验工作的开展提供了必要的指导。 最后， 本文利用上述的一维热态试验系统， 进行了煤粉再燃还原 NO 的实验研究。通过大量的试验，得出了煤粉细度、再燃温度、过量空气 系数和停留时间等因素对再燃脱硝的影响趋势，并在此基础上总结归纳 了煤粉再燃过程中均相着火、异相着火、均相还原和异相还原的复杂作 用机理，利用着火理论对各因素的影响做出合理解释，得到以下结论 摘要 iii 在一定得粒径范围和较低的再燃温度条件下，由于再燃煤粉着火状态的 变化，脱硝效率随再燃区氧浓度增大呈现非单调变化规律，即呈现一个 不规则的“M”型；总体上增加再燃区温度水平有利于提高煤粉再燃脱 硝效率；煤粉粒径对再燃过程的影响很复杂，粒径在 40μm 以上，脱硝 效率基本上随粒径增大而下降，而 40μm 以下的脱硝效率却要差于 40 μm 以上的工况。 关键词超细煤粉，快速热解，着火模式，均相还原，异相还原 申请上海交通大学硕士学位论文 iv EXPERIMENTAL STUDY ON IGNITION CHARACTERISTICS OF REBURNING COAL AND NO REDUCTION PROCESS ABSTRACT With the global continually-increasing demand of fossil fuel consumption, the problem of pollutant emission has caused widespread concern of the world. China is the biggest coal producing and consuming country in the world. Coal occupies about 75 of the energy requirement annually and this situation will last for a long period. Coal burning has brought serious pollution and threat to environment and human health, which becomes an urgent problem to be solved. Coal combustion in power plant is a major source of NOx. Many control s have emerged as the times require for solving the NOx emission problem. Among these s coal reburning is the most promising technology. Especially due to its high NOx reducing efficiency 50-70, micronized coal reburning technology has drawn much attention of many researcher and a series of exploring research work is carried out. Micronized coal is not only in favor of coal burnout but also has more ABSRTACT v transnormal reducing activity than ordinary coal particles. Thus the NOx reduction efficiency RE transfers noncontinuously with the particle size decreasing as well as oxygen concentration. In this paper, the noncontinuous change of RE is thought to be related with the ignition status of coal particles. When the particles ignite, the reducing matters are consumed and can not react with NOx. Experiment study and theoretical analysis are employed to investigate the mechanism of coal reburning process and the influence of some key factors. The experiments are pered in a 1-D reactor system. Combined with coal ignition analysis the impact mechanism of various factors on the ignition status as well as RE are explained reasonably. Firstly, the fast pyrolysis characteristics of three kinds of micro-pulverized coal were investigated by using curie-point pyrolyzer and gas chromatography. The experiment results show that the weight loss of coal mainly occurs in the temperature rising stage. The mass fraction of tar is ranked first in volatiles for both bituminous coal and anthracite, which exceeds 50 for bituminous coal. Besides in the volatile matters the mass fraction of carbon oxides in bituminous coal is higher than anthracite. Bituminous coals are better as reburning fuel. According to pyrolysis experiment, the single-equation model is employed to calculate the heating 申请上海交通大学硕士学位论文 vi rates, the frequency factors and the activation energy, which provides foundation for the further research on the simplified ignition model and reburning work. A 1-D coal reburning furnace is built up in this paper. The ignition characteristics of shenmu bituminite particles are experimentally studied under reburning condition and the effect of oxygen concentration and particle sizes on the homogeneous ignition temperature HIT are studied. The experiment indicated that the homogeneous ignition process of pulverized coal under low oxygen condition was week and discontinuous without strong flash. O2 concentration is a key factor for homogeneous ignition of coal cloud. With O2 concentration decreasing, the HIT increases exponentially. The lower O2 concentration is, the higher HIT is measured and the longer ignition delay time is obtained. The influence of particle sizes suggests that HIT increases with the sizes decreasing. This investigation shows some guidance to coal ignition simulation work and to optimize coal reburning process. Finally the experimental investigation on reburning of NOx is carried out on the furnace system. The influence of some factors such as particle sizes, reburning temperatures, the stoichiometric ratio of O2 to reburning fuel SR and resident time are studied. Base on the analysis of coal homogeneous ignition, heterogeneous ignition, NO homogeneous reduction and ABSRTACT vii heterogeneous reduction, the results indicate that NO reduction efficiency RE varies non-monotonically with SR values. The higher reburning temperature is helpful for NO reduction on the whole. The effect of partice size on the ignition status and NO reduction is very complicated. The reduction efficiency increases as particle size decreases above 40m. But the RE of particles under 40m is lower than the situation above 40m. KEY WORDS micronized coal, fast pyrolysis, ignition mode, homogeneous reduction, heterogeneous reduction 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名肖佳元 日期 2009 年 02 月 14 日 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密保密□，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密□ 不保密□ √√。 （请在以上方框内打“√√” ） 学位论文作者签名肖佳元 指导教师签名章明川 日期2009 年 02 月 14 日 日期2009 年 02 月 14 日 本文承蒙 国家自然科学基金项目“煤粉再燃脱硝临界现象的实验研究及其 模化”50476018 和国家重点基础研究发展计划项目（973） “燃 烧与电催化氧化联合脱除的研究”2006CB200303资助，在此表 示感谢。 第一章 绪论 1 第一章 绪 论 第一章 绪 论 1.1 课题背景及意义 1.1 课题背景及意义 煤炭是世界上最丰富的化石燃料资源，占世界化石燃料储量的 70左右。目前 煤炭约占世界一次能源消费的 30。我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，在 我国的能源构成和消费中，煤炭占有十分重要的地位，中国统计年鉴（2005 年） 中能源消费总量及比重（表 1.1）显示，自 2000 年至 2004 年，煤炭在能源消费总量 中所占比重逐年提高，目前煤炭占我国能源需求总量的 75左右，以煤为主的能源 构成在今后相当长的时期内不会改变。近年来我国经济快速发展，对电力等需求大 幅度地增加。火力发电作为目前我国电力行业的主力军，其对煤炭的需求也大大增 加。预测到 2050 年，我国的煤炭消费绝对量将达到 30-40 亿吨/年[1]。煤的燃烧在给 人类提供能源的同时，也产生大量的污染物质，其中主要包括硫氧化物、氮氧化物、 碳氧化物和烟尘。特别是 NOx，它不仅会破坏人类的呼吸系统、神经系统，危害人 体健康，还是主要的温室气体，会造成酸雨、光化学烟雾、破坏生态环境。这些对 人类身体健康和社会的可持续发展产生了巨大的威胁。如果不采取有力措施，环境 污染问题会日趋严重。因此，寻找新的经济有效的方法控制污染物的排放，已成为 全世界广大科技工作者面临的新课题。 表 1 能源消费总量及构成 Table1.1 The consumption and composition of energy in China 占能源消费总量的比重（） 年份 能源消费总量（万 吨标准煤） 煤炭 石油 天然气 水电 2000 106988 66.6 21.8 3.4 8.2 2001 120900 68.6 19.4 3.3 8.7 2002 138369 71.2 17.3 3.1 8.4 2003 159912 74.5 15.1 2.9 7.5 2004 184600 75.6 13.5 3 7.9 申请上海交通大学硕士学位论文 2 1.2 NOx 的危害及排放标准 1.2 NOx 的危害及排放标准 煤燃烧产生的氮氧化物包括 N2O、NO、NO2、N2O3、N2O4、N2O5等，其中前三 种是主要物质，通常说的 NOx，主要指 NO、NO2和 N2O。在电站锅炉燃烧排放中， NO 的生成量占总氮氧化物总量的 90以上，NO2占 510，N2O 仅占 1左右。 NO 是一种无色、无刺激、不活泼的气体，它在大气中受太阳光作用很快被氧化 成为 NO2。与一氧化碳类似一氧化氮与血液中的血红蛋白的亲和力也较强，可结合 成亚硝基血红蛋白和亚硝基铁血红蛋白，因而会使血液的输氧能力降低，引起缺氧 发疳症状。对于正常人来说，一般容许一氧化氮的最高体积百分数为 2510 －6。若 发生高浓度的一氧化氮的急性中毒，则会迅速产生水肿，甚至导致窒息死亡[2]。 而 NO2是棕红色、有强烈刺激性的气体。NO2毒性很大，约 5 倍于 NO。NO2 对人体呼吸器管粘膜有强烈的刺激作用，引起肺气肿和肺癌，此外 NO2对人体的心、 肝、 肾和造血组织等都有损害。 NO2浓度达 1 ppm 时， 某些植物便会受害， 达到 200ppm 时，人会瞬间死亡。 N2O 是一种有毒的无色气体，俗称笑气。是一种非常稳定的化合物，其在大气 中的寿命可以超过一个世纪。由于笑气吸收红外辐射，是造成温室效应的气体，并 且会造成臭氧层的变薄。 此外，大气中的氮氧化物和挥发性有机物VOC，主要是指除甲烷以外的挥发性 有机物，达到一定浓度后，在太阳光照射下，经过一系列复杂的光化学氧化反应， 可生成含有臭氧、PAN过氧乙酰硝酸酯、丙烯醛、甲醛等醛类、硝酸酯类化合物的 “光化学烟雾” 。光化学烟雾是一种具有强烈刺激性的淡蓝色烟雾，可使空气质量恶 化，对人体健康和生态系统造成损害。光化学烟雾刺激人的眼、鼻、气管和肺等器 官，使人发生眼红流泪、气喘咳嗽、头晕恶心等症状。 1943 年，美国洛杉矶市发生了世界上最早的光化学烟雾事件。此后，在北美、 日本、澳大利亚和欧洲部分地区也先后出现这种烟雾。1970 年，美国加利福尼亚州 发生光化学烟雾事件，农作物损失达 2500 多万美元。1971 年，日本东京发生了较严 重的光化学烟雾事件，使一些学生中毒昏倒。同一天，日本的其他城市也有类似的 事件发生。此后，日本一些大城市连续不断出现光化学烟雾[3]。 如上所述，电站锅炉燃烧中产生的氮氧化物，严重影响人类的健康与生存。为 此， 许多国家制定了非常严格的 NOx 排放法规。德国在 1984 年就限定 300MW 及以 上的燃煤机组 NO 排放量不得超过 200mg/Nm3； 日本从 1987 年起实行的排放标准为 410mg/Nm3；前苏联从 1993 年起执行的排放标准为 240mg/Nm3[4]。近几年世界各国 第一章 绪论 3 对于 NOx 的排放标准更趋于严格。欧盟最新的 NOx 排放限度已成为法律条文，规 定300MW以上容量的新电厂锅炉必须达到200mg/Nm3的排放标准。 美国环保署EPA 制定了 22 个州的 NOx 排放量要降低 25的计划，基本要求是 2003 年 22 个州的公 用事业发电厂在 5-9 月的“臭氧季节”期间必须达到 190mg/Nm3的排放标准[5]。 长期以来，我国对 NOx 污染问题的重视不够，制定的标准起步较晚，与国际上 先进国家有较大的差距。随着国民经济的飞速发展，国家政府和人民群众环保意识 的日益提高，NOx 对环境的污染已越来越引起我国有关部门的高度重视。国家环保 总局在 1996 年 3 月 7 日颁布的火电厂大气污染排放标准 （GB13223-36）中明确 规定， 蒸汽量在 1000t/h 以上的中固态排渣煤粉炉的 NOx 排放不得高于 650mg/Nm3， 液态排渣煤粉炉不得超过 1000mg/Nm3。并在 2004 年 1 月 1 日又颁布实施了火电 厂大气污染排放标准 （GB13223-2003）[6]，对火电厂燃煤锅炉 NOx 的最高排放允 许排放浓度限值根据燃煤挥发分的高低有所不同，见表 1.2。从 2004 年 7 月开始逐 步对火电厂征收氮氧化物排放费。北京从 1999 年 5 月 1 日开始实施的北京市地方环 境标准燃烧锅炉氮氧化物排放标准中明确要求所有在京新建电站锅炉，NOx 排 放量必须低于 550mg/Nm3，2003 年又出台了更为严格的火电厂污染物排放标准 ， 要求北京地区的火电厂在 2005 年 11 月以后低于 NOx 排放量低于 250mg/Nm3。当前 我国仍有许多电厂不能满足现行排放标准， 这就要求采取有效措施来降低 NOx 排放。 表 1.2 火力发电锅炉及燃气轮机组氮氧化物最高允许排放浓度（单位mg/m3） Table1.2 NOx emission limit for coal-fired boilers and gas turbine power plants 时 段 第 1 时段 第 2 时段 第 3 时段 实施时间 2005 年 1 月 1 日2005 年 1 月 1 日 2004年1 月1 日 V daf＜10 1500 1300 1100 10≤Vdaf ≤20 650 燃煤锅炉 Vdaf ＞20 1100 650 450 燃油锅炉 650 400 200 燃油 150 燃气轮机组 燃气 80 1.3 NOx 排放控制技术概述 1.3 NOx 排放控制技术概述 与燃料 S 在燃烧中几乎全部转化为 SO2不同，NOx 的生成则更多地受到燃烧过 程特性的影响。研究和实践都表明，氮氧化物的排放量与燃烧过程的组织方式有密 申请上海交通大学硕士学位论文 4 切关系，氮氧化物是能通过燃烧技术措施的改进而得到控制的。目前控制氮氧化物 的方式分为炉内低 NOx 燃烧技术和烟气脱硝技术两大类[7]。 炉内低 NOx 燃烧技术又 称为炉内脱氮技术，包括空气分级燃烧、燃料再燃、烟气再循环、低过量空气燃烧 和低 NOx 燃烧器等。 它们的基本思路是 通过各种技术手段抑制燃烧过程中 NOx 的 生成，或设法构造低氧的还原区域，使已生成的 NOx 部分还原，采用这些技术能使 NOx 生成量显著降低以满足更严格的排放标准。烟气脱硝技术包括干法烟气脱硝技 术、湿法烟气脱硝技术等，是在炉膛出口和烟囱之间的尾部通道，对已生成的 NOx 进行脱除。 1.3.1 低 NOx 燃烧技术 1.3.1 低 NOx 燃烧技术 为了控制燃烧装置排放的 NOx 对环境的危害， 国外从 50 年代起就开始了对燃烧 过程中 NOx 生成机理和控制方法的研究。从 70 年代末到 80 年代，低 NOx 燃烧技 术的研究和开展达到高潮，涌现了一大批降低 NOx 排放的实用技术。 1.3.1.1 低过量空气燃烧（LEA） [8,9] 该技术使燃烧过程尽可能地在接近理论空气量的条件下进行[10-13]。 随着烟气中过 量氧的减少，可以抑制 NOx 的生成，这是一种最简单的降低 NOx 排放的方法。一 般来说，采用低过量空气燃烧可以降低 15左右的 NOx 排放量。但是采用这种方法 有一定的限制条件，如炉内氧的浓度过低时，会造成 CO 浓度的急剧增加，从而增 加化学未完全燃烧热损失和飞灰含碳量增加，导致燃烧效率降低。 1.3.1.2 空气分级燃烧[14,15] 空气分级燃烧是美国在上世纪 50 年代首先发展起来的，它是目前使用最为普遍 的低 NOx 燃烧技术之一[16,17]。空气分级燃烧的基本原理是将燃料的燃烧过程分阶段 来完成。第一阶段，将从主燃烧器供入炉膛的空气量减少到总燃烧空气量的 70-75，燃料在富燃料条件下燃烧，降低了主燃烧区内的燃烧速度和温度水平， 而且在还原性气氛中降低了 NOx 的生成量。第二阶段，剩余空气则通过布置在主燃 烧器上部的专门的空气喷口 OFA Over Fire Air 送入炉膛，在富氧条件下完成全部 燃烧过程。此种方法可以降低 30-40的 NOx 排放量。但若第一级和第二级的空气 比例分配不当，或炉内混合条件不好，仍然会增加不完全燃烧损失以及结渣、受热 面腐蚀等问题。 1.3.1.3 烟气再循环 烟气再循环的基本过程为在锅炉的空气预热器前抽取一部分低温烟气，或直 第一章 绪论 5 接送入炉膛，或与一次风、二次风混合后送入炉内。这样不但可以降低燃烧温度， 而且也降低了氧气浓度，因而可以降低 NOx 的排放浓度。试验表明，当烟气再循环 率为 15-20时，煤粉炉的 NOx 排放浓度可降低 25左右。 采用烟气再循环法时，烟气再循环量的增加是有限度的。由于循环烟气量的增 加，燃烧会趋于不稳定，而且未完全燃烧热损失会明显增加。因此，电站锅炉的烟 气再循环率一般控制在 10-20左右。由于采用烟气再循环时要加装再循环风机、 烟道，系统复杂，从而增大了投资。 1.3.1.4 低 NOx 燃烧器 煤粉燃烧器是锅炉燃烧系统中的关键设备，它保证燃料稳定着火、燃烧和燃料的 燃尽等过程。从 NOx 的生成机理看，占 NOx 绝大部分的燃料型 NOx 是在煤粉的着 火阶段完成的。因此，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，在煤粉的着火阶段就抑制了 NOx 的生成，具有这种功能的燃烧器就是低 NOx 燃烧器。一般各种不同类型的低 NOx 燃烧器可以使 NOx 的排放量降低 30-50左 右。为满足日益严格的 NOx 排放标准的要求，世界各大锅炉公司分别开发了各种不 同类型的低 NOx 燃烧器， 如德国斯坦谬勒Steirunuller公司设计的 SM 型和 MSM 型 低 NOx 燃烧器；美国巴布科克威尔科克斯B日本三菱公司的 PM 型低 NOx 燃烧器；美国福斯特惠勒Foster Wheeler公司的 CF/SF 燃烧器等[3]。 1.3.1.5 燃料再燃技术 燃料再燃技术又称为燃料分级或炉内还原技术（In-Furnace NOx Reduction）， 它是降低 NOx 排放的诸多炉内方法中最有效的措施之一[4,8,18-23]。采用再燃技术时， 在炉膛可以近似地划分为三个区域 主燃区、 再燃区和燃尽区。 其原理如图 1.1 所示， 燃料分级送入炉膛，在燃烧区火焰上方构造一个富燃料的还原区域，将 NOx 最终转 化为 N2。 一般将 75～85的燃料送入主燃区， 在空气过量系数α1的条件下燃烧， 其余15～25的燃料作为还原剂在主燃烧器的上部某一合适位置喷入形成再燃区， 再燃区空气过量系数α1 再燃区a1 再燃燃料 二次风 主燃燃料 烟气 第一章 绪论 7 们在一个墙式燃烧锅炉进行的再燃实验中，用天然气代替部分煤粉作为再燃燃料时， 还可降低CO2的排放约6-8，美国能源部的“洁净煤技术”计划也包括再燃技术， 其示范项目分别采用煤或天然气作为再燃燃料，NOx排放减少30-70。在日本、 美国和欧洲，再燃技术大量应用于新建电站锅炉和已有电站锅炉改造，在商业运行 中取得良好的环境和经济效益。我国再燃烧技术的研究和应用起步较晚，随着环保 要求的不断提高， 发展适合我国国情的低成本再燃低NOx燃烧技术具有良好的前景。 1.3.2 烟气脱硝技术 1.3.2 烟气脱硝技术 烟气脱硝技术是根据NOx具有可氧化、还原和吸附的特性所采取的脱硝方法， 包括干法烟气脱氮和湿法烟气脱氮[4,8,31-33]。干法技术是采用还原剂NH3、CH4、H2、 CO等将NO和NO2还原成N2的技术，主要包括选择性非催化还原Selective Non-Catalytic Reduction，SNCR技术和选择性催化还原Selective Catalytic Reduction， SCR技术等。湿法技术即氧化法，是将NO先氧化成NO2，然后使NO2溶于水而变 成硝酸的技术。 1.3.2.1 选择性催化还原技术 选择性催化还原技术采用NH3作为还原剂在催化剂作用下将NOx还原成N2。 因为NH3具有选择性，在一定的温度范围内，它只和NOx发生反应，而不与烟气中 的氧进行反应，对烟气脱硝极为有效。选择性催化还原法在西欧和日本得到广泛应 用， 德国和日本的大多数300MW以上的电站锅炉都采用此技术进行脱氮。 利用SCR 技术能够获得80-90的脱硝率，但是需要价格昂贵的催化剂，运行费用很高。 1.3.2.2 选择性非催化还原技术 选择性非催化还原技术也是利用NH3作为还原剂将NOx还原成N2，不同的是 反应过程没有催化剂参与，所以反应的温度更高，大约为900℃-1000℃。温度太低 反应进行得非常缓慢，当温度超过1000℃以上时，一部分的NH3又会被氧化成NO， 使脱硝效率明显下降。在实际锅炉运行中选择性非催化还原法的脱氮效率只有50 左右。一方面是因为在最适宜脱氮反应的有效温度范围内气体停留时间较短，另一 方面是由于在大量的燃烧气体中快速地喷入氨气，很难实现良好地混合效果。 综上所述，炉内脱硝技术具有设备简单、投资和运行费用低，便于电厂改造的优 点，但是其中除再燃技术外，各种技术的脱硝效率一般都比较低，难以适应越来越 严格的排放标准。特别是在燃用低挥发分的无烟煤﹑贫煤和劣质烟煤时，因为要考 虑其着火的稳定及燃尽，限制了这些低NOx燃烧技术的推广。烟气脱硝技术包括选 申请上海交通大学硕士学位论文 8 择性催化还原 （SCR） 和选择性非催化还原 （SNCR） 虽然效率较高 （可达90以上） ， 但由于存在着反应温度窗口较窄（SNCR） ，需要昂贵的催化剂（SCR）以及需要增 加装置和占用空间等不利因素，导致成本较高，因而其应用受到较大限制。根据我 国目前的国力，在今后一段时期内，对电厂NOx排放的控制主要还应立足于低NOx 燃烧技术。燃料再燃技术特别是煤粉再燃技术不但可以使NOx的排放量降低50以 上，同天然气再燃技术相比，初投资较小，设备简单、运行费用较低，是最具有发 展前途的NOx控制技术。 1.4 煤粉再燃技术的研究概况 1.4 煤粉再燃技术的研究概况 1.4.1 煤粉再燃还原 NOx 的实验研究 1.4.1 煤粉再燃还原 NOx 的实验研究 以煤粉作为再燃燃料的实验研究，主要考察各项因素包括再燃煤种、煤粉含 氮量、再燃区温度、再燃区停留时间、再燃区过量空气系数、再燃区初始NO浓度、 再燃燃料比、再燃煤粉细度以及再燃区气固混合状态对再燃脱硝的影响，目前的研 究主要集中于褐煤和挥发分含量较高的烟煤[34-47]。煤粉通过两个途径对NOx进行还 原，一是煤中的挥发分物质与NOx间均相反应，在还原性气氛下还原NOx; 二是煤 粉脱挥发分后形成的煤焦与NOx发生异相反应还原NOx。挥发分还原NOx主要是 通过挥发分物质中CHi、NH3、HCN等与NOx反应[36]。煤焦与NOx的反应则与煤 焦的物理化学特性密切相关。 Hartmut Spliethoff [45] 在一个20kW实验台上对空气分级和再燃进行实验研究， 结果表明，当主燃燃料为烟煤时，采用再燃技术时的NOx排放低于空气分级技术， 而当主燃燃料为褐煤时，采用再燃技术时的NOx排放高于空气分级技术。文章还考 察了再燃区停留时间、温度和再燃燃料类型对于NOx排放的影响规律，较长的再燃 区停留时间和较高的再燃区温度有利于NOx的减排。 J.P. Smart [25]等研究了再燃燃料特性对再燃效果的影响，在其实验中使用一种高 挥发分烟煤作为主燃燃料，并分别使用两种高挥发分烟煤、天然气、重燃料油和焦 炉气作为再燃燃料。未加控制时NO排放为1328ppm，采用再燃技术后，NO排放可 降低到103K/s） ，两种着火模式将向联合着火即挥发分 火焰直接引燃炭骸的着火方式转变。 4.2.4 煤粉着火的数学模型研究 4.2.4 煤粉着火的数学模型研究 均相着火的数学模型首先由Annamalai和Durbetaki[9]提出了火焰层均相着火模 型，以绝热条件为着火依据。Gururajan[10]则认为挥发分着火是在整个颗粒边界层内 反应的，因此提出边界层均相着火模型，采用准稳态假设，考虑了每粒表面焦炭的 氧化反应。后来许多学者又提出了基于非稳态的着火模型[11,12]，这些模型对机理认 识和工程应用很有价值，但计算量太大。也有一些学者致力于简化模型的建立，如 国内学者章明川[13]、傅维镳[8]等则对详细的均相着火模型进行简化，发展了更适合 工程应用的简化计算模型。 非均相模型发展比较成熟，一般采用Semenov热力着火理论，它一开始就很好 地预测了各种因素对着火的影响。许多学者在热力着火理论的基础上关于碳粒表面 的化学反应以及动力学假设的不同分别提出了各自的数学计算模型[9,14-16]。 虽然对单颗粒煤的研究有助于认识煤粉着火和燃烧的基本过程，但是其研究结 第四章 再燃条件下煤粉均相着火特性的实验研究 45 果却很难直接应用到大多数实际煤粉气流的燃烧过程中。实际煤粉气流的燃烧过程 中煤粉浓度较高，存在着颗粒之间的相互影响，一般来讲煤粉浓度越高，着火越容 易，着火温度也越低[17,18]。 煤粉颗粒群区别于单颗粒煤粉的最大特点在于煤粉浓度效应，关于煤粉气流着 火的实验研究[19-21]和数学模型结论也有不少[22-26]。煤粉颗粒群的研究方法，比采用 单颗粒模型更能合理地解释实际煤粉着火过程。 4.3 实验工况和实验