高水分煤在流化床中燃烧时NOx的排放特性

热能动力工程990316

JOURNAL OF ENGINEERING FOR

THERMAL ENERGY

AND POWER

1999年 第14卷 第3期 No.3 Vol.14 1999

高水分煤在流化床中燃烧时NOx的排放特性*

魏小林　田文栋　盛宏至

［摘要］　通过数值计算，研究了高水分煤在流化床中燃烧时NO的排放特性及其形成的主要影响因素。结果表明煤中的水分、床内的CO浓度和空－燃比等都对于NO转换率有较大影响。随着床内水分的增加，使得CO的浓度增加，导致NO转换率下降。当空－燃比下降时，NO转换率也减少。对于NO生成和还原反应的累积反应速率表明，影响NO排放的主要因素是床内CO的浓度及焦炭的含量，而H2对NO的反应影响不大。

关键词　流化床燃烧　高水分煤　NO排放　数值计算

中图分类号　TK16∶O643

1　引言

　　我国有大量的高水分煤(褐煤)，另外洗煤厂每年要产生几千万吨的煤泥。随着大规模洗煤厂的增加，煤泥量每年都在快速增长。煤泥含有大量的水分(有时高达70%)，热值很低，很难有效利用，而且排放时占用大量土地，严重污染环境。这些高水分煤的高效低污染燃烧对资源的合理应用和环境保护都有重要意义，具有明显的经济和社会效益。

　　流化床燃烧高水分煤的研究已有多年历史［1～4］。对于燃料的凝聚、结团、结渣等特性研究较多，而对于水分发生较大变化时，NOx的排放特性等则研究较少。本文通过数值计算研究了高水分煤在鼓泡流化床中燃烧时NOx的排放特性，并得到了影响NOx生成和还原反应的主要因素。

2　NOx反应动力学模型

　　流化床中NOx的主要成分是NO，而NO的形成过程是相当复杂的［5，6］，包括许多生成和还原反应(见图1)，涉及到的基本反应可能有上百之多。通常只在详细研究NO生成机理时，才对于包括每个基本反应的NO形成过程进行数值计算。而对于实际燃烧装置中NO的排放特性预测一般只考虑其中最重要的几个反应，这样可以抓住影响NO排放的主要因素，减少了计算的复杂性，有利于分析试验工况对于NO排放的影响程度。

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图1　流化床中NO生成和还原反应的基本过程

　　在分析NO的生成途径时，做了以下假设：一是在NO反应模型中忽略了热力NO的反应过程，这是由于流化床中通常的燃烧温度在800℃～900℃左右，热力NO在流化床中的生成量极少；二是在燃料NO的计算模型中，假设挥发分N以NH3的方式析出，这是由于缺乏HCN或其它挥发分N成分的反应资料，而NH3的反应机理比较清楚；三是假设焦炭N在流化床燃烧过程中氧化成为NO，这是由于焦炭NO的生成机理非常复杂，目前还正在研究之中，而且焦炭NO只占整个燃料NO的10％～20％，考虑到鼓泡流化床的燃烧特点(焦炭主要在床内燃烧)，这样的假设是可以接受的。

　　在以上的假设基础上，根据Johnsson对于流化床中NO的反应模型的详细分析［7］，采用了7个均相和非均相的反应方程来计算NO的生成和还原反应，表1给出了反应动力学模型中的反应式、速率的表达式及常数等。这些数据和表达式中的一部分由文献直接给出，另一些由Johnsson对于文献中的实验数据归纳计算得到［7］。同时，Johnsson还分析了由文献得到的各个反应方程的活化能、反应级数、温度范围和浓度水平对于流化床中的NO生成和还原反应模拟计算的影响，指出有些反应还缺乏适合于流化床工况的试验数据。

　　由于所有反应动力学数据的数量级均小于流化床中燃烧速率的数量级，因此可以忽略气体传质对于计算的影响。

表1　流化床中NOx生成反应动力学模型中的反应式、速率的表达式及常数等

序

号反　应催化剂反应速率式速率常数文献

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k1＝2.1exp（－13 100／T）kmolS－

1m－2MPa－1

1

NO＋CO→1

／2N2＋CO2

焦炭

k2＝73.104exp（－9 500／T）kmolS

－1m－2MPa－1

［8］

k3＝0.015exp（－20 100／T）kmolS

－1m－2

k＝FSρcharηm－1

NO＋Char→1气固粒2／2N＋CO

子23

NO＋2／

3NH3→5／均相气

体

6N2＋H2ONO＋H2→1／2N2＋H2ONH3＋5／

焦炭

－rNO＝kCNO－rNO＝kCNOCNH3

k＝3.5.1014exp（－29 700／T）S－1［10］k＝2.3.1028exp（－60 000／T）m3kmol－1S－1

［11］

4

－rNO＝kCNOCH2

k＝4.6Texp（－12120／T）m3kmol

［12］－1S－1

k＝4.975.1012exp（－15000／T）

［9］m3kmol－1S－1

k＝4.129.108exp（－15000／T）S－1k＝2.3.1028exp（－60000／T）m3kmol－1S－1

［11］

54O2→NO＋3

／2H2O均相气

体

2NH3＋3／6

2O2→N2＋3H2O

焦炭

焦炭

rNO＝kCNH3CO2 rNO＝kCNH3rNO＝kCNH3CO2－rNH3＝kCNH3CO2 －rNH3＝kCNH3

k＝1.642.1013exp（－15000／T）

［9］m3kmol－1S－1

k＝1.244.109exp（－15000／T）S－1

3　反应器模型

　　在计算时采用上节的反应动力学模型，并把流化床假设为一个简单的反应器。计

算结果可以与不同试验工况的NO排放量进行比较，从而可以得到煤中水分对于NO排放的影响，而且可以得到不同反应对于NO生成量贡献的大小，从而找到对NO生成量起最大作用的反应。

　　反应器模型采用单相平推流模型，气固两相反应的浓度表达式如下［7］： 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（1）

　　均相反应的浓度表达式如下：

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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（2）

　　流化床中的NO和NH3浓度由上两式计算得到，计算时一些气体的浓度(如O2、CO等)作为输入参数给出，H2的浓度用下面的反应式计算：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　C＋H2O→CO＋H2　　　　　　　　　　　　

　　　　　（3）

　　在计算中，认为O2浓度在床内沿高度方向线形衰减，CO浓度由测量得到，并认为床内各处的CO和H2的浓度一致。假设挥发分N与焦炭N各占50%，NO和NH3的初始浓度由此给定。计算的工况条件如表2所示。

　　表2　NO生成和还原数值计算的工况条件

工　　况

空—燃比水分，%温度，℃

表观气流速度，m／s流化后的床高，m床内颗粒空隙率

总燃料N转换为NO时的排放浓度，mg／m3（6％O2）

挥发分N所占比例，%床内焦炭容积份额，%出口氧气浓度，%气体浓度，%

A1.3371.668301.8560.210.551758502.57.600.3930.03

B1.402257901.8300.210.551618502.58.180.8770.03

C1.186257251.5530.210.552114502.52.055.00.02

D1.820258251.7850.210.551370502.510.50.5130.04

E2.203257501.6050.210.551128502.514.60.2940.04

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4　计算结果和讨论

　　计算的工况条件与试验一致，NO的计算结果可以同流化床中高水分煤的燃烧试验结果［13］进行比较。表3给出了计算的NO排放量与实际测量值，可见两者比较接近。 　　影响流化床NO排放量的因素很多，通过计算发现煤中的水分、床内的CO浓度和空—燃比等都对于NO转换率有较大的影响。高水分煤在流化床中燃烧时，随着床内水分的增加，由于水煤气反应，使得CO和H2的浓度增加。当煤中水分由1.6%增加到25%时，CO的排放量由4 913 mg／m3增加到10 963 mg／m3，这时计算的NO转换率由15.1%下降至12.5%。空—燃比对于NO排放量也有较大影响，由表2的后四个工况可见，随着空—燃比的减少，床内CO浓度迅速增加，而O2浓度很快下降，当空—燃比由2.203(工况E)减少到1.186(工况C)时，计算的NO转换率由20.3%下降至6.4%。当然，床温也对NO的转换率有一定的影响。

　　表3　NO排放量计算值与测量值的比较

NO排放量 工　况

测量值mg／m3（6％O2）计算值mg／m3（6％O2）测量的NO转换率，%计算的NO转换率，%序号1

A293.8265.516.715.1

B179.7202.211.112.5

C114.8135.45.436.40

D202.9198.614.814.5

E255.1229.022.620.3

表4　NO生成和还原反应数值计算的结果

反　　应NO＋CO→1／2N2＋CO2

催化物焦炭

439

50.4

55.6

44.1

41.4

A

累积转换率，%BC

D

E

NO＋Char→1／2N2气体－固

2

体粒子＋CO

NO＋2／3NH3→53均相气体／6N2＋H2045

NO＋H2→1／2N2＋H2O

NH3＋5／4O2→NO＋3／2H2O

焦炭焦炭均相气体

0.000.0039.00.00

0.000.00212.90.00

0.000.00312.00.00

0.000.0028.60.00

0.000.00311.70.00

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