含焦油生物質(zhì)氣化再燃還原NO的實(shí)驗(yàn)與機(jī)理研究.pdf

1、化石能源日益枯竭，環(huán)境污染日益嚴(yán)重。我國每年生產(chǎn)煤炭的80％左右直接用于燃燒，NOx排放量巨大。我國生物質(zhì)資源豐富。生物質(zhì)能是一種理想的可再生替代能源，氣化技術(shù)是生物質(zhì)能利用技術(shù)中較有前景的一種方式。焦油是氣化過程的副產(chǎn)物，也是氣化技術(shù)推廣應(yīng)用的瓶頸問題，但焦油有還原NO的作用。利用焦油這一特性，本文采用氣化再燃技術(shù)，將生物質(zhì)氣化后產(chǎn)生的含焦油生物質(zhì)氣作為再燃燃料，減少燃煤鍋爐NOx排放。此技術(shù)能實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)能資源化、合理化應(yīng)用。本文對焦

2、油及含焦油生物質(zhì)氣還原NO的實(shí)驗(yàn)及反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行深入研究，為含焦油生物質(zhì)氣再燃技術(shù)的開發(fā)提供技術(shù)指導(dǎo)和理論支持。
　　 本文采用理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，首先對典型焦油模型化合物、以及真實(shí)的含焦油生物質(zhì)氣還原NO進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得到不同條件下NO還原效果的影響因素和變化規(guī)律;在此基礎(chǔ)上，建立焦油模型化合物還原NO的詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機(jī)理;最后，建立簡化的含焦油生物質(zhì)氣還原NO的機(jī)理，并結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)對含焦油生物質(zhì)氣再燃過程進(jìn)行數(shù)值模

3、擬和分析。主要工作如下:
　　 分別在管式流動試驗(yàn)臺以及微反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)臺上，對苯、苯酚兩種反應(yīng)活性差別較大的典型焦油模型化合物還原NO的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究。主要針對溫度、氧量（當(dāng)量比）對NO還原效果的影響規(guī)律進(jìn)行研究，并通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)出焦油還原NO的宏觀規(guī)律:焦油在高溫環(huán)境中同時發(fā)生互相競爭的裂解以及聚合兩種過程，焦油裂解形成小分子烴類和非烴類氣體產(chǎn)物，聚合形成碳黑前驅(qū)物或者碳黑。雖然碳黑有還原NO的作用，但相對小分子物質(zhì)來說，其還原

4、NO的效果較差，因此使焦油充分裂解的條件即可取得較好的還原效果。
　　 搭建上吸式小型批量式生物質(zhì)氣化爐，結(jié)合已有的管式流動試驗(yàn)臺，組成小型批量式生物質(zhì)氣化再燃實(shí)驗(yàn)臺，進(jìn)行實(shí)際氣化爐產(chǎn)生的含焦油生物質(zhì)氣再燃的實(shí)驗(yàn)，NO為配氣。針對含焦油生物質(zhì)氣的量、氧量、溫度、當(dāng)量比等因素對含焦油生物質(zhì)氣還原NO的影響規(guī)律進(jìn)行研究，并重點(diǎn)分析焦油對氣化氣還原NO過程中的影響。得出以下結(jié)論:含焦油生物質(zhì)氣再燃過程中，需要有一定氧氣的存在，但氧氣的

5、量要和燃料的量相匹配。氧氣過少時如果溫度較高會因?yàn)槿剂系倪^富環(huán)境導(dǎo)致自由基減少以及形成碳黑，使還原效率下降;氧氣過多會因?yàn)楦谎醐h(huán)境導(dǎo)致燃料燃燒而不再用于還原NO;而氧氣適量時溫度提高則有利于NO還原。此外，焦油對生物質(zhì)氣還原NO的影響不容忽視。相比較簡單烴類，焦油裂解需要更多氧氣的參與，特別是焦油中存在的一些活性較差的組分，需要在氧量較多時才能夠發(fā)生開環(huán)裂解。
　　 為模擬實(shí)際煤粉鍋爐再燃的實(shí)驗(yàn)，在已有20kWe低NOx試驗(yàn)臺的

6、基礎(chǔ)上，搭建連續(xù)進(jìn)料的10kWth上吸式生物質(zhì)氣化爐，組成中試規(guī)模的生物質(zhì)氣化再燃實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行中試規(guī)模的含焦油生物質(zhì)氣再燃的實(shí)驗(yàn)。主要考察再燃區(qū)溫度、再燃區(qū)過量空氣系數(shù)以及再燃區(qū)輸入熱量對還原NO的影響。通過實(shí)驗(yàn)得出含焦油生物質(zhì)氣再燃的最佳運(yùn)行工況是在再燃區(qū)溫度1200℃，再燃區(qū)過量空氣系數(shù)0.7，再燃燃料熱量占總熱量15％左右時，NO最佳還原率達(dá)到84％。此研究對實(shí)際規(guī)模的氣化再燃技術(shù)的應(yīng)用起到指導(dǎo)作用。
　　 通過對上吸式

7、氣化爐產(chǎn)生的焦油進(jìn)行分析的結(jié)果，采用苯酚(C6H5OH)作為焦油組分的代表物，對苯酚還原NO的詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機(jī)理進(jìn)行研究。該機(jī)理由苯酚裂解機(jī)理、小分子氣體還原NO機(jī)理兩部分組成。其中小分子氣體還原NO的機(jī)理采用比較成熟的GRI3.0機(jī)理。在分析大量參考文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，提出苯酚在再燃條件下的裂解路徑，重點(diǎn)針對苯酚自身熱裂解的起始反應(yīng)、苯酚裂解過程中重要的自由基反應(yīng)及其反應(yīng)參數(shù)的選取進(jìn)行分析，構(gòu)建苯酚裂解機(jī)理。
　　 通過苯酚還原

8、NO的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了苯酚還原NO的詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理。詳細(xì)機(jī)理經(jīng)過驗(yàn)證后，針對詳細(xì)機(jī)理進(jìn)行分析，分別包含以下幾個方面:首先對苯酚裂解分析，主要分析溫度和氧量的影響;其次，對苯酚還原NO過程中反應(yīng)路徑分析，揭示不同條件下苯酚裂解反應(yīng)路徑有何不同，同時找到對還原NO起主要作用的自由基;再次，通過計(jì)算瞬態(tài)反應(yīng)過程中苯酚裂解、自由基的生成以及NO被還原的過程，得到不同自由基的生成規(guī)律，通過分析這些自由基與NO的反應(yīng)活性的差別，指出其作用不同的原因。