CN102721797A - 无烟煤在热解中生成HCN/NH3与在锅炉中燃烧生成NOx的关联性的分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无烟煤在热解中生成HCN/NH₃与在锅炉中燃烧生成NO_x的关联性的分析方法。首先在高温沉降炉试验台上，让煤粉分别在不同温度下热解，测量产物中HCN和NH₃的生成浓度，再计算出煤样中的氮在热解时生成HCN/NH₃的转化率规律；其次在循环流化床锅炉中，让煤粉燃烧在不同床层温度下运行，测量锅炉烟气中NO_x的生成浓度，再计算出煤样中的氮在燃烧时生成NO_x的转化率规律；最后将煤样中的氮在快速热解时生成HCN/NH₃的转化率规律与煤样中的氮在循环流化床锅炉中燃烧时生成NO_x的转化率规律进行对比，以此方法能够获得无烟煤中的氮在循环流化床锅炉中燃烧生成的NO_x与无烟煤中的氮在热解中生成NO_x前驱物HCN/NH₃的关联性。

Description

无烟煤在热解中生成HCN/NH3与在锅炉中燃烧生成NOx的关联性的分析方法

技术领域

本发明涉及一种无烟煤的分析方法，尤其涉及一种无烟煤在热解中生成HCN/NH₃与在锅炉中燃烧生成NO_x的关联性的分析方法，属于煤的热解成分分析和锅炉烟气污染物排放分析的技术领域。 

背景技术

氮氧化物(NO_x)是一种大气污染物，NO_x对人类自身及生存环境的直接和间接危害也已远超其他污染物。燃煤锅炉是NO_x的主要排放来源之一，在煤粉燃烧过程中生成的NO_x几乎全是NO和NO₂。在煤粉热解及燃烧过程中，产生的HCN与NH₃是两种重要的NO_x前驱物，热解过程中煤中的氮转化成HCN/NH₃与锅炉燃烧过程中煤中的氮转化成的NO_x具有重要的关联性。 

循环流化床锅炉与其他锅炉相比NO_x排放量较低，但随着火电厂大气污染物排放标准的提高，循环流化床锅炉的燃烧已经无法满足对NO_x排放的严格要求，国外很多循环流化床锅炉已经开始使用NO_x脱除系统，循环流化床锅炉NO_x的生成和破坏机理还有待进一步完善。 

目前对煤样热解时HCN/NH₃的生成特性的研究及燃煤锅炉NO_x生成特性的方法分别有报道研究，但对无烟煤样在快速热解条件下HCN/NH₃的生成与燃用此煤样的循环流化床锅炉NO_x生成的关联性的研究方法未见报道。 

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的问题，提供了一种无烟煤在热解中生成HCN/NH₃与在锅炉中燃烧生成NO_x的关联性的分析方法，解决了现有技术中对无 烟煤样在快速热解条件下HCN/NH₃的生成与燃用此煤样的循环流化床锅炉NO_x生成的关联性研究尚属空白的问题。 

本发明的技术方案包括如下步骤： 

在高温沉降炉中进行三个试验工况，分别将反应炉本体热解终温设置为830℃、880℃和930℃，煤粉量以恒定速率进入反应炉后，经历快速热解反应，测量产物中HCN和NH₃的析出浓度，计算获得煤样中的氮在热解时生成HCN/NH₃的转化率规律图； 

在循环流化床锅炉中进行三个试验工况，维持锅炉给煤量稳定，分别将锅炉的密相区床温稳定在830℃、880℃和930℃，待锅炉燃烧稳定后，测量产物中的NO和NO₂的生成浓度，计算获得煤样中的氮在循环流化床锅炉中燃烧时生成NO_x的转化率规律图； 

将此无烟煤样中的氮在上述热解时生成HCN/NH₃的转化率规律与无烟煤样中的氮在上述循环流化床锅炉中燃烧时生成NO_x的转化率规律进行对比，分析两者的关联性。 

本发明的优点效果如下： 

本发明方法研究相同温度背景下热解时HCN/NH₃的生成与循环流化床锅炉锅炉燃烧生成的NO_x之间的关联性，为循环流化床锅炉NO_x的生成及控制机理的研究方法拓展了新的方向。 

附图说明

图1为830℃快速热解时HCN和NH₃的生成浓度变化图。 

图2为880℃快速热解时HCN和NH₃的生成浓度变化图。 

图3为930℃快速热解时HCN和NH₃的生成浓度变化图。 

图4为不同温度快速热解时煤样中的氮的HCN转化率规律图。 

图5为不同温度快速热解时煤样中的氮的NH₃转化率规律图。 

图6为循环流化床锅炉试验中床层温度变化图。 

图7为循环流化床锅炉试验中给煤量变化图。 

图8为循环流化床锅炉试验中空气量变化图。 

图9为循环流化床锅炉试验中N0生成浓度变化图。 

图10为循环流化床锅炉试验中NO₂生成浓度变化图。 

图11为循环流化床锅炉试验中煤样中的氮生成NO_x的转化率规律图。 

图12为不同温度时煤样中的氮生成NO_x与生成的HCN/NH₃的转化率规律对比图。 

图13为不同温度时煤样中的氮生成NO_x与生成其前驱物的转化率规律对比图。 

具体实施方式

本发明参照附图、附表，结合具体实施例，进行详细描述如下。 

实施例 

在无烟煤样的快速热解试验中，试验系统为高温沉降炉试验台，主要设计参数见附表1；热解产物中HCN和NH₃的生成浓度测量仪器为在线便携式傅立叶变换红外光谱(FTIR)气体分析仪(GASMET-DX4000)。 

三个试验工况，炉本体终温为830℃、880℃和930℃，煤粉量m₀的给料率8mg/s，经历快速热解反应，测量产物中HCN和NH₃的生成浓度ρ′_v如附图1、2及3所示，再结合表3中的试验时间t，通过公式 计算试验中生成的HCN和NH₃的体积浓度ρ_v见表3；NH₃和HCN的相对分子质量M是17和27，再通过公式 

计算试验中生成的HCN和NH₃在标况下的质量密度ρ_m见表3；按表1中反应炉的容积V＝0.003336m³及表3中热解温度t_i℃，通过公式 

计算试验时热解气体产物在标况时的体积V₀见表3， 再通过公式m＝ρ_m×V₀计算试验中HCN和NH₃生成的质量m见表3；按表3中的试验时间t，通过公式m₀＝8t计算试验中煤粉消耗量m₀见表3；按表2中煤的收到基氮N_ar，再通过公式 

及 

计算煤样中的氮在热解时生成HCN/NH₃的转化率η_HCN和η_NH3规律如附图4和5。 

循环流化床锅炉试验在越南某热电厂1^#锅炉进行试验，锅炉为美国FosterWheeler公司设计的一台545t/h亚临界参数、单汽包、中间再热、自然循环锅炉，主要设计参数见表4，锅炉烟气中NO_x的生成浓度的测量仪器为IMR1600烟气分析仪。 

锅炉三个试验工况，维持给煤量在88t/h左右，改变空气量大小及配比，密相区床层温度分别维持在830℃、880℃和930℃左右，床层温度t′_i、给煤量m′₀、空气量υ′、NO和NO₂的生成浓度ρ′_v在试验中的数据如图6、7、8、9及10所示，通过公式 $t_i=\frac{{\∫}_0^t{t_i}^{\′}{{\mathrm{dt}}_i}^{\′}}{t},$ $m_0=\frac{{\∫}_0^t{m_0}^{\′}{{\mathrm{dm}}_0}^{\′}}{t},$ $\mathrm{\υ}=\frac{{\∫}_0^t{\mathrm{\υ}}^{\′}d{\mathrm{\υ}}^{\′}}{t}$ 及 ${\mathrm{\ρ}}_v=\frac{{\∫}_0^t{{\mathrm{\ρ}}_v}^{\′}d{{\mathrm{\ρ}}_v}^{\′}}{t}$ 计算在试验时间1800s内平均床温t_i、平均给煤量m₀、平均空气量υ及NO和NO₂生成的平均体积浓度ρ_v见表5。NO和NO₂气体的相对分子质量M是30和46，通过公式 

计算试验中生成的NO和NO₂在标况下的的平均质量密度ρ_m见表6；按表2中煤样元素的收到基数据，通过公式 

υ₀＝1.293m₀×[0.089(C_ar+0.375S_ar)+0.265H_ar-0.0333O_ar]计算试验中平均给煤量m₀时燃烧需要的理论空气质量υ₀见表6；通过公式 

V′＝1000m₀×[0.79υ₀+0.008N_ar+0.01866(C_ar+0.375S_ar)+0.111H_ar+0.0124M_ar+0.0161υ₀]计算试验中平均给煤量m₀时燃烧产生的理论烟气在标况下的体积V′见表6；通过公式 

计算平均给煤量m₀时燃烧产生的总烟气在标况下的体 积V₀见表6；通过公式m＝ρ_m×V₀试验中平均给煤量m₀时燃烧生成的NO和NO₂的质量m见表6；通过公式 

计算煤样中的氮在循环流化床锅炉中燃烧时生成NO_x的转化率η_NOx规律如附图11。 

第三步：首先将煤样中的氮在热解时生成HCN/NH₃的转化率η_HCN和η_NH3分别与煤样中的氮在循环流化床锅炉中燃烧时生成NO_x的转化率η_NOx进行对比见附图12，热解生成的HCN转化率先略微减小后增加，而NH₃的转化率先增加后减少，循环流化床锅炉中燃烧生成的NO_x的转化率随床层温度的增加而增加；880℃前，NH₃与NO_x的生成规律均随温度的增加而增加，880℃后，HCN与NO_x的生成规律随温度的增加而增加，但在830～930℃整个温度区间内，煤中的氮在热解中生成HCN与NH₃的规律与在锅炉中燃烧生成NO_x的规律均无明显关联性；最后通过公式η_N＝η_HCN+η_NH3计算煤中的氮在热解时生成NO_x前驱物，即HCN与NH3的和的转化率η_N与η_NOx进行对比见附图13，煤样在热解中生成的NO_x前驱物的转化率与循环流化床锅炉中燃烧生成NO_x的转化率规律相似，均随着温度的增加而增加，煤样中的氮在循环流化床锅炉中燃烧时生成的NO_x的转化率在886℃发生变化，886℃后无烟煤中的氮在循环流化床锅炉中燃烧时生成NO_x的转化率向着比无烟煤中的氮在快速热解时生成的NO_x前驱物的转化率大的方向转变。 

表1高温沉降炉试验系统的主要设计参数 

表2煤样的工业分析及元素分析 

表3煤样快速热解试验中的计算数据表 

表4循环流化床锅炉的主要设计参数 

表5循环流化床锅炉试验中各工况主要数据的平均值 

表6循环流化床锅炉试验中的计算数据表 

本发明的保护范围以权力要求为准，不受具体实施例所限制。 

Claims (2)

1.无烟煤在热解中生成HCN/NH₃与在锅炉中燃烧生成NO_x的关联性的分析方法，其特征在于包括下述步骤：在高温沉降炉中进行三个试验工况，分别将反应炉本体热解终温设置为830℃、880℃和930℃，煤粉量以恒定速率进入反应炉后，经历快速热解反应，测量产物中HCN和NH₃的析出浓度，计算获得煤样中的氮在热解时生成HCN/NH₃的转化率规律图；

在循环流化床锅炉中燃烧无烟煤进行三个试验工况，维持锅炉给煤量稳定，分别将锅炉的密相区床温稳定在830℃、880℃和930℃，待锅炉燃烧稳定后，测量产物中的NO和NO₂的生成浓度，计算获得煤样中的氮在循环流化床锅炉中燃烧时生成NO_x的转化率规律图；

将此无烟煤样中的氮在上述热解时生成HCN/NH₃的转化率规律与无烟煤样中的氮在上述循环流化床锅炉中燃烧时生成NO_x的转化率规律进行对比，分析两者的关联性。

2.根据权利要求1所述的无烟煤在热解时生成HCN/NH₃与在锅炉中燃烧时生成NO_x的关联性的分析方法，其特征在于包括下述步骤：高温沉降炉的三个试验工况，分别将炉本体终温设置为830、880和930℃，采用99.99％的高纯氮气作为反应气和煤粉携带气，煤粉量m₀以恒定速率8mg/s进入反应炉本体后，经历快速热解反应，产生的气体产物经取样系统处理后，进入在线便携式傅立叶变换红外光谱气体分析仪，测量产物中HCN和NH₃的生成浓度ρ′_v，通过公式

计算试验中生成的HCN和NH₃气体体积浓度ρ_v；通过公式

计算试验中生成的HCN和NH₃在标况下的的质量密度ρ_m；通过公式

计算热解气体产物在标况时的体积V₀；通过公式m＝ρ_m×V₀计算试验中HCN和NH₃生成的质量m；通过公式m₀＝8t计算试验中的煤粉消耗量；通过公式

及

计算原煤中的氮在热解时生成HCN/NH₃的转化率η_HCN和η_NH3规律图；

循环流化床锅炉的三个试验工况，维持锅炉给煤量m′₀稳定，分别将锅炉的密相区床温稳定在830、880和930℃，待各工况稳定后，采用烟气分析仪测量锅炉空预器入口烟气中NO和NO₂的生成浓度ρ′_v，通过公式

及

计算在试验时间内平均床温t_i、平均给煤量m₀、平均空气量υ及NO和NO₂生成的平均体积浓度ρ_v；再通过公式计算试验中生成的NO和NO₂在标况下的的平均质量密度ρ_m；通过公式υ₀＝1.293m₀×[0.089(C_ar+0.375S_ar)+0.265H_ar-0.0333O_ar]计算试验中平均给煤量m₀时燃烧需要的理论空气质量υ₀；通过公式

V′＝1000m₀×[0.79υ₀+0.008N_ar+0.01866(C_ar+0.375S_ar)+0.111H_ar+0.0124M_ar+0.0161υ₀]计算试验中平均给煤量m₀时燃烧产生的理论烟气在标况下的体积V′；通过公式

计算平均给煤量m₀时燃烧产生的总烟气在标况下的体积V₀；通过公式m＝ρ_m×V₀计算试验中平均给煤量m₀时燃烧生成的NO和NO₂的质量；通过公式

计算煤样中的氮在循环流化床锅炉中燃烧时生成NO_x的转化率η_NOx规律图；

先将煤样中的氮在热解时生成HCN/NH₃的转化率η_HCN和η_NH3分别与煤样中的氮在循环流化床锅炉中燃烧时生成NO_x的转化率η_NOx进行对比，分析η_HCN和η_NH3与η_NOx规律的关联性；再通过公式η_N＝η_HCN+η_NH3计算煤样中的氮在热解时生成NO_x前驱物，即HCN与NH₃的和的转化率η_N与η_NOx进行对比，分析η_N与η规律的关联性。

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