CN108088979A - 一种固体燃料再燃脱硝的实验装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种固体燃料再燃脱硝的实验装置及其方法，包括模拟烟气发生器、固定床反应器和烟气分析仪，所述的模拟烟气发生器包括标准气瓶组、减压阀、流量计和混气罐，标准气瓶组与减压阀相连，流量计两端通过管路分别与减压阀和混气罐相连，所述的固定床反应器两端通过管路分别与混气罐和烟气分析仪相连。先在混气罐中生成模拟烟气，烟气在固定床反应器内与固体燃料发生反应，再通过烟气分析仪在线测量气体成分的变化，从而计算再燃脱硝效率。本发明装置结构简单，方法简便，不需要额外使用催化剂，能有效地模拟固体燃料的再燃脱硝过程，对燃料成分、再燃区温度、氧浓度等因素对再燃脱硝效果的影响展开实验研究，具有良好的实用性。

Description

一种固体燃料再燃脱硝的实验装置及其方法

技术领域

本发明属于环保领域，涉及一种再燃脱硝的实验装置及其方法，具体涉及一种固体燃料再燃脱硝的实验装置及其方法。

背景技术

长期以来，煤炭在我国能源结构中一直占有主导地位，大量煤炭资源的使用给我国带来了严重的环境污染问题，其中燃煤锅炉排放产生的酸性气体（主要是SO₂，NO_x及CO₂）、固体颗粒物（PM）以及痕量重金属等污染物对生态环境造成了严重破坏。目前，燃煤锅炉产生的硫氧化物（SOx）排放已得到较好的控制，但氮氧化物（NOx）排放问题却日趋严重，一些地区酸雨类型已经从硫酸型向硫酸-硝酸混合型转变。据国家环保总局统计，我国的NOx排放量每年超过两千万吨，其中绝大部分来自于燃煤锅炉的排放，因此对燃煤烟气进行脱硝是我国面临的刻不容缓的任务。

煤燃烧过程中产生的氮氧化物主要是NO和NO₂，在通常的燃烧温度下，煤燃烧生成的NOx中，NO占90%以上。针对煤燃烧过程中NOx形成和转化机理的不同，研究开发更加符合我国国情的脱硝新方法是当前烟气治理技术发展的方向。据研究，再燃脱硝是利用再燃燃料在还原性气氛下产生大量还原性基团，如CHi等，将产生的NOx还原为N₂，再燃燃料可以看作是大尺度范围上的燃料分级燃烧技术，增强降低NOx排放的效果，是最有效的低NOx燃烧技术之一。要实现再燃脱硝的工业应用，必须先在实验室中对燃料的再燃脱硝性能进行大量的实验研究，但大型再燃脱硝实验装置结构复杂、成本昂贵，对很多研究者而言很难实现。因此，研发一种结构简单、操作简便、能有效地模拟固体燃料的再燃脱硝过程的实验装置是目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种固体燃料再燃脱硝的实验装置及其方法，不仅结构简单，方法简便，还能有效地模拟固体燃料的再燃脱硝过程，用于对燃料成分、再燃区温度、氧浓度等因素对再燃脱硝效果的影响展开实验研究，

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种固体燃料再燃脱硝的实验装置，包括模拟烟气发生器、固定床反应器和烟气分析仪，所述的模拟烟气发生器包括标准气瓶组、减压阀、流量计和混气罐，标准气瓶组与减压阀相连，流量计两端通过管路分别与减压阀和混气罐相连，所述的固定床反应器两端通过管路分别与混气罐和烟气分析仪相连。

优选的方案中，所述的标准气瓶组由NO气瓶、CO₂气瓶、O₂气瓶和N₂气瓶组成，NO气瓶、CO₂气瓶、O₂气瓶和N₂气瓶均通过各自的减压阀、流量计后分别与混气罐相连。

优选的方案中，所述的N₂气瓶经过减压阀后还设有一个分支管路，通过第一截止阀与固定床反应器相连。

优选的方案中，所述的混气罐和固定床反应器之间的管路设有第二截止阀。

优选的方案中，还包括控制器，控制器与固定床反应器电连接。

优选的方案中，所述的固定床反应器为管式炉，管式炉与控制器电连接。

优选的方案中，所述的烟气分析仪为红外线气体分析仪。

优选的方案中，还包括烟气过滤装置，其两端通过管路分别与固定床反应器和烟气分析仪相连。

优选的方案中，还包括瓷舟，瓷舟用于盛放固体燃料样品。

为解决上述技术问题，本发明还提供一种采用所述的实验装置进行固体燃料再燃脱硝的实验方法，包含以下几个步骤：

1)模拟烟气：开启NO气瓶、CO₂气瓶、O₂气瓶和N₂气瓶的总阀，先通过减压阀将出气压力调整为0.1～0.4MPa，再通过流量计调节四种气体按照设定比例在混气罐中混合均匀，然后关闭混气罐出口的第二截止阀；四种气体的体积分数为：15%的CO₂，0.1%的NO，O₂在0%~6%之间根据实验需要选取，其余为N₂；

2)实验准备：将固体燃料先后经过干燥、破碎、研磨和筛分，得到粒径小于1mm的颗粒，取0.5～1g样品装入瓷舟中，并将其放入固定床反应器中石英管靠近烟气分析仪的一端；开启第一截止阀直接向固定床反应器内通一段时间的氮气，以便将石英管内的气体彻底置换排出，然后再关闭第一截止阀；

3)升温：管式炉按照控制器预设的升温程序进行升温，达到设定温度后向固定床反应器中石英管内通模拟烟气，流量为1.5L/min-2.5L/min，同时利用烟气分析仪对出口气体的各组分浓度进行测量；

4)再燃实验：待烟气中的各组分浓度稳定后，迅速将装有固体燃料的瓷舟快速送入管式炉的中部高温加热区，同时通过烟气分析仪在线监测固定床反应器出口气体的成分及其相应含量。

本发明提供一种固体燃料再燃脱硝的实验装置及其方法，采用上述装置，先在混气罐中生成模拟烟气，烟气在固定床反应器内与固体燃料发生反应，再通过烟气分析仪在线测量气体成分的变化，从而计算再燃脱硝效率。实验中再燃区的温度范围为600～1500℃、再燃区的氧浓度范围为0%～6%，通过本实验装置可以分析燃料种类、再燃区温度、再燃区氧浓度等因素对再燃脱硝效果的影响，从而为固体燃料的再燃脱硝的工业应用提供基本数据。与现有技术相比，本发明构建一种结构简单、方法简便的固定床反应器，以此为基础研究固体燃料种类、再燃区温度、再燃区氧浓度等因素对再燃脱硝效果的影响，不仅不需要额外使用催化剂，极大地降低脱硝工艺的研究成本，而且能有效地模拟固体燃料的再燃脱硝过程，用于再燃脱硝的动力学模拟、组分影响分析的实验研究，具有良好的实用性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的主观结构示意图；

图中：模拟烟气发生器1，固定床反应器2，烟气分析仪3，烟气过滤装置4，控制器5，瓷舟6，第一截止阀7，第二截止阀8，标准气瓶组101，减压阀102，流量计103，混气罐104。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明作进一步详细的说明，实施例仅用于说明本发明，不限于本发明的范围。

如图1中，一种固体燃料再燃脱硝的实验装置，包括模拟烟气发生器1、固定床反应器2和烟气分析仪3，所述的模拟烟气发生器1包括标准气瓶组101、减压阀102、流量计103和混气罐104，标准气瓶组101与减压阀102相连，流量计103两端通过管路分别与减压阀102和混气罐104相连，所述的固定床反应器2两端通过管路分别与混气罐104和烟气分析仪3相连。

优选的方案中，所述的标准气瓶组101由NO气瓶、CO₂气瓶、O₂气瓶和N₂气瓶组成，NO气瓶、CO₂气瓶、O₂气瓶和N₂气瓶均通过各自的减压阀102、流量计103后分别与混气罐104相连。

优选的方案中，所述的N₂气瓶经过减压阀102后还设有一个分支管路，通过第一截止阀7与固定床反应器2相连。开启第一截止阀7通入氮气，以便将固定床反应器中石英管内的气体彻底置换排出。

优选的方案中，所述的混气罐104和固定床反应器2之间的管路设有第二截止阀8，开启第二截止阀8向固定床反应器中石英管内通模拟烟气，通过阀门的开度控制模拟烟气的流速。

优选的方案中，还包括控制器5，控制器5与固定床反应器2电连接，通过控制器5控制固定床反应器2按预设的参数进行升降温，以及保证温度的均匀性。

优选的方案中，所述的固定床反应器2为管式炉，管式炉与控制器5电连接。

优选的方案中，所述的烟气分析仪3为红外线气体分析仪，能够连续测量烟气中SO₂、NO、CO、CO₂、O₂的气体浓度，分辨率达到0.1ppm，适用于低浓度烟气分析，并将采集的实时数据及时传输到计算机终端。

优选的方案中，还包括烟气过滤装置4，其两端通过管路分别与固定床反应器2和烟气分析仪3相连。通过烟气过滤装置4能有效的对烟气中的固体颗粒进行过滤，防止堵塞烟气分析仪，提高分析结果的准确性。

优选的方案中，还包括瓷舟6，瓷舟6用于盛放固体燃料样品。

为解决上述技术问题，本发明还提供一种采用所述的实验装置进行固体燃料再燃脱硝的实验方法，包含以下几个步骤：

1)模拟烟气：开启NO气瓶、CO₂气瓶、O₂气瓶和N₂气瓶的总阀，先通过减压阀将出气压力调整为0.1～0.4MPa，再通过流量计调节四种气体按照设定比例在混气罐中混合均匀，然后关闭混气罐出口的第二截止阀；四种气体的体积分数为：15%的CO₂，0.1%的NO，O₂在0%~6%之间根据实验需要选取，其余为N₂；

2)实验准备：将固体燃料先后经过干燥、破碎、研磨和筛分，得到粒径小于1mm的颗粒，取0.5～1g样品装入瓷舟中，并将其放入固定床反应器中石英管靠近烟气分析仪的一端；开启第一截止阀直接向固定床反应器内通一段时间的氮气，以便将石英管内的气体彻底置换排出，然后再关闭第一截止阀；

3)升温：管式炉按照控制器预设的升温程序进行升温，达到设定温度后向固定床反应器中石英管内通模拟烟气，流量为1.5L/min-2.5L/min，同时利用烟气分析仪对出口气体的各组分浓度进行测量；

4)再燃实验：待烟气中的各组分浓度稳定后，迅速将装有固体燃料样品的瓷舟快速送入管式炉的中部高温加热区，同时通过烟气分析仪在线监测固定床反应器出口气体的成分及其相应含量。

上述的一种固体燃料再燃脱硝的实验装置及其方法，包括模拟烟气发生器、固定床反应器和烟气分析仪，所述的模拟烟气发生器包括标准气瓶组、减压阀、流量计和混气罐，标准气瓶组与减压阀相连，流量计两端通过管路分别与减压阀和混气罐相连，所述的固定床反应器两端通过管路分别与混气罐和烟气分析仪相连。先在混气罐中生成模拟烟气，烟气在固定床反应器内与固体燃料发生反应，再通过烟气分析仪在线测量气体成分的变化，从而计算再燃脱硝效率。当再燃区氧浓度为0%，再燃区温度为1100℃时，采用稻壳、玉米秆和污泥三种燃料的再燃脱硝效率分别高达87.62%、84.57%和60.34%。本发明装置结构简单、方法简便，利用再燃燃料在还原性气氛下产生大量还原性基团来降低NOx排放的效果，不仅不需要额外使用催化剂，极大地降低脱硝工艺的研究成本，避免了催化剂中重金属对环境的二次污染，而且能有效地模拟固体燃料的再燃脱硝过程，对燃料成分、再燃区温度、氧浓度等因素对再燃脱硝效果的影响展开实验研究，具有良好的实用性。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种固体燃料再燃脱硝的实验装置，其特征是：包括模拟烟气发生器（1）、固定床反应器（2）和烟气分析仪（3），所述的模拟烟气发生器（1）包括标准气瓶组（101）、减压阀（102）、流量计（103）和混气罐（104），标准气瓶组（101）与减压阀（102）相连，流量计（103）两端通过管路分别与减压阀（102）和混气罐（104）相连，所述的固定床反应器（2）两端通过管路分别与混气罐（104）和烟气分析仪（3）相连。

2.根据权利要求1所述的一种固体燃料再燃脱硝的实验装置，其特征是：所述的标准气瓶组（101）由NO气瓶、CO₂气瓶、O₂气瓶和N₂气瓶组成，NO气瓶、CO₂气瓶、O₂气瓶和N₂气瓶均通过各自的减压阀（102）、流量计（103）后分别与混气罐（104）相连。

3.根据权利要求2所述的一种固体燃料再燃脱硝的实验装置，其特征是：所述的N₂气瓶经过减压阀（102）后还设有一个分支管路，通过第一截止阀（7）与固定床反应器（2）相连。

4.根据权利要求1所述的一种固体燃料再燃脱硝的实验装置，其特征是：所述的混气罐（104）和固定床反应器（2）之间的管路设有第二截止阀（8）。

5.根据权利要求1所述的一种固体燃料再燃脱硝的实验装置，其特征是：还包括控制器（5），控制器（5）与固定床反应器（2）电连接。

6.根据权利要求1所述的一种固体燃料再燃脱硝的实验装置，其特征是：所述的固定床反应器（2）为管式炉，管式炉与控制器（5）电连接。

7.根据权利要求1所述的一种固体燃料再燃脱硝的实验装置，其特征是：所述的烟气分析仪（3）为红外线气体分析仪。

8.根据权利要求1所述的一种固体燃料再燃脱硝的实验装置，其特征是：还包括烟气过滤装置（4），其两端通过管路分别与固定床反应器（2）和烟气分析仪（3）相连。

9.根据权利要求1所述的一种固体燃料再燃脱硝的实验装置，其特征是：还包括瓷舟（6），瓷舟（6）用于盛放固体燃料样品。

10.根据权利要求1～9任一项所述的实验装置进行固体燃料再燃脱硝的实验方法，其特征是：包含以下几个步骤：

1)模拟烟气：开启NO气瓶、CO₂气瓶、O₂气瓶和N₂气瓶的总阀，先通过减压阀将出气压力调整为0.1～0.4MPa，再通过流量计调节四种气体按照设定比例（体积比）在混气罐中混合均匀，然后关闭混气罐出口的第二截止阀；四种气体的体积分数为：15%的CO₂，0.1%的NO，O₂在0%~6%之间根据实验需要选取，其余为N₂；

2)实验准备：将固体燃料先后经过干燥、破碎、研磨和筛分，得到粒径小于1mm的颗粒，取0.5～1g样品装入瓷舟中，并将其放入固定床反应器中石英管靠近烟气分析仪的一端；开启第一截止阀直接向固定床反应器内通一段时间的氮气，以便将石英管内的气体彻底置换排出，然后再关闭第一截止阀；

3)升温：管式炉按照控制器预设的升温程序进行升温，达到设定温度后向固定床反应器中石英管内通模拟烟气，流量为1.5L/min-2.5L/min，同时利用烟气分析仪对出口气体的各组分浓度进行测量；

4)再燃实验：待烟气中的各组分浓度稳定后，迅速将装有固体燃料的瓷舟快速送入管式炉的中部高温加热区，同时通过烟气分析仪在线监测固定床反应器出口气体的成分及其相应含量。