CN113405092A - 一种抑制煤粉燃烧中NOx排放的方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抑制煤粉燃烧中NOx排放的方法及应用，该方法以高碱煤灰为抑制物，添加到所述煤粉中，抑制所述煤粉燃烧中NOx的生成，从而实现NOx减排的目的。所述方法主要运用于煤炭工业领域，可有效抑制NOx的排放，在800℃燃烧过程中NOx减排效率最大可达到32％。本发明既可实现高碱煤灰废物资源化利用，节省生产催化剂的资源消耗、降低成本，又可实现保护环境的目标，可广泛应用于各类燃煤企业、火力电厂中，尤其是在配备液态排渣旋风燃烧器后，可用于高碱煤锅炉燃烧NOx的减排，循环经济效益显著。
Description
技术领域
本发明属于煤炭工业中氮氧化物控制技术领域，尤其涉及一种抑制煤粉燃烧中NOx排放的方法及应用。
背景技术
进入21世纪以来，通过燃烧煤炭等化石燃料的方式来提供热量和动力依旧在世界范 围内占据主导地位，然而煤炭燃烧产生的烟气中含有大量的氮氧化物，这是形成光化学烟雾和酸雨的主要原因之一，对自然界和人类造成了极大的危害。
目前脱除氮氧化物的工艺有选择性催化还原法，虽然脱硝率高，但其一次性投资成 本过高，且烟气中携带的大量粉尘易堵塞管道、覆盖在催化剂表面，使其失活，不能在陶瓷、水泥等行业实现工业应用；而选择性非催化还原，脱硝率低，且容易出现氨逃逸 问题，污染环境且额外增加了成本。低氮燃烧技术初投资少，运行成本几乎为零，改造 施工周期短，不需要对锅炉做较大的改动，对锅炉运行影响较小，但脱硝效率较低，只 采用单一低氮燃烧技术难以保证达标排放。湿法氧化脱硝中，广泛使用的是亚氯酸钠法， 脱硝效果较好，但投资和运行费用高。臭氧氧化法为新型技术，国外使用较多，目前在 国内应用呈上升趋势，已在中石化、中石油、中国化工等多家企业中使用，具有改造方 便、运行灵活、不需要对锅炉改造、不影响锅炉运行等特点，与氨法脱硫配合还可提高 化肥产量及品质，但运行电耗高，受氧气源制约影响较大。所以，寻找到一种能够在工 业上应用，且低成本、低能耗、能有效脱除氮氧化物的方法至关重要。
发明内容
鉴于此，本发明公开提供了一种抑制煤粉燃烧中NOx排放的方法及应用，以解决现有的NOx排放控制技术成本过高，去除率较低，操作复杂等问题。
一方面，本发明提供了一种抑制煤粉燃烧中NOx排放的方法，该方法以高碱煤灰为抑制剂，添加到所述煤粉中，抑制所述煤粉燃烧中NOx的生成。
优选，所述高碱煤灰由如下步骤获得：
1)取得将军庙原煤，将其放置在恒温干燥箱中，在温度为105℃的条件下，干燥12h， 得到干燥的原煤；
2)将步骤1)得到的干燥原煤置于马弗炉中，使其充分燃烧后，得到高碱煤灰；
进一步优选，所述高碱煤灰在煤粉中的添加质量百分比为3.26％-9.21％，其中添加 时是通过机械搅拌使两者混合均匀。
进一步优选，所述煤粉燃烧的温度为中高温。
进一步优选，所述高碱煤灰在煤粉中的添加质量百分比为6.33％。
进一步优选，所述煤粉的燃烧条件为：气氛为21％O2+79％Ar，流量为1L/min,从室温程序升温至800℃，升温速率10℃/min。
另一方面本发明还提供了一种上述方法的应用，该方法应用于燃煤企业、火力电厂 中的高碱煤锅炉燃烧时的NOx的减排。
本发明提供的一种抑制煤粉燃烧中NOx排放的方法，是基于减少煤粉中高温燃烧NOx污染排放抑制剂的来源策略，实现了在中高温条件下，抑制锅炉中煤粉燃烧的烟气 NOx的生成。该方法可以实现高碱煤灰废物资源化利用，节省生产催化剂资源的消耗、 降低成本，同时能够确保具有比较高的减排效果；采用的抑制物无毒性，不产生二次污 染，又可实现保护环境的目标；
本发明提供的方法可广泛应用于各类燃煤企业、火力电厂中，尤其是在配备液态排 渣旋风燃烧器后，可广泛应用于高碱煤锅炉燃烧NOx的减排，循环经济效益显著。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明的公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例， 并与说明书一起用于解释本发明的原理。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有 技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明公开实施例提供的NOx随时间变化情况示意图；
图2为本发明公开实施例提供的NOx生成总量示意图；
图3为本发明公开实施例提供的反应机理示意图。
图4为本发明公开实施例提供的半焦氮与NO异相还原的微观反应路径图。
图5为本发明公开实施例提供的Na对半焦氮与NO异相还原的微观反应路径图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附 图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如 所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的系统的例子。
针对现有技术中，NOx排放控制技术成本过高，去除率较低，操作复杂等问题，本实施方案提供了一种抑制煤粉燃烧中NOx排放的方法，以高碱煤燃烧产生的灰分为抑制剂，添加到煤粉中，抑制煤粉燃烧中NOx的生成。高碱煤燃烧产生的灰分即为高碱煤灰；
上述高碱煤灰由如下步骤获得：
1)取得将军庙原煤，将其放置在恒温干燥箱中，在温度为105℃的条件下，干燥12h， 得到干燥的原煤；
2)将步骤1)得到的干燥原煤置于马弗炉中，使其充分燃烧后，得到高碱煤灰；优选的燃烧温度为575℃，此温度是保证减少碱金属挥发和高碱煤充分燃烧的必要条件。
高碱煤灰在煤粉中的添加质量百分比为3.26％-9.21％，添加时是通过机械搅拌使两 者混合均匀，NOx抑制剂与煤粉物理混合，所需的脱硝投资成本低、设备简便；
经验证，当高碱煤灰的添加量为6.33％时，在800℃燃烧过程中NOx减排效率最大可达到32％。
上述高碱煤燃烧产生的灰分成分如表1所示；
表1 T:28℃,RH:98％将军庙煤灰成分
将上述方法通过以下条件进行试验验证：
1)将上述与不同质量百分比的碱煤灰混合后而得到的不同煤样分别放入管式炉，气 氛为21％O2+79％Ar，流量为1L/min,从室温程序升温至800℃，升温速率10℃/min；
2)使用烟气分析仪记录实验过程中NOx的生成情况；
3)收集实验数据，归一处理后，制成折线图，并通过积分折线面积求得NOx生成总量。
下面结合具体的实施例对本发明进行更近一步的解释说明，但是并不用于限制本发 明的保护范围。
实施例1
(1)取约2g左右的将军庙原煤加入0.0675g碱煤灰，机械搅拌使其混合均匀后， 称取约50mg作为试验样品；
(2)将煤样放入管式炉燃烧，气氛为21％O2+79％Ar，流量为1L/min,从室温程序升温至800℃，升温速率10℃/min；
(3)使用烟气分析仪记录实验过程中NOx的生成情况；
(4)通过对比原煤燃烧过程中NOx的排放量，NOx减排效率约2.21％。
实施例2
(1)取约2g左右的将军庙原煤加入0.1015g碱煤灰，机械搅拌使其混合均匀后， 称取约50mg作为试验样品；
(2)将煤样放入管式炉燃烧，气氛为21％O2+79％Ar，流量为1L/min,从室温程序升温至800℃，升温速率10℃/min；
(3)使用烟气分析仪记录实验过程中NOx的生成情况；
(4)通过对比原煤燃烧过程中NOx的排放量，NOx减排效率约7.49％。
实施例3
(1)取约2g左右的将军庙原煤加入0.1351g碱煤灰，机械搅拌使其混合均匀后， 称取约50mg作为试验样品；
(2)将煤样放入管式炉燃烧，气氛为21％O2+79％Ar，流量为1L/min,从室温程序升温至800℃，升温速率10℃/min；
(3)使用烟气分析仪记录实验过程中NOx的生成情况；
(4)通过对比原煤燃烧过程中NOx的排放量，NOx减排效率约32.41％。
实施例4
(1)取约2g左右的将军庙原煤加入0.1690g灰，机械搅拌使其混合均匀后，称取 约50mg作为试验样品；
(2)将煤样放入管式炉燃烧，气氛为21％O2+79％Ar，流量为1L/min,从室温程序升温至800℃，升温速率10℃/min；
(3)使用烟气分析仪记录实验过程中NOx的生成情况；
(4)通过对比原煤燃烧过程中NOx的排放量，NOx减排效率约32.93％。
实施例5
(1)取约2g左右的将军庙原煤加入0.2029g灰，机械搅拌使其混合均匀后，称取 约50mg作为试验样品；
(2)将煤样放入管式炉燃烧，气氛为21％O2+79％Ar，流量为1L/min,从室温程序升温至800℃，升温速率10℃/min；
(3)使用烟气分析仪记录实验过程中NOx的生成情况；
(4)通过对比原煤燃烧过程中NOx的排放量，NOx生成量增加约11.43％。
综上所述，上述各实施例NOx随时间的变化情况及NOx生成总量如附图1、2所示。
从附图1、2中可以看出，实施例1至实施例4中，随着高碱煤灰添加量从3.26％ -7.79％逐渐增加，NOx的排放量从15.04到10.24mg逐渐减少，其中添灰量分别为6.33％ 和7.79％时，在800℃燃烧过程中NOx减排效率均达到了32％以上。
中高温下通过向煤粉添加高碱煤灰抑制煤燃烧过程中NOx前驱物生成从而实现NOx减排的目的。本实施方案具体是通过将高碱煤完全燃烧后产生的煤灰再次添加到高碱煤中，由于高碱煤灰中含有较多的金属氧化物，其活性组分主要是碱金属和碱土金属化合物，具有固定半焦氮的作用，通过抑制半焦氮向气相和焦油转化减少NOx前驱物的生成， 同时碱性金属具有催化半焦中杂环氮异相还原NO的作用，从而达到控制NOx生成的目的。
具体为，碱性金属元素抑制NOx生产机理包括两个方面：一是高碱煤灰中的含有的碱金属和碱土金属化合物等活性组分(主要是钠元素)具有固定半焦氮的作用，通过抑 制半焦氮向气相和焦油转化减少NOx前驱物的生成；二是根据密度泛函理论(DFT)计 算，碱金属钠使半焦氮异相还原NO反应路径1的最高能垒降低35.7kJ/mol，反应路径2 的最高能垒降低40.9kJ/mol，并且在路径2中减少了7.2kJ/mol的N2析出能垒，同时增 加了整个反应53.2kJ/mol的放热量，在热力学上有利于后续反应的发生，从而达到控制 NOx生成的目的，并且表现出随着灰分添加量的增加，NO还原率增加NOx析出量降低， 理论计算的反应途径如附图3所示。但是灰在过高的添加量时不能继续提高NO还原率， 反而抑制了NO的异相还原，从而导致NOx析出量增加，如实施例5。在实施例5中， 添灰量为9.21％时，在800℃燃烧过程中NOx排放量比原煤增加11.43％，这是由于过多 煤灰中的碱金属及碱土金属离子占据了半焦氮分子边缘的活性位点，使得原煤热解后的 半焦吸附NO的能力降低，反而减少了半焦异相还原NO的能力，从而减少NOx析出量。
综上所述，添加适量的高碱煤灰有助于控制NOx的排放量，其中添灰量为6.33％时， 在800℃燃烧过程中NOx减排效率最大可达到32％。添加过量的高碱煤灰会削弱原煤热解后的半焦氮异相还原NO能力，使得NOx排放量增加，不利于控制NOx的排放。
本实施方案提供的方法既可实现高碱煤灰废物资源化利用，节省生产催化剂的资源 消耗、降低成本，又可实现保护环境的目标，可广泛应用于各类燃煤企业、火力电厂中，尤其配备液态排渣旋风燃烧器后，可用于高碱煤锅炉燃烧NOx的减排，循环经济效益显 著。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它 实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由权 利要求指出。
Claims (7)
1.一种抑制煤粉燃烧中NOx排放的方法，其特征在于，以高碱煤灰为抑制物，添加到所述煤粉中，抑制所述煤粉燃烧中NOx的生成。
2.根据权利要求1所述的一种抑制煤粉燃烧中NOx排放的方法，其特征在于，所述高碱煤灰由如下步骤获得：
1)取得将军庙原煤，将其放置在恒温干燥箱中，在温度为105℃的条件下，干燥12h，得到干燥的原煤；
2)将步骤1)得到的干燥原煤置于马弗炉中，使其充分燃烧后，得到高碱煤灰。
3.根据权利要求1所述的一种抑制煤粉燃烧中NOx排放的方法，其特征在于，所述高碱煤灰在煤粉中的添加质量百分比为3.26％-9.21％，其中添加时是通过机械搅拌使两者混合均匀。
4.根据权利要求1所述的一种抑制煤粉燃烧中NOx排放的方法，其特征在于，所述煤粉燃烧的温度为中高温。
5.据权利要求1所述的一种抑制煤粉燃烧中NOx排放的方法，其特征在于，所述高碱煤灰在煤粉中的添加质量百分比为6.33％。
6.据权利要求1所述的一种抑制煤粉燃烧中NOx排放的方法，其特征在于，所述煤粉的燃烧条件为：气氛为21％O2+79％Ar，流量为1L/min,从室温程序升温至800℃，升温速率10℃/min。
7.一种权利要求1所述方法的应用，其特征在于，用于燃煤企业、火力电厂中的高碱煤锅炉燃烧时的NOx的减排。
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| CN202110418843.3A Pending CN113405092A (zh) | 2021-04-19 | 2021-04-19 | 一种抑制煤粉燃烧中NOx排放的方法及应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113405092A (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6349233A (ja) * | 1986-08-15 | 1988-03-02 | Toa Netsuken Kk | 石炭の脱硝触媒劣化抑制方法 |
| CN101845353A (zh) * | 2010-05-18 | 2010-09-29 | 江南大学 | 一种锅炉燃煤燃烧清洁助剂的制备方法 |
| CN102824849A (zh) * | 2012-08-03 | 2012-12-19 | 东北石油大学 | 一种降低FCC再生过程中NOx排放的方法 |
| CN102888242A (zh) * | 2012-10-20 | 2013-01-23 | 东北石油大学 | DeNOx添加剂降低FCC再生过程NOx的方法 |
| CN105132075A (zh) * | 2015-08-14 | 2015-12-09 | 上海理工大学 | 一种改善准东煤结渣、沾污的添加剂及应用方法 |
-
2021
- 2021-04-19 CN CN202110418843.3A patent/CN113405092A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6349233A (ja) * | 1986-08-15 | 1988-03-02 | Toa Netsuken Kk | 石炭の脱硝触媒劣化抑制方法 |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| EMAD ROKNI AND YIANNIS A. LEVENDIS: ""Utilization of a High-Alkali Lignite Coal Ash for SO2 Capture in Power Generation"", JOURNAL OF ENERGY ENGINEERING, vol. 4, no. 143, pages 1 - 7 * |
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