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不同燃烧气氛条件下SCR烟气脱硝性能实验研究添加时间:2019-08-13

以淮南烟煤为例,经计算得到富氧O2/CO2以及空气燃烧条件下的烟气成分,通过模拟不同烟气成分,在实验室活性测试平台上研究了氨氮比α,温度(表征反应速率常数k)、表观速度(表征停留时间T)、入口NO初始的质量浓度CNO及烟气成分中H2O和O2对SCR催化剂脱硝性能的影响。结果表明:相同实验工况下,与空气气氛相比,富氧和O2/CO2气氛下SCR烟气脱峭效率降低了8%;不同气氛下,随氨氮比、温度的增加,脱峭效率增长,且增长速率逐渐降低;表观速度增加时,脱峭效率减小,且减小速率也逐渐减低;CNO减小时,脱峭效率仅变化了1%左右;烟气中H2O和O2也会影响脱峭性能,但均与烟气中的CO2无关。

引言

与空气气氛燃烧条件下相比,富氧(O2/CO2)燃烧能减少NOx等污染物的排放。目前,控制NOx排放主要采用选择性催化还原(SCR)烟气脱硝技术。关于空气燃烧的SCR脱硝技术,国内外大量学者进行了深入研究。刘武标研究表明SCR脱硝存在最佳反应温度范围和最佳NH3/NOx摩尔比;高岩利用工业试验台定量研究了脱硝效率最高时所对应的最佳温度;赵晓军认为烟气中的高体积分数的CO2,H2O和氧气含量会对SCR脱硝性能产生影响;Brandin认为CO2会抑制钒钦基催化剂的脱硝活性。关于富氧燃烧条件下SCR脱硝技术,陈松涛的实验结果表明,CO2的存在会抑制催化剂的脱硝反应,且随着CO2的体积分数的增加,抑制作用越强烈,但是不会导致催化剂的失活;赵栋等人通过实验研究表明氧气、二氧化硫以及温度会对脱硝产生影响。

本文以淮南烟煤为例,经计算得到富氧(体积比:VCO2/VO2=70:30) , VO2/VCO2(体积比:VCO2/VO2=79:21)以及空气(体积比:VCO2/VO2=78:21)燃烧条件下的烟气成分,通过模拟O2/CO2烟气成分,在实验室活性测试平台上研究了氨氮比a、反应速率常数k、反应时间T、入口NO初始的质量浓度CNO以及烟气成分中H2O和O2含量对SCR催化剂脱硝性能的影响。

1 脱硝效率计算

根据有氧条件下脱硝反应原理可得:

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脱硝效率计算式为:

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为进一步研究SCR烟气脱硝性能,在实验室活性测试平台上进行了实验研究,由阿累尼乌斯定律可知,反应速率常数k与温度呈正相关关系,实验中可用温度大小来表征k的变化,而当催化剂面积一定时,烟气在催化剂反应时间T与表观速度呈倒数关系,表观速度为烟气流量与催化剂表面积之比,实验中可用表观速度的大小来表征丁的变化,由此实验过程中分别对氨氮比、温度、入口NO的质量浓度、表观速度条件下催化剂的脱硝效率进行了测试,以研究氨氮比α、反应速率常数k, NO初始的质量浓度CNO以及反应时间T对SCR烟气脱硝性能的影响。

2脱硝性能实验

实验样品取自广东旺隆电厂的新蜂窝煤状催化剂,该催化剂为钒钦基催化剂,其基本成分为TiO2,V2O5, WO3等,实验将整块催化剂切为总长为0. 2m,单孔孔径宽0. 0074m,单孔孔径高0. 0074 m的5孔x5孔的试验块,其催化剂表面积为0.150m2。

2.1实验室活性测试平台

实验在SCR催化剂活性测试平台上进行,测试平台示意图参见文献图30该实验装置由配气系统、给水系统、混合器、加热系统、催化剂反应器和烟气分析仪组成。实验气体CO2,N2,NO,O2,H2O、和NH3,其中CO2为富氧气氛下的载体(空气下N2为载体),H2O由给水系统的微量水泵抽入汽化器进行汽化,其余气体均由配气系统完成,通过气瓶压力与流量的控制,调节模拟烟气的成分含量。混合器的作用是除NH3外的气体进行充分混合,混合后的气体通入预热器加热至一定温度,NH3在加热电炉前加入,与混合气体一起进入反应器,反应器为长1500 mm,截面52 mm x 52 mm方形的钢制套筒,竖直置于电炉中,实验前将已制好的试样块放置于反应器中心。电炉由4段加热组成,使实验气体加热至要求温度,并保持反应器温度均匀。反应气体在催化剂中发生反应,催化剂的温度由伸入催化剂中心E型热电偶进行测量,并将测出催化剂的温度显示在台架仪表上。通过调节电炉温度使反应器内催化剂层温度达到设定值。反应后的烟气进行降温干燥处理,再通过NGA2000烟气分析仪进行烟气分析。

2.2烟气成分模拟

模拟燃烧气氛下的烟气成分作为实验气体,淮南烟煤煤质分析参见文献表1。在过量空气系数α为1.1时,经计算得到富氧和空气燃烧条件下的烟气成分参见文献表2。可以看出,富氧燃烧生成的烟气量明显比空气气氛下少0.561 m3/kg。脱硝入口NOx参考典型富氧燃烧锅炉脱硝入口烟气参数,由于NOx中主要是NO,因此脱硝入口NO的质量浓度取300 mg/m3,同时为研究方便,空气气氛下NO也均取300mg/m3。由于受活性测试平台配气系统的限制,模拟富氧燃烧气氛下烟气成分时,实验气体包括CO2,NO,NH3,O2和H2O,而空气气氛下则为N2,NO,NH3, O2和H2O,实验设计表观速度为20 m/s,则气体总流量为49. 99 L/min 。

2.3实验工况及方法

通过模拟富氧和O2/CO2条件下烟气成分,研究了氨氮比、温度、入口NO的质量浓度CNO,i,表观速度、烟气中H2O和O2对脱硝效率的影响。并与空气气氛进行对比,具体的实验工况如表1所示。

实验时先通CO2(空气下为N2)设置加热器的升温速率为10℃/min升至设定温度,待温度保持稳定,通入NO气体,待NO的的质量浓度稳定后,记录NO的质量浓度为初始NO的质量浓CNO,i再通入实验气体NH3, O2以及H2O进行反应,待反应后的NO的质量浓度趋于稳定后,记录NO的质量浓度CNO,由式(2)计算出脱硝效率。

表1脱硝性能实验工况

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