焦炉煤气低NO_x燃烧技术研究进展_何选明
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燃料与化工
Fuel &Chemical Processes Jan.2013Vol.44No.1
焦炉煤气低NO x 燃烧技术研究进展
何选明陈康潘叶吴梁森李
(武汉科技大学,武汉430081)
摘
维
要:介绍了焦炉煤气燃烧NO x 排放情况和NO x 生成机理,总结了废气循环、空气分级、燃料分级、高温贫氧、浓
淡偏差燃烧、低NO x 燃烧器、催化燃烧等低NO x 燃烧技术的研究进展,指出实现焦炉煤气低NO x 排放燃烧是以后的锅炉等燃烧方式相结合,可望实现焦炉煤气的高效、低污染排放燃烧。研究重点。低NO x 燃烧技术与传统的焦炉、关键词:焦炉煤气;NO x 生成机理;低NO x 燃烧技术中图分类号:TQ542
文献标识码:A
文章编号:1001-3709(2013)01-0006-05
Development in the study of low NO x combustion technology of COG
He Xuanming
Chen Kang
Pan Ye
Wu Liangsen
Li Wei
(Wuhan Technology University ,Wuhan 430081,China )
Abstract :This paper introduces NO x discharging conditions and NO x formation mechanism ,makes a conclusion for the study development of low NO x combustion technologies such as waste gas circula-air classification combustion ,fuel classification combustion ,high temperature air tion combustion ,
combustion ,bias combustion ,low NO x combustor and catalytical combustion.It points out that future study will focus on low NO x combustion of COG.It is very hopeful to realize high efficiency and low pollution combustion of COG by combining low NO x combustion technology and traditional combustion mode of coke oven battery and boiler.
Key words :Coke oven gas ;NO x formation mechanism ;Iow NO x combustion technology
焦炉煤气的产量按质量计为投入炼焦干煤的15%~18%,2009年我国产煤气1500亿据报道,m 3[1-2]。随着钢铁和炼焦行业的迅猛发展,焦炉煤其合理利用越来越受到重视。气的产量也大幅提高,
焦炉煤气主要是用作燃料,燃烧过程中不可避免地排放废烟气。近20年来,国内对二氧化硫的排放予
2007年硫氧化物排放开始出现降低趋以重点监控,
但对氮氧化物排放并未予以重视,使得NO x 排势,
NO x 排放量逐年增加。氮氧放没有得到严格控制,
化物能通过一系列复杂化学变化形成光化学烟雾、
酸雨,损害人和动物健康,引起土质酸化,破坏生态。2012年10月1日实施的国家标准《炼焦
GB 1611—2012对氮氧化学工业污染物排放标准》环境
化物排放已经有了严格要求,因此,及时、系统、深入地开展焦炉煤气低氮氧化物燃烧技术的研究尤显重
要。
收稿日期:2012-09-14
作者简介:何选明(1987-),男,硕士研究生基金项目:
[3-4]
1
焦炉煤气燃烧NO x 生成机理
CO 焦炉煤气可燃成分达90%以上,主要是H 2、
和CH 4,含N 2为3%~7%,燃烧速度快,火焰短而温度高,辐射能力强。在燃烧过程中不可避免地亮,
生成机理主要有以下3种。要产生NO x ,1.1
热力型NO x
热力型NO x 源于燃烧过程空气中的N 2被氧
化。当温度高于1800K 时,空气中的O 2离解成原子状态的O ,与N 2发生反应,反应机理如下:
N 2+O =NO +N N +O 2=NO +O
N +OH =NO +H
冯杰等人通过研究发现其热力学方程为:
d [NO ]1/2
=2k 1k 0[N 2][O 2]d t
2k 1k 0=k =3×1014·exp (-542000/RT ),T 为式中,
[5]
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K ;R 为通用气体常数,J /(mol ·K )。绝对温度,
NO x 主要在火焰下游的高温区生成[6]。影响热力型NO x 生成的主要因素是温度和氧氮浓度以及燃料在高温区的停留时间。1.2
快速型NO x
快速型NO x 主要是由燃烧中间产物HCN 经过一系列复杂反应最后氧化生成。快速型NO x 生成速度快,对温度的依赖程度较低。生成机理见图1
。
抑制温度热力型NO x 的生成是实现其燃烧低NO x
排放的主要途径。
传统的炼焦方式很难发生革命性变化,焦炉设
[10-11]
。为了保证焦计偏向特大型化是其发展趋势
需要提高火道温度。火道温度的提炉的生产效率,
高会使焦炉燃烧过程中产生大量的NO x ,传统的废气循环技术已不能满足低NO x 排放的要求。
3
3.1
控制气体燃烧型NO x 排放的方法
废气循环
烟气循环是目前使用较多的低NO x 燃烧技术。如图3所示,在空气预热器前抽取一部分低温烟气
图1
快速型NO x 生成机理图
直接送入炉膛,或者渗入一次风或二次风中,因烟气的吸热和对氧气的稀释作用会降低燃烧速度和炉内温度,故抑制了热力型NO x 的生成。烟气循环法特
[12]别适用于含氮量低的燃料。经验表明,烟气再循环量一般控制在10%~20%,若超过30%则会降低
Hayhurst
[7]
等把快速型NO x 的反应过程简化为
CH 2+N 2=HCN +NH
下面2个反应:
CH +N 2=HCN +N
快速型NO x 是碳氢燃料在富燃条件下(α<1)快速反应生成的,其生成条件就是碳氢类燃料分解
产生较多的活性CH i 自由基,与N 2反应生成中间产物HCN 。其生成位置为火焰内部1.3燃料型NO x
[6]
燃烧效率,降氮效果最高达25%。如采用废气循环
[9]
技术的焦炉,当立火道温度高于1350℃,用焦炉
3
煤气加热时NO x 生成量以NO 2计由1300mg /m下
。
降至800mg /m以下
。
3
燃料型NO x 是指燃料中的氮在燃烧过程中经过一系列的氧化还原反应而生成的NO x ,液体和固体燃烧产生的NO x 90%属于燃料型型NO x 的生成与分解过程
。
[8]
。图2为燃料
图3烟气再循环系统示意图
3.2
图2
NO x 生成分解过程
空气分级燃烧
空气分级燃烧是比较成熟的低NO x 燃烧技术
图4是燃烧室分级示意图。其核心思路是避之一,
开高温和大过剩空气系数的同时出现,从而降低NO x 的生成。主要方法是先将一定比例的空气(小于理论空气量)从燃烧器送入,使燃料在缺氧条件下燃烧,燃烧温度和速度都降低,燃料由于不能完全HCN 、CN 、NH 3和NH 2燃烧而生成中间产物HN 、等,其相互复合生成N 2或者将已经生成的NO x 还原分解。然后将剩余的部分空气以二次风的形式送入,使燃料在空气过剩的情况下充分燃烧。在此区
在燃尽区也不会有大量的NO x 间由于火焰温度低,
生成,因此总NO x 生成量减少,此法降氮效果最高
控制燃料型NO x 生成的主要技术是降低α值,使燃料在远离理论空气比的条件下进行燃烧或者改
用含N 组分较少的燃料。
2
焦炉煤气燃烧过程中NO x 的排放特性
焦炉煤气中有机氮含量极少,只能产生小部分
[9]
快速型NO x ,几乎没有燃料型NO x 生成。钟英飞通过实验得出,焦炉煤气燃烧过程中产生的NO x 95%是温度热力型。因此,对于焦炉煤气燃烧,
8
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[13]
。德国普罗斯佩尔(Prosper )焦化厂7.1m 为30%
1#和3#焦炉为卡尔史蒂尔(Carl ·still )型分6段供空
#
2#焦炉奥托(Otto )型分3段供空气,火道温度1气,
2#焦炉1340℃,3#焦炉1310℃(未加焦炉1320℃,
3
校正值),其NO x 实测为390mg /m。迪林根(Dilin-
生成,见图5。其降氮效果可达50%,一般需要第2
种还原性质的再燃燃料。国内很多电厂通过燃煤发电,采用燃料分级技术将还原性气体天然气、焦炉煤气、水煤气等气体作为再燃燃料,达到了降低NO x 排放的目的。
3.4高温贫氧技术
以采用高效蓄热式燃烧系统为特征的高温空气燃烧技术是当今最先进的燃烧技术之一。它具有两大关键技术特点:一是高效率的新型蓄热体,以此获得高温助燃空气。二是通过稀释反应区的含氧体积浓度,获得低氧浓度气氛。通过调整炉膛结构,常温
进入炉膛后卷空气被蓄热体加热到接近炉膛温度,
吸周围炉内的气体形成一股含氧量大大低于21%
的稀薄低氧高温气流,使氧在炉膛内部得到均匀分布,此时往稀薄高温空气中注入的燃料在低氧(2%~20%)状态下燃烧,使传统的锋面燃烧变成了空间燃烧
,从而使炉内温度均匀分布,并强化了炉
但由于内换热。这样尽管空气被预热到很高温度,则抑制了热力型NO x 的火焰的最高温度相对较低,
生成。如空气预热到1423K ,空气含氧量由21%降NO x 的生成量由3750mg /m3减少到低到2%时,
54mg /m3[17]。钟水库[18]对焦炉煤气进行高温贫氧实验结果表明,空气预热温度、空气中的氧含燃烧,
预热空气和燃料的流动状态及混合方式、焦炉煤量、
气的组成是影响NO x 生成的重要因素。国内钢厂在应用高温贫氧技术时主要将其作为节能技术使用,技术使用前的论证工作不够充分,引进后直接蓄热室温度过高等问投产后导致出现燃烧不完全、题,并未达到预期的节能目的,影响了该技术的效果。在今后高温贫氧技术的进一步研究和推广中需要有整体规划,在改造前建立每座炉子改造的节能目标,并建立统一的考核验证体系,最大程度地发挥
[20]
该技术的节能和环保作用。
[19]
[15-16]
gen )厂6.25m 捣固焦炉,分三段供入空气和贫煤
气,火道温度1350℃(未加校正值),其NO x 排放月平均为290~310mg /m。普罗斯佩尔厂和迪林根厂
[9]
的焦炉未采取废气循环技术。上述生产实践说明,在无废气循环的条件下,采用分段加热技术可以降低燃烧温度,降低NO x 浓度。日本人古田周平开发的新式焦炉结构通过改变炉底孔的形状并将燃气孔和空气孔交错配置,采用三级燃烧方式,使一定比例的废气循环,实现了焦炉的均匀加热和NO x 低排放
。
[14]
3
图4燃烧室空气分级燃烧示意图
3.3燃料分级燃烧
燃料分级也称作再燃技术,是把燃料分成两股
或者多股送入炉膛内燃烧,分为3个燃烧区间。第1区间燃料充分燃烧(α>1),生成大量的NO x 。第2区间称为再燃区(α<1),加入具有还原性质的再燃燃料形成还原性气氛,将之前生成的NO x 还原。第3区间称为燃尽区(α>1),燃料充分燃烧,由于在再燃区NO x 被还原,在此区间只会有少量的NO
x
图5再燃烧示意图图6高温贫氧燃烧示意图
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3.5浓淡偏差燃烧
浓淡偏差燃烧是近几年国内外采用的一种降低锅炉燃烧排放NO x 的燃烧技术,是对装有2个以上燃烧器的锅炉,使部分燃烧器供应较多的空气(α>1),即燃料过淡燃烧;部分燃烧器供应较少的空气
[21](α<1),即燃料过浓燃烧。此法原理如图7所示,燃料分为两股不同浓度的气流,即燃料浓度高的
促进含碳物质的完全氧化。同时在保证氧的参与,
燃烧效率的前提下,使燃烧过程可在低于热力型NO x 生成温度下进行,NO x 的产生被明显抑制,如图8所示(1400℃以上为热力型NO x 生成区)。Sa-zonov 等[25]研究甲烷贫燃催化燃烧,实验结果表明,当甲烷体积分数在5.5%~9%变化时,催化燃烧的温度稳定在700~800℃,燃烧产物为水和二氧化NO x 接近于零排放。研究还发现空气预热温度碳,越高,燃烧时所需甲烷百分含量越少
。
流股C 1和燃料浓度较淡的流股C 2,分别送入炉内
燃烧,对于整个燃烧器,其NO x 生成量即(NO x )C 1与(NO x )C 2的加权平均值(NO x )pm 与单流股C 0相比,生成的NO x 要低。从清洁燃烧的角度看,浓淡偏差燃烧大大有利于抑制NO x 的生成
。
图8
图7
浓淡偏差燃烧原理
燃烧室中温度分布与NO x 排放情况
我国在催化燃烧方面的研究虽起步较晚,但在
3.6
低NO x 燃烧器
通过设计一定结构的燃烧器,改变燃烧方式和空燃比达到最大限度抑制NO x 生成的目的。低NO x 燃烧器主要分为以下几类:阶段型、浓度偏差
烟气再循环型以及多次分级混合型燃料分级低型、
NO x 燃烧器、大速差射流型双通道自稳式燃烧器。低NO x 燃烧器能在燃料着火阶段就抑制NO x 的生因此,得到了广泛的开发和利用。我国自行开发成,
的比较先进的低NO x 燃烧器有清华大学开发的火焰船式低NO x 燃烧器、浙江大学开发的撞击式可调浓度煤粉浓缩燃烧器。低NO x 燃烧器与空气分级技术结合使用可使降氮效率提高到60%3.7催化燃烧
催化燃烧由Pfefferle
[24]
[22-23]
催化剂助剂及催化剂制备方法方面进行了大量的研
[26]
究工作,陈耀强等研究了家用燃气催化燃烧热水设计出一款家用催化燃烧器燃烧特性及排放情况,
Dupont 等[27-28]对天然气催化燃烧热水器。张世红、
近零污染物排放进行了机理探讨和应用实践,而且进
一步探讨了硫存在时天然气催化燃烧的机理和应用。
4结语
焦炉煤气燃烧产生的氮氧化物主要为温度热力型,因此,实现焦炉煤气低氮氧化物燃烧可以采用的
空气分级燃烧、焦炉技术主要有以下几种:废气循环、
煤气分级燃烧、高温低氧燃烧、浓淡偏差燃烧、特定设
催化燃烧等技术,或者采取几种方式结合计燃烧器、
的方法。也可以采用燃烧后处理的方法来减少氮氧
化物的排放,如选择性非催化脱硝、选择性催化脱硝、湿法烟气脱硝技术、等离子体过程烟气NO x 治理技术。焦炉煤气高效、低排放燃烧以及新式低NO x 排放焦炉设计必将引起研究者们的重视和兴趣并为我国能源合理、充分利用提供方法借鉴与技术支持。
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10
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櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘
煤气系统填料洗涤塔
本实用新型涉及一种煤气系统填料洗涤塔,洗涤塔上部的侧壁上设有迷宫式捕雾器,迷宫式捕雾器下方
的洗涤塔内安装有槽盘式液体分布器,槽盘式液体分布器下方安装有槽盘式液体再分布器,槽盘式液体分布器与槽盘式液体再分布器之间填充填料。槽盘式液体分布器的上部设有主槽,主槽底端设有方形分配孔,主槽下端与分配盘连接,分配盘底端设有液体分布孔;分配盘内设有锥形稳流板,锥形稳流板通过两个连接板焊接固定在主槽底端;槽盘式液体分布器安置在填料上表面50~300mm 处。
与现有技术相比,本实用新型的有益效果是:采用槽盘式液体分布器,液体在洗涤塔内均匀直线下降,有效地解决了雾沫夹带的问题;液体直线下降而不是呈锥形喷溅状态,无需过高的喷洒高度,可降低填料洗涤塔的设备高度,有效降低设备成本。
[专利申请号ZL[1**********]6.2
专利发明人:吕成于涛孟凡盛等]