添加生物质气化气选择性自动催化还原技术1研究目的选择性非催化还原（SNCR）技术是一种低成本的电站锅炉烟气脱氮技术，该技术在900—1100℃范围内才能保证较高的脱硝效率。本创新性实验计划项目提出以生物质气化气为SNCR反应的添加剂，提高低温条件下的SNCR脱硝反应效率，同时实现了可再生的生物质资源的利用。2研制背景燃煤电站锅炉产生的氮氧化物(NOx)是主要大气污染物之一，氮氧化物除了形成酸雨，破坏生态环境，还能形成光化学烟雾，直接危害人类健康。2004年全国氮氧化物排放总量达到1600万吨，火电机组排放量约占一半。本作品以生物质气化气为SNCR反应的添加剂，利用丰富的可以再生的生物质资源实现提高SNCR技术的脱硝率，旨在发展一种煤粉锅炉高效、低成本的低NOx排放方法。典型的SNCR系统如图1，本项目提出的以生物质气化气为添加剂的SACR技术系统图见图2，本项目提出的脱硝系统，不需要催化剂，系统简单可靠，低成本，高脱硝率，便于实施，同时利用丰富的生物质资源，而生物质气化技术相对成熟，技术风险低。图1SNCR工艺原理示意图图2添加生物质气化气SACR原理示意图3研究内容及研究方案本项目通过试验研究和化学反应动力学计算来认识CH4、H2、CO等成分单独与共同作用下的SNCR脱硝反应机理，为生物质气化气为添加剂的SNCR技术提供理论依据。3.1试验装置和试验方法试验在携带流反应器上进行，试验系统见图3，包括模拟烟气配气系统、反应系统和烟气成分分析系统三部分。利用气瓶气通过质量流量计控制反应气体的组成，配气系统送出两股气流，一股主气流包含N2、O2和NO，另一股气流包含NH3和添加剂。这两股气流在反应系统的预热段被加热至反应温度，然后在反应段的入口开始混合反应。反应段长30cm，内径5cm，反应段的温度分布见图4。在反应段的出口，通过油冷的取样枪将反应后的气体引出，保证反应气体在取样过程中不发生反应。NO、NH3、CO和CH4的浓度通过FTIR在线连续测量，O2的浓度通过电化学的方法测量。图3试验系统示意图图4反应段温度分布3.2反应机理的选择利用CHEMKIN4.1软件中PLUG模块，采用目前描述SNCR反应应用较多的AA机理和Miller等[3]的GAD98-M99反应机理，对NH3选择性非催化还原NO的化学动力进行了计算和分析。试验和反应动力学模拟结果见图5-图7，φ(NO)out/φ(NO)in为出口NO浓度与入口NO浓度的比值。可以看出两种反应机理的数值模拟结果和试验结果大体吻合，因为计算时反应器采用PFR模型没有考虑气体混合的过程，而试验过程中气体存在混合过程，所以反应动力学模拟得到的NO还原效果要优于试验效果，而GAD98-M99反应机理与实验数据吻合得更好。图5CO作添加剂时模拟与实验结果图6CH4作添加剂时模拟与实验结果图7H2作添加剂时模拟与实验结果图8CH4/CO/H2作复合添加剂时模拟与实验结果NH3和添加剂NOO2N2质量流量计控制器烟气分析仪r排空预热段反应段取样枪3.3反应器模型选择通常对携带流反应器上SNCR反应的化学反应动力学模拟都是采用PFR模型，假设中心射流和环形射流在反应前充分混合，所以模拟结果和试验结果存在一定偏差。本研究反应动力学计算的反应器模型分别采用PFR模型和考虑混合过程的Zwietering模型。Zwietering提出的“最大混合模型”可以描述携带流反应器上宏观尺度的混合过程[4，5]，理论模型见图9。中心射流环形射流0mixττ混合流图9Zwietering反应器模型(4)定义90%的环形射流混入中心射流所用的时间为t90，并近似认为t90为混合特征时间为：(5)以不参加化学反应的氩气作为中心射流的示踪气体，由CFD软件对携带流反应器上的流动混合过程进行模拟而得到t90的近似值。随着环形射流不断混入，中心射流的氩气浓度沿程不断降低。混合过程完成后，反应器轴线上的氩气浓度达到最低值。近似认为反应器轴线上氩气浓度达到反应器出口(混合过程已经结束)轴线上氩气浓度的110%的位置所对应的停留时间为t90。在1000℃条件下，n(Ar)/n(NO)为1.5时得到携带流反应器内氩气浓度分布，见图10。在Chemkin4.1软件平台上，对PFR模型和Zwietering模型进行比较。反应动力学计算的条件与实验条件相同。反应器出口NO摩尔分数随反应温度的变化见图11，Zwietering模型的计算结果...
