生物质气再燃脱除燃煤流化床烟气中N2O的机理研究

论文摘要

流化床燃煤技术在燃烧过程中能够控制二氧化硫（SO2）和氮氧化物（NO和NO2）的排放,但它的氧化亚氮（N2O）排放浓度（约为30～360mg/Nm3）,比传统煤粉炉排放浓度（低于30 mg/Nm3）高出数倍。N2O是一种对大气环境有很大破坏作用的温室气体,煤的流化床燃烧是其重要来源。因此,有必要对N2O问题进一步认真研究,找到抑制N2O生成的有效方法。生物质资源具有可再生性和CO2净零排放特性,通过热解气化可以转化为以H2、CO和CH4为主的可燃气体,基于这些可燃气具有还原性能够实现N2O的转化,本文提出通过生物质气化气在燃煤炉膛中再燃（生物质间接与煤混燃）的方式,降低N2O的排放。与生物质和煤粉直接混燃相比,这种间接混燃方式不仅能够有效地降低N2O的排放,还能避免直接混燃产生的炉内积灰、结焦和腐蚀等问题,从而能保证燃煤流化床锅炉的安全、经济和稳定运行。围绕着生物质气化气再燃减少N2O排放的主题,本文通过实验分析和理论分析,研究了生物质气化气及其主要组分对N2O均相和非均相分解的影响。从生物质气主要组分H2、CH4和CO出发,在小型立式流化床实验台上通过改变再燃气占烟气比例和烟气含氧量研究生物质气及其主要组分对N2O均相分解的影响规律。当反应温度为900℃时,占烟气比例相同的CO、H2和CH4对N2O分解的促进作用顺序是：H2>CO>CH4;相同烟气含氧量下,N2O分解率随着H2、CO和CH4含量的增加而增大；相同比例的H2或CO作用时N2O分解率随烟气含氧量的增大而降低,相同比例的CH4作用时N2O分解率随烟气含氧量的增大而增大。基于CFB锅炉的燃烧工况,考察了电厂循环灰和底灰及其主要氧化物组分CaO、Fe2O3、Al2O3和SiO2作用下生物质气对N2O非均相分解的影响。实验结果发现：分别以四种氧化物为床料时,床料CaO对N2O非均相分解的促进作用最大；若烟气不含氧,在循环灰和底灰作用下,当生物质气量为0.2%时N2O非均相分解率比无生物质气时高出10%,而烟气含氧时N2O分解率随生物质气量增大而增加；循环灰作用下生物质气组分H2对不含氧烟气中N2O非均相分解促进作用最大,而对应烟气含氧,循环灰作用下生物质气组分CH4对N2O非均相分解促进作用最大。基于化学反应动力学理论,利用柱塞流模型揭示了燃烧工况对N2O均相分解的影响机理：随着温度从800℃升高到1000℃,N2O分解趋势增强,其中反应N2O+H<=>N2+OH起主要作用,反应N2O（+M）<=>N2+O（+M）的作用随温度增加而增强；随着烟气含氧量和烟气含H2O量的增加,N2O分解趋势减弱；烟气含氧量为1%和含H2O量为4%时,反应N2O+H<=>N2+OH起主要作用,烟气含氧量为5%和含H2O量为20%时,反应N2O（+M）<=>N2+O（+M）起主要作用；考虑SNCR喷氨法进行燃烧后脱氮会产生NH3对N2O分解的影响,研究发现随NH3与N2O摩尔比的增加,N20分解趋势减弱。基于量子化学理论,通过密度泛函理论（DFT）方法和周期层模型方法,研究了CaO表面N2O非均相分解的机理,发现N2O分子在CaO（100）表面和（110）表面的O位点发生吸附分解反应形成原子O和N2分子,原子O进一步和N2O分子反应生成氧气和N2分子。电子特性分析结果表面表明CaO对N2O分子的分解去除反应具有很高的化学活性,并印证了反应机理分析的合理性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• X的研究现状'>1.2 再燃还原NO_X的研究现状
• 2O分解的研究现状'>1.3 氧化亚氮N₂O分解的研究现状
• 2O分解的影响因素'>1.3.1 N₂O分解的影响因素
• 2O的分解机理'>1.3.2 N₂O的分解机理
• 1.4 本论文的研究内容及意义
• 2O均相分解的影响'>第2章 生物质气及其组分对N₂O均相分解的影响
• 2.1 引言
• 2.2 实验装置及实验方法
• 2.2.1 实验装置
• 2.2.2 实验方法
• 2.2.3 系统的温度特性
• 2.3 实验结果及分析
• 2O均相分解的影响'>2.3.1 氢气对N₂O均相分解的影响
• 2O均相分解的影响'>2.3.2 甲烷对N₂O均相分解的影响
• 2O均相分解的影响'>2.3.3 一氧化碳对N₂O均相分解的影响
• 2O均相分解的影响'>2.3.4 生物质气对N₂O均相分解的影响
• 2.4 本章小结
• 2O非均相分解的影响'>第3章 生物质气对N₂O非均相分解的影响
• 3.1 引言
• 3.2 实验装置及方法
• 3.2.1 实验装置
• 3.2.2 实验方法
• 2O的影响'>3.3 电厂灰的组份对生物质气还原N₂O的影响
• 3.3.1 氧化钙的影响
• 3.3.2 二氧化硅的影响
• 3.3.3 三氧化二铁的影响
• 3.3.4 三氧化二铝的影响
• 2O的影响'>3.4 电厂灰对生物质气及其组分还原N₂O的影响
• 2O非均相热分解的影响'>3.4.1 电厂灰对N₂O非均相热分解的影响
• 2O分解的影响'>3.4.2 电厂灰对生物质气还原N₂O分解的影响
• 2O分解的影响'>3.4.3 电厂灰对生物质气组分还原N₂O分解的影响
• 3.5 不同床料之间的比较
• 3.6 本章小结
• 2O的反应动力学分析'>第4章 C/H/O/N系脱除N₂O的反应动力学分析
• 4.1 引言
• 4.2 反应动力学模型
• 2O分解影响的动力学模拟'>4.3 C/H/O/N系对N₂O分解影响的动力学模拟
• 2O分解影响的动力学模拟'>4.3.1 生物质气特性对N₂O分解影响的动力学模拟
• 2O分解的影响作用'>4.3.2 反应温度及烟气特性对N₂O分解的影响作用
• 3对N₂O分解的影响作用'>4.3.3 含氮物质NH₃对N₂O分解的影响作用
• 4.4 本章小结
• 第5章 CaO催化脱氮反应机理初探
• 5.1 引言
• 5.2 理论计算模型和方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 CaO表面特性
• 2O分子在CaO表面的吸附'>5.3.2 N₂O分子在CaO表面的吸附
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
• 攻读博士学位期间参加的科研工作
• 致谢
• 作者简介