周 昊,時 偉,朱國棟
(浙江大學(xué) 能源清潔利用國家重點實驗室,浙江 杭州310027)
由于能源結(jié)構(gòu)的限制,煤炭是我國的主要能源[1],煤燃燒是大氣重要污染物氮氧化物(NOx)的主要來源.在鍋爐煙氣脫硝技術(shù)領(lǐng)域,大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用基本上就是采用選擇性催化還原技術(shù)(selective catalytic reduction,SCR)[2]技術(shù)和選擇性非催化還原(selective non-catalytic reduction,SNCR)[3]技術(shù)以 及SCR/SNCR[4-5]耦 合 脫 硝.SNCR 反 應(yīng) 效 率是后2種煙氣技術(shù)脫硝的關(guān)鍵,影響SNCR 反應(yīng)效率的因素主要有溫度窗口、停留時間、反應(yīng)劑和煙氣混合的程度、初始NOx濃度水平、噴入的反應(yīng)劑與NOx的 摩 爾 比(normalized stoichiometric ratio,NSR)、氣氛(氧量、一氧化碳濃度)、還原劑的類型和狀態(tài)以及添加劑的作用等.
通過加入添加劑提高SNCR 脫硝效率的方法已有眾多研究,常見的添加劑主要有含氧有機化合物[6-7]、鈉鹽[8-9]以及天然氣3類.研究表明:鈉鹽可提高SNCR 反應(yīng)溫度窗口兩端的脫硝率,但是不能使最佳脫硝反應(yīng)溫度移動.
在溫度低于950 ℃時,有機添加劑通過在反應(yīng)區(qū)產(chǎn)生活性基團CHi、OH 等,能夠在較低的溫度下激活脫硝反應(yīng)鏈,提高SNCR 反應(yīng)效率.天然氣對于以尿素為還原劑的SNCR 反應(yīng),在1 000℃以下基本沒有作用[6].根據(jù)Bae等[11-13]的研究,CO 的存在會使SNCR 反應(yīng)溫度窗口和最佳脫硝溫度向低溫方向偏移,同時溫度窗口的寬度變窄.
在實際工程中,一旦尿素噴槍安裝定位,則該噴射點必須在最佳溫度窗口內(nèi)才能獲得良好的脫硝率.然而,由于煤種和鍋爐的燃燒特性發(fā)生變化,爐內(nèi)煙氣中產(chǎn)生CO 的體積分?jǐn)?shù)可能會產(chǎn)生很大變化,當(dāng)煙氣中CO 體積分?jǐn)?shù)超過300μL/L 之后,最佳 反 應(yīng) 溫 度 會 降 低50 ℃[14],會 造 成SNCR 效 率 下降.目前,對于煙氣中高濃度CO 導(dǎo)致SNCR 效率下降的情況并沒有很有效的解決方法,主要原因有:一是噴槍位置、層數(shù)都是提前選定安裝好的,更改起來難度很大;二是煙氣中的CO 體積分?jǐn)?shù)分?jǐn)?shù)是波動的,隨著煤種和燃燒情況變化,無法確定準(zhǔn)確的溫度窗口范圍.因此,找到能夠消抵CO 對SNCR 影響的方法具有重要的實際應(yīng)用價值.
甲基環(huán)戊二烯三羰基錳(methylcyclopentadie-nyl manganese tricarbonyl,MMT)是一種汽車燃油添加劑,可以提高燃油的辛烷值.1995年,MMT 在美國重新獲批在汽油中添加使用.1998 年,MMT在加拿大獲得銷售許可[15].我國在2000年7 月禁止在燃油中加入鉛,之后,MMT 在國內(nèi)開始大規(guī)模使用.MMT 是略帶琥珀色的液體,易溶于有機溶劑,不溶于水,在大氣中迅速分解[16-17].馮永明[18]通過對美國2002~2004年有關(guān)MMT 對汽車尾氣排放影響的實驗數(shù)據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn):含MMT 的燃油比不含MMT 的燃油NOx降低11.6%.殷紅等[19]研究發(fā)現(xiàn),在煤粉中添加MMT,可同時降低飛灰含碳量和NOx排放量,但是該研究沒有涉及MMT 和尿素協(xié)同使用時的脫硝效果.基于以上研究基礎(chǔ),本文深入、系統(tǒng)地研究MMT 和尿素協(xié)同使用下的脫硝效率,同時研究煙氣中不同體積分?jǐn)?shù)的CO 對MMT添加劑脫硝效率的影響.燃煤添加劑母液中的MMT 質(zhì)量濃度是15%,溶劑為二甲苯,乳化劑為十二烷基苯磺酸鈉和烷基酚聚氧乙烯醚(op-10),這樣MMT 添加劑便將鈉鹽和含氧有機化合物作為添加劑的作用疊加,這種MMT 混合液作為添加劑可以提高SNCR 效率,從而部分消除CO 造成溫度窗口偏移帶來的影響.
本實驗裝置由石英管反應(yīng)器、電加熱爐、配氣系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)和測量系統(tǒng)組成,如圖1所示.配氣系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)鋼瓶壓縮氣來提供模擬煙氣所需要的NO、O2、CO 以及N2,載氣成分為N2,通過質(zhì)量流量計控制入口氣體成分的比例,從質(zhì)量流量計出來的各路氣體進(jìn)入混合器中,混合均勻后進(jìn)入預(yù)熱爐,氣體經(jīng)過預(yù)熱爐預(yù)熱后,氣體溫度達(dá)到要求的反應(yīng)溫度.為了防止氣體經(jīng)過預(yù)熱爐時其中的CO 氣體被氧化,特別在預(yù)熱爐出口設(shè)有一臺Testo350煙氣分析儀,監(jiān)控氣體的組分變化.氣體預(yù)熱后進(jìn)入石英管反應(yīng)器中,反應(yīng)器位于反應(yīng)爐內(nèi),反應(yīng)爐為定制的開啟式可編程管式爐,有效加熱段為500mm,通過程序控制升溫.實驗前用熱電偶對反應(yīng)爐加熱段進(jìn)行溫度標(biāo)定,如圖2所示為電加熱爐溫度場分布情況.其中D 表示電加熱爐內(nèi)部不同位置到氣體入口的距離,t表示反應(yīng)溫度.從圖2 可以看出,在400 mm 內(nèi),溫度分布均勻.

圖1 模擬煙氣SNCR 反應(yīng)實驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of SNCR reaction test system for simulating flue gas

圖2 電加熱爐溫度場分布Fig.2 The temperature distribution in electric heating furnace
為了模擬實際工程中SNCR 的尿素特性,本實驗配置質(zhì)量濃度為10%的尿素溶液,并將尿素溶液至于恒溫水浴箱中,保持尿素溶液溫度為50 ℃.將MMT 添加劑直接添加到尿素溶液中,混合均勻后遮光使用,防止MMT 分解.實驗中通過設(shè)置恒定的蠕動泵轉(zhuǎn)速來控制氨氮摩爾比維持在1.5,尿素溶液及添加劑經(jīng)蠕動泵進(jìn)入反應(yīng)器中.為了使液體充分受熱氣化分解,在反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有錐形斜面,斜面下方設(shè)環(huán)形托槽,槽內(nèi)填裝高純石英砂,石英砂每做一個工況即進(jìn)行更換.本次實驗溫度范圍為750~1 150 ℃,反應(yīng)器設(shè)計長度為350 mm,內(nèi)徑為28 mm,通過電磁流量計控制各氣體成分體積分?jǐn)?shù),保證反應(yīng)停留時間大于0.7s,入口NO 的氣體體積分?jǐn)?shù)分?jǐn)?shù)為350μL/L.采用Testo350 煙氣分析儀在線測量反應(yīng)前后氣體中NO、CO 及O2等氣體體積分?jǐn)?shù).
實驗中維持O2體積分?jǐn)?shù)為4%,NO 入口體積分?jǐn)?shù)為350μL/L,根據(jù)文獻(xiàn)[3]、[8],在保證脫硝效率并且控制二次污染的基礎(chǔ)上,反應(yīng)劑與NOx的摩爾比(NSR)選為1.5比較合適,本次實驗NSR 均選用1.5,將質(zhì)量濃度為10%的尿素溶液置于50℃恒溫水浴中作為還原劑.在設(shè)定反應(yīng)溫度下,分別向尿素溶液中添加不同質(zhì)量濃度的MMT 溶液,使得MMT 在模擬煙氣中質(zhì)量濃度不同,得到不同MMT 添加質(zhì)量濃度下NO 的脫除率.


圖3 添加MMT質(zhì)量濃度對脫硝效率的影響Fig.3 Effect of MMT with different mass fractions on NOxremoval efficiency
如圖4所示為當(dāng)NSR 為1.5、氧的體積分?jǐn)?shù)為4%、入口NO 體積分?jǐn)?shù)為350μL/L 時,模擬煙氣中混有不同體積分?jǐn)?shù)CO 的情況下NO 脫除效率的變化情況.為了便于描述,定義φ(CO)為CO 在模擬煙氣中的體積分?jǐn)?shù).可以看出,隨著φ(CO)增大,NO 脫除率η 有小幅度下降,當(dāng)φ(CO)從0增加到800μL/L時,η從83%下降到75%,最佳脫除溫度從950 ℃下降至800 ℃.最佳脫除溫度向低溫段移動,同時溫度窗口變窄,這與Bae等[11-12,20-21]的研究結(jié)果相近.

圖4 CO 體積分?jǐn)?shù)對SNCR 脫硝效率的影響Fig.4 Effect of CO volume fraction on SNCR NOx removal efficiency
如圖5 所示為當(dāng)NSR 為1.5、氧體積含量為4%、MMT 添加質(zhì)量濃度為40mg/L 時,模擬煙氣中含有不同CO 體積分?jǐn)?shù)對脫硝效率的影響情況.與圖4相比可以發(fā)現(xiàn),加入MMT 添加劑之后,模擬煙氣中含有不同體積分?jǐn)?shù)CO 條件下,SNCR 反應(yīng)的最大脫硝效率均有所提高.
為了考察MMT 添加劑對SNCR 反應(yīng)溫度的影響,將最佳脫硝反應(yīng)溫度附近、能使脫硝效率達(dá)到50%以上的脫硝反應(yīng)溫度變化范圍定義為脫硝溫度窗口寬度(Δtwin),將脫硝效率極大值對應(yīng)的反應(yīng)溫度定義為最佳反應(yīng)溫度(topt).如圖6 所示為不同CO 體 積 分 數(shù) 下,添 加MMT 前(topt、Δtwin)、添 加MMT 后(Δtwin、topt)的變化情況.為了便于比較,圖7分別將不同CO 體積分?jǐn)?shù)下以及有無MMT 情況下的NO 脫除率變化情況進(jìn)行對比.

圖5 MMT與不同體積分?jǐn)?shù)CO 對脫硝效率的影響Fig.5 Effect of MMT and different volume fraction CO on NOxremoval efficiency

圖6 CO 體積分?jǐn)?shù)與MMT 對脫硝溫度窗口寬度和最佳反應(yīng)溫度的影響Fig.6 Effects of CO volume fraction and MMT on denitration temperature window width and optimum reaction temperature
結(jié)合圖6和圖7得出以下結(jié)論:1)當(dāng)只添加尿素時,隨著模擬煙氣中CO 體積分?jǐn)?shù)CO 體積分?jǐn)?shù)的升高,脫硝溫度窗口寬度逐漸變窄,當(dāng)φ(CO)從0增加到800μL/L時,Δtwin從201℃縮窄至50℃.添加MMT 后,在各φ(CO)下脫硝溫度窗口寬度均增加,且溫度窗口寬度相近,為220~240℃.2)當(dāng)只添加尿素時,隨著φ(CO)的升高,最佳反應(yīng)溫度逐漸降低,當(dāng)φ(CO)從0增加到800μL/L 時,最佳反應(yīng)溫度從950℃降低至800℃.加入MMT 后,最佳反應(yīng)溫度跟只添加尿素時相比有所降低,且隨著φ(CO)增加降低幅度逐步減小,當(dāng)φ(CO)=800 μL/L時,最佳反應(yīng)溫度基本相同.3)從圖7可以看出,MMT 添加劑不僅可以提高topt左側(cè)低溫區(qū)SNCR 反應(yīng)的脫硝效率,而且能夠在topt右側(cè)高溫區(qū)抵減CO對SNCR脫硝的抑制作用,擴寬脫硝溫度窗口寬度,使得最大NO 脫除率在φ(CO)=0 時,從83%增大至89%;在φ(CO)=200μL/L時,NO 脫除率從80%增大至85%;當(dāng)φ(CO)=500μL/L時,NO脫除率從79%增大至85%;當(dāng)φ(CO)=800μL/L時,NO脫除率從75%增大至83%.

圖7 MMT添加劑在不同CO 體積分?jǐn)?shù)下對脫硝效率的影響Fig.7 Effect of MMT additive on denitration efficiency under different CO volume fractions
向反應(yīng)器中通入初始模擬煙氣成分如下:O2體積分?jǐn)?shù)4%,NO 入口體積分?jǐn)?shù)為350μL/L.初始?xì)怏w流量為3.6L/min.在此條件下分別向系統(tǒng)中通入體積分?jǐn)?shù)為0、200、500、800μL/L 的CO 氣體,當(dāng)SNCR 反應(yīng)的還原劑分別為尿素、尿素+MMT 時,反應(yīng)器出口CO 體積分?jǐn)?shù)如圖8所示.有尿素參與的反應(yīng),氨氮比控制在1.5.從圖中可以得出以下幾個結(jié)論.1)當(dāng)模擬煙氣中含有CO 時,CO 和O2能在溫度高于750 ℃時發(fā)生氧化反應(yīng),且CO 的初始體積分?jǐn)?shù)越高,同溫度下氧化率越高,在1 000 ℃時,CO 基本全部氧化.2)加入尿素后,在750℃時,反應(yīng)器出口CO 體積分?jǐn)?shù)略高于反應(yīng)器入口CO 體積分?jǐn)?shù).這是由于尿素高溫下按照反應(yīng)式(2)和(3)反應(yīng),產(chǎn)生HNCO[22-24],HNCO 按照反應(yīng)式(4)~(6)反應(yīng),產(chǎn)生CO[25]:

圖8 MMT添加到尿素中對CO 排放體積分?jǐn)?shù)的影響Fig.8 Effect of MMT additive to urea on CO emission volume fraction

3)加入MMT 添加劑之后,溶劑和乳化劑中的有機成分氧化產(chǎn)生CO,在CO 初始體積分?jǐn)?shù)為0和200μL/L 時,加入MMT 之后,CO 出口體積分?jǐn)?shù)在低溫區(qū)迅速升高.隨著溫度的升高,有機成分氧化產(chǎn)生的CO 和初始CO 被氧化為CO2,CO 排放體積分?jǐn)?shù)越接近未添加MMT 時的情況.隨著初始CO 體積分?jǐn)?shù)升高,相同溫度下CO 氧化速率加快,使得溶劑和乳化劑中的有機成分氧化產(chǎn)生的CO 物質(zhì)的量減小,定義參數(shù)φo(CO)表示反應(yīng)器出口CO體積分?jǐn)?shù),如圖8(c)、(d)所示,初始CO 體積分?jǐn)?shù)越高,添加MMT 前后產(chǎn)生的CO 排放體積分?jǐn)?shù)曲線越接近.
從2.4節(jié)的實驗結(jié)果可以看出,MMT 添加劑不僅可以提高低溫區(qū)SNCR 反應(yīng)的脫硝效率,而且能夠在高溫區(qū)抵減CO 對SNCR 脫硝的抑制作用,拓寬脫硝溫度窗口寬度.根據(jù)文獻(xiàn)[14]、[26]關(guān)于CO 對SNCR 反應(yīng)脫硝機理的研究,CO 能在較低溫度下,通過反應(yīng)式(7)~(9)產(chǎn)生OH 活性根:

以提高SNCR 反應(yīng)體系中的OH 濃度,從而促進(jìn)反應(yīng)(10)~(11)的發(fā)生,促進(jìn)NO 還原:

因此,SNCR 體系中添加CO 能夠使最佳反應(yīng)溫度向低溫方向移動.然而,隨著溫度的進(jìn)一步升高,CO的氧化反應(yīng)(式(7))和NH3的消除反應(yīng)(式(10))存在競爭關(guān)系,且溫度越高,反應(yīng)式(3)越占優(yōu)勢,從圖8(b)和(c)中可以看出,在低溫段加入尿素后CO 排放體積分?jǐn)?shù)均高于加尿素前,高溫段加入尿素后則有更多CO 被氧化,因此CO 排放濃度更低.這樣,通過反應(yīng)(7)~(9)的連鎖反應(yīng),會使反應(yīng)體系中產(chǎn)生高體積分?jǐn)?shù)OH 活性根,過高濃度的OH 活性根會使反應(yīng)(12)~(15)占主導(dǎo),代替反應(yīng)(11),當(dāng)溫度升高,OH 濃度累積,NH3被氧化:

這就導(dǎo)致更多的NH3被氧化成NO,從而使SNCR脫硝效率降低.實驗表現(xiàn)為體系中CO 體積分?jǐn)?shù)越高,溫度窗口向低溫端偏移,并且溫度窗口寬度變窄.
在SNCR 反應(yīng)體系中添加MMT 添加劑之后,與只含CO 的反應(yīng)體系相比,低溫端脫硝效率提高,這是由于MMT 的溶劑和乳化劑是有機溶劑,有機添加劑通過在反應(yīng)區(qū)產(chǎn)生活性基團CHi、OH 等,能夠在較低的溫度下激活脫硝反應(yīng)鏈,且有機溶劑氧化過程中產(chǎn)CO,導(dǎo)致體系中CO 濃度升高,進(jìn)一步產(chǎn)生OH 活性根,兩者共同作用在低溫段提高SNCR 脫硝效率.添加MMT 之后,溫度窗口拓寬,在高溫區(qū)脫硝效率也有提高.這是因為MMT 分解氧化后,在高溫區(qū)產(chǎn)生錳系氧化物,錳系氧化物能降低反應(yīng)(16)的活化能,對CO 的直接氧化具有催化作用[27]:

因此在高溫區(qū),反應(yīng)(16)取代反應(yīng)(7)成為主要反應(yīng),避免OH 活性根的高濃度積聚,從而使反應(yīng)(11)在更高溫度區(qū)間內(nèi)取得對于反應(yīng)(12)的優(yōu)勢,實驗表現(xiàn)為反應(yīng)溫度窗口擴寬.這與文獻(xiàn)[18]和[19]中提到的MMT 添加劑可降低燃油NOx排放,以及在煤粉中添加MMT 后,可同時降低飛灰含碳量和NOx排放量的現(xiàn)象也相吻合.
本文考察了在SNCR 體系中加入MMT 添加劑后,添加劑的最佳用量、添加劑對脫硝效率、溫度窗口的影響.對存在CO 的SNCR 體系中MMT 的作用效果進(jìn)行研究,分析反應(yīng)機理,得到的主要結(jié)論如下.
(1)MMT 添加劑的最佳添加質(zhì)量濃度為40 mg/L,將該質(zhì)量濃度的MMT 添加到到以尿素為還原劑的SNCR 反應(yīng)體系中,可以使反應(yīng)溫度窗口拓寬約30 ℃,最佳反應(yīng)溫度為900 ℃,對應(yīng)的脫硝效率提高.
(2)CO 的 存 在 會 使SNCR 反 應(yīng) 窗 口 向 低 溫 區(qū)移動,反應(yīng)窗口寬度變窄,最大脫硝效率降低,CO體積分?jǐn)?shù)越高,上述變化越明顯.
(3)在高體積分?jǐn)?shù)CO 存在的SNCR 體系中,MMT 添加劑不僅可以提高低溫區(qū)SNCR 反應(yīng)的脫硝效率,而且能夠在高溫區(qū)抵減CO 對SNCR 脫硝的抑制作用,擴寬脫硝溫度窗口寬度至240℃,在反應(yīng)窗口內(nèi)提高脫硝效率.
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