富氧燃燒煙氣加壓脫硝過(guò)程動(dòng)力學(xué)分析

黃強(qiáng)+李軍+陳珂

摘要：在試驗(yàn)基礎(chǔ)上應(yīng)用Aspen Plus建立了加壓?jiǎn)为?dú)脫硝模擬流程，系統(tǒng)分析壓力、溫度、初始氧濃度、初始NO濃度以及煙氣中N2的存在對(duì)加壓脫硝過(guò)程的影響。結(jié)果表明，NO脫除率隨著壓力、初始氧濃度、初始NO濃度的升高和溫度的降低逐漸升高，且煙氣中N2的存在不利于加壓脫硝過(guò)程；升壓過(guò)程僅能脫除部分NO，若要脫除到滿足工業(yè)要求需要保證足夠的停留時(shí)間。

關(guān)鍵詞：富氧燃燒；脫硝；Aspen Plus；NO脫除率；動(dòng)力學(xué)分析

中圖分類號(hào)：X511 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2017）24-4752-05

在技術(shù)和工藝上，富氧燃燒發(fā)電技術(shù)與傳統(tǒng)的燃煤發(fā)電技術(shù)具有良好的技術(shù)承接性。經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)也表明，與現(xiàn)在同類的技術(shù)相比，富氧燃燒技術(shù)無(wú)論是設(shè)備的投資成本，還是發(fā)電成本，都最具競(jìng)爭(zhēng)力。該燃燒方式已經(jīng)毫無(wú)疑義地成為本世紀(jì)煤燃燒技術(shù)的一個(gè)最具競(jìng)爭(zhēng)力的重要發(fā)展方向[1，2]。

研究表明，煤粉富氧燃燒技術(shù)可以大幅度降低單位燃料的NOx和SOx排放，其中SOx的排放可降低20%左右，NOx降低可高達(dá)70%左右。單位燃料的污染物排放雖然降低了，但是由于煙氣排放量的大量減少，煙氣中的污染物含量仍然保持在較高的濃度，甚至要高于空氣燃燒排放的濃度，其中SOX的含量約為1 000～3 000 mg/L，NOX的含量約為100～ 1 000 mg/L，這些污染物的存在必然會(huì)對(duì)CO2的運(yùn)輸及后續(xù)資源化利用和埋存造成極大影響，因此，針對(duì)富氧燃燒煙氣的凈化問(wèn)題不容忽視。燃煤電站的脫硫成本較低而脫硝成本很高，因此降低富氧燃燒電站的脫硝成本對(duì)于減少煙氣凈化成本有至關(guān)重要的意義[3-5]。本研究在搭建的試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行了部分加壓脫硝試驗(yàn)，然后根據(jù)試驗(yàn)條件及裝置建立Aspen Plus加壓脫硝過(guò)程流程并進(jìn)行與試驗(yàn)過(guò)程相同條件的流程模擬，然后與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，探討吸收壓力、吸收溫度、初始氧濃度、初始NOX濃度和煙氣中N2的存在對(duì)加壓脫硝過(guò)程的影響。

1 加壓脫硝模型及模擬驗(yàn)證

首先在搭建的試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行部分工況的加壓脫硝試驗(yàn)，其中試驗(yàn)過(guò)程中混氣氣瓶中的氣體成分為NO、SO2和CO2的混合氣，試驗(yàn)條件及結(jié)果如表1所示，然后根據(jù)試驗(yàn)流程及試驗(yàn)條件進(jìn)行Aspen Plus流程模擬，建立的Aspen Plus流程如圖1所示。

根據(jù)上述試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)條件，采用基于動(dòng)力學(xué)原理的多個(gè)RBATCH模塊串聯(lián)進(jìn)行模擬，RBATCH1模擬CO2清洗過(guò)程，RBATCH2模擬煙氣升壓過(guò)程，RBATCH3模擬恒壓反應(yīng)過(guò)程，出口物流在反應(yīng)末期的條件下進(jìn)行閃蒸分離并脫水，然后分析氣體成分來(lái)探討該脫硝過(guò)程的脫硝率。

模擬在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，因此模擬的煙氣成分與試驗(yàn)過(guò)程煙氣成分完全相同，模擬煙氣系統(tǒng)組合的富氧燃燒煙氣中包含CO2、O2、NO 3種氣體，煙氣中各個(gè)組分的含量也與試驗(yàn)過(guò)程相同。加壓脫硝過(guò)程的反應(yīng)基于同時(shí)高壓脫硫脫硝反應(yīng)機(jī)理，主要包括3個(gè)反應(yīng)，即NO氧化反應(yīng)、NO2吸收反應(yīng)和HNO2的分解反應(yīng)，采用電解質(zhì)NRTL模型作為該模擬的物性方法[6-8]。

保證模擬過(guò)程與試驗(yàn)過(guò)程的煙氣及操作條件相同，在反應(yīng)釜中分別在不同條件下進(jìn)行加壓脫硝過(guò)程的試驗(yàn)研究及Aspen流程模擬[9]，脫硝條件及試驗(yàn)和模擬的條件及結(jié)果如表1所示。模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相比，NO脫除率數(shù)據(jù)吻合良好，最大相對(duì)誤差僅為0.9%，說(shuō)明模擬中所用的模型和機(jī)理可靠可行。

2 結(jié)果與分析

2.1 吸收壓力對(duì)NO脫除的影響

保證吸收反應(yīng)器溫度25 ℃、物流2氧濃度5%、RBATCH3的恒壓反應(yīng)時(shí)間為5 min和物流2中NO初始濃度836 mg/L，通過(guò)改變反應(yīng)器RBATCH2中的停機(jī)壓力，研究壓力變化對(duì)NO吸收的影響。壓力范圍為400～2 000 kPa，模擬結(jié)果如圖2和圖3所示。

由圖2可知，在其他條件相同的情況下，NO脫除率隨著壓力的升高逐漸升高，在2 000 kPa壓力下NO脫除率已達(dá)到了96.4%，可見(jiàn)壓力的提高有助于NO的脫除。但不同壓力范圍下NO脫除率的增加效果不同，壓力較低時(shí)提高壓力對(duì)NO脫除率的增加效果比較明顯，當(dāng)壓力超過(guò)1 200 kPa后，NO脫除率隨壓力的增加變得較為緩慢。

反應(yīng)器氣相中NOX濃度隨吸收時(shí)間的變化情況見(jiàn)圖3，升壓過(guò)程（虛線以前）初期氣相中NOX的濃度逐漸升高，但當(dāng)壓力大于1 200 kPa后，升壓過(guò)程末期氣相NOX濃度已經(jīng)開(kāi)始明顯下降，壓力越高，濃度開(kāi)始下降的時(shí)間越早越快；恒壓反應(yīng)階段初期NOX吸收較快，隨著時(shí)間的增加NOX濃度逐漸降低，在停留5 min的條件下，高壓下的NOX濃度已經(jīng)趨于平緩，但低壓下的NOX濃度仍有較大幅度的下降，可見(jiàn)提高壓力有助于煙氣加壓脫硝，但要將氣體中的NOX濃度降低到一定程度要保證足夠的停留時(shí)間，且停留時(shí)間隨壓力的增加逐漸變短。

2.2 吸收溫度對(duì)NO脫除的影響

保證反應(yīng)器RBATCH2中的停機(jī)壓力1 000 kPa、物流2氧濃度5%、RBATCH3的恒壓反應(yīng)時(shí)間5 min和物流2中NO初始濃度836 mg/L，通過(guò)改變吸收反應(yīng)器溫度，研究溫度變化對(duì)NO吸收的影響。溫度變化范圍為10～85 ℃，模擬結(jié)果如圖4和圖5所示。

由圖4可知，NO脫除率隨著溫度的升高逐漸降低，可見(jiàn)溫度的降低有助于NO的吸收。在溫度由10 ℃升高到85 ℃的過(guò)程中NO的脫除率降低了22%。

NOX在吸收過(guò)程中的變化情況見(jiàn)圖5，升壓過(guò)程（虛線以前）初期氣相NOX濃度線幾乎重合，但在升壓末期，高溫下的NOX濃度逐漸高于低溫下的NOX濃度，RBATCH2出口氣相NOX濃度與入口相比均有一定的下降，且隨著溫度的降低，RBATCH2出口濃度逐漸降低，但降低幅度都不大；恒壓反應(yīng)階段初期NOX吸收較快，隨著時(shí)間的增加出口NOX濃度逐漸降低，恒壓反應(yīng)階段隨時(shí)間變化過(guò)程中低溫下的NOX濃度均高于高溫下的NOX濃度，在停留5 min的條件下，低溫下的NOX濃度已經(jīng)趨于平衡，但高溫下的NOX濃度仍在繼續(xù)下降，可見(jiàn)溫度的降低有助于加壓煙氣脫硝過(guò)程，但要將氣體中的NOX濃度降低到一定程度要保證足夠的停留時(shí)間，且停留時(shí)間隨溫度的增加逐漸變長(zhǎng)。endprint

2.3 初始氧濃度對(duì)NO脫除的影響

保證反應(yīng)器RBATCH2中的停機(jī)壓力1 000 kPa、反應(yīng)器溫度25 ℃、RBATCH3的恒壓反應(yīng)時(shí)間5 min和物流2中NO初始濃度836 mg/L，通過(guò)改變物流2中氧濃度，研究初始氧濃度變化對(duì)NO吸收的影響。初始氧濃度變化范圍為1%～10%，模擬結(jié)果如圖6和圖7所示。

由圖6可知，NO的脫除率隨著初始氧濃度的增加逐漸增加，可見(jiàn)煙氣中氧氣含量的增加有助于NO的吸收。但不同初始氧濃度NO脫除率的增加幅度不同，當(dāng)初始氧濃度低于5%時(shí)，NO的脫除率隨著氧氣含量的增加而迅速增加，而當(dāng)初始氧濃度大于5%后，初始氧濃度的增加對(duì)NO脫除率的影響已十分微弱，可見(jiàn)初始氧量在3%～5%時(shí)比較適合加壓煙氣脫硝過(guò)程，這個(gè)濃度范圍正好是煙氣中氧氣的濃度范圍。

NOX濃度隨吸收時(shí)間的變化情況見(jiàn)圖7，升壓過(guò)程（虛線以前）末期模擬煙氣中NOX濃度已經(jīng)開(kāi)始降低，且隨著初始氧量的增加降低程度逐漸增大。初始氧濃度在1%～5%時(shí)，氧氣含量對(duì)NOX的濃度影響比較大。當(dāng)初始含氧濃度大于5%之后，初始含氧量的增加對(duì)NO的脫除影響減弱。這與圖6的分析一致。在停留5 min的條件下，高初始氧濃度下的NOX濃度已經(jīng)趨于平衡，但低初始氧濃度下的NOX濃度仍在繼續(xù)下降，可見(jiàn)初始氧濃度升高有助于加壓煙氣脫硝過(guò)程，但要將氣體中的NOX濃度降低到一定程度需保證足夠的停留時(shí)間，且停留時(shí)間隨初始氧濃度降低逐漸變長(zhǎng)。

2.4 初始NO濃度對(duì)NO脫除的影響

保證反應(yīng)器RBATCH2中的停機(jī)壓力1 000 kPa、物流2氧濃度5%、反應(yīng)器溫度25 ℃和RBATCH3的恒壓反應(yīng)時(shí)間，通過(guò)改變物流2中NO濃度，研究物流2中NO濃度變化對(duì)NO吸收的影響。物流2中NO濃度變化范圍為165～95 200 kPa，模擬結(jié)果如圖8和圖9所示。

由圖8可知，隨著初始NO濃度的升高NO的脫除率逐漸增大。吸收過(guò)程中NOX濃度隨時(shí)間的變化情況見(jiàn)圖9。由圖9可知，升壓過(guò)程（虛線以前）中，隨著初始NO濃度的增加，升壓反應(yīng)器中NOX逐漸增加，不同NO初始濃度下，氣相NOX濃度達(dá)到最大濃度值的升壓時(shí)間基本相同。在升壓過(guò)程末期，NOX濃度均開(kāi)始下降且高初始NO濃度的NOX濃度下降程度大。吸收一定時(shí)間（5 min）后，不同條件下氣相中NOX的濃度均維持在7 000 kPa左右且基本趨于平衡，說(shuō)明采用這種加壓脫硝工藝，在一定壓力、溫度下，NO的脫除有一個(gè)上限值。在所模擬的煙氣NO濃度范圍內(nèi)，吸收后的NOX會(huì)有一個(gè)最低濃度。因此，煙氣加壓脫硝過(guò)程更適宜于高NO濃度的煙氣。

2.5 煙氣中N2的存在對(duì)NO脫除的影響

以上脫硝過(guò)程均是在CO2氣氛下進(jìn)行的，雖然CO2是富氧燃燒煙氣的主要成分，但受到制氧純度和鍋爐漏風(fēng)的影響，富氧燃燒煙氣中必定含有部分的N2，由于CO2在水中的溶解度比N2在水中的溶解度大，為研究煙氣中N2的存在對(duì)NO加壓脫除的影響，在N2氣氛下，改變反應(yīng)壓力、反應(yīng)溫度、初始氧濃度和初始NO濃度等條件的其中一項(xiàng)進(jìn)行與CO2氣氛下同樣的模擬，N2氣氛下與CO2氣氛下條件完全相同[10]，為了排除出口煙氣中CO2和N2在水中溶解對(duì)NO脫除率的影響，出口煙氣均在RBATCH2初始條件下閃蒸（FLASH2出口壓力為1.01×105 Pa），模擬結(jié)果對(duì)比如圖10所示。

在各條件下，N2氣氛下NO吸收率與CO2氣氛下NO脫除率的趨勢(shì)相同，隨著壓力的提高（圖10a）、溫度的降低（圖10b）、初始氧濃度的增加（圖10c）和初始NO濃度的增加（圖10d）NO脫除率逐漸增加。但N2氣氛下的NO脫除率均要略低于CO2氣氛，且隨著壓力和初始氧濃度的升高差距逐漸減小，主要原因是在相同條件下CO2在水中的溶解度比N2在水中的溶解度大很多，而CO2的溶解相當(dāng)于提高了煙氣中NO的濃度，由初始NO濃度對(duì)NO脫除的影響分析可知，NO的脫除率會(huì)隨著NO濃度的升高逐漸增加，因此CO2氣氛條件更利于NO的脫除，煙氣中N2的存在不利于加壓煙氣脫硝過(guò)程。

3 小結(jié)

通過(guò)對(duì)加壓?jiǎn)为?dú)脫硝過(guò)程模擬分析可得出如下結(jié)論。

1）提高壓力、初始氧濃度、初始NO濃度和降低溫度均有利于加壓煙氣的脫硝。

2）煙氣中含氧量在3%～5%時(shí)比較有利于煙氣的加壓脫硝，該濃度范圍正好是電廠實(shí)際煙氣中氧氣的允許濃度范圍。

3）升壓過(guò)程僅能脫除少量的NO，只有保證適當(dāng)?shù)耐Ａ魰r(shí)間才能將NOX脫除率達(dá)到工程要求，且停留時(shí)間隨著壓力、初始氧濃度、初始NO濃度的降低和溫度的升高逐漸增加。N2氣氛下NO吸收率與CO2氣氛下NO吸收率的趨勢(shì)相同，但煙氣中N2的存在不利于加壓脫硝過(guò)程。

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