蓄熱式換熱與SCR脫硝聯(lián)合利用技術(shù)的理論與應(yīng)用研究.pdf

1、運用先進(jìn)的節(jié)能減排技術(shù)是解決當(dāng)今世界所面臨的能源危機與環(huán)境惡化等重大問題的有效手段，各國學(xué)者在這方面做出了巨大的努力。在眾多的節(jié)能減排技術(shù)中，由蓄熱式換熱理論發(fā)展而來的高溫空氣燃燒(HiTAC)技術(shù)和用于脫除煙氣中氮氧化物的選擇性催化還原(SCR)技術(shù)獲得了廣泛應(yīng)用。由于上述兩種技術(shù)的核心部件——蜂窩陶瓷蓄熱體和催化劑具有非常相似的外形結(jié)構(gòu)，并且在實際中蓄熱室溫度通常包含催化劑溫度窗口，本研究將這兩項技術(shù)結(jié)合起來，采用聯(lián)合利用技術(shù)同時實

2、現(xiàn)煙氣的余熱回收與脫硝。
　　在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)之上，考慮將聯(lián)合利用技術(shù)應(yīng)用于電廠燃煤鍋爐以及HiTAC工業(yè)爐上實現(xiàn)煙氣余熱回收和脫除NOx；對于前者，分析回轉(zhuǎn)蓄熱式脫硝預(yù)熱裝置的優(yōu)缺點，并充分借鑒回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器結(jié)構(gòu)后，提出了采用多閥門多箱室脫硝預(yù)熱器(MMDR)的概念，并引入助燃空氣暫存器(CAR)解決單個箱室(SSDR)時燃燒間斷的問題；對于后者，建議在燒嘴蓄熱室內(nèi)不同溫度區(qū)采用具有不同溫度窗口的高溫、常規(guī)以及低溫催化劑來

3、提高脫硝效率，同時植入異形多孔介質(zhì)，減小煙氣與還原劑氨的混合空間。
　　為了驗證方案的可行性，搭建了聯(lián)合利用實驗臺，氣固換熱與脫硝反應(yīng)在脫硝預(yù)熱器內(nèi)完成；以現(xiàn)有商業(yè)V2O5-WO3(MoO3)/TiO2蜂窩狀催化劑和蜂窩陶瓷蓄熱體為實驗材料，通過測試材料熱物性與分析實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：催化劑密度、熱容和導(dǎo)熱系數(shù)略小于蓄熱體，催化劑起到了蓄放熱的作用，脫硝預(yù)熱器表現(xiàn)出常規(guī)蓄熱式換熱器所具有的性質(zhì)；NO出口濃度呈周期性變化，且包含了由于煙氣

4、流過時使催化劑溫度升高而導(dǎo)致的濃度線性下降段，設(shè)備不存在脫硝失效的現(xiàn)象；NO轉(zhuǎn)化率：i)在換向時間為45s、空速為2667h-1、進(jìn)口反應(yīng)氣溫度為350℃時達(dá)到75.7％，400℃時則可達(dá)82.5%，ii)隨換向時間緩慢增大，iii)與進(jìn)口NO和SO2濃度無關(guān)，iv)當(dāng)氨氮比小于1時，隨氨氮比呈線性增大，當(dāng)氨氮比大于1時，其值基本保持不變，v)隨空速增大線性減小，vi)隨進(jìn)口反應(yīng)氣溫度呈拋物線變化，與穩(wěn)態(tài)時相比，其最大值對應(yīng)的進(jìn)口反應(yīng)氣

5、溫度更高。
　　根據(jù)實驗結(jié)論，結(jié)合對氣固換熱與非均相催化特點的分析和假設(shè)，建立了簡化的蓄熱式換熱與非穩(wěn)態(tài)條件下選擇性催化還原聯(lián)合利用的數(shù)學(xué)模型，其中，在催化反應(yīng)模型中引入有效擴散系數(shù)用以描述組分在催化劑壁內(nèi)的擴散行為，組分吸附、脫附以及反應(yīng)過程則符合Eley-Rideal反應(yīng)機理；采用有限容積法對守恒方程進(jìn)行離散，采用C＃語言在Visual Studio2010平臺上編制了計算程序；經(jīng)對比，計算結(jié)果與實驗結(jié)果在定性上具有一致性，模

6、型具有較好的合理性。
　　基于對聯(lián)合利用方案的分析，對某220t?h-1鍋爐進(jìn)行了尾部設(shè)備改造研究：采用箱室高度分別為1.8m和2.4m的MMDR替代SCR反應(yīng)器和空氣預(yù)熱器，利用《鍋爐機組熱力計算標(biāo)準(zhǔn)方法》以及前述數(shù)學(xué)模型對改造后的鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行熱力計算。采用蜂窩陶瓷作為換熱元件后，排煙溫度可進(jìn)一步降低，熱力計算顯示其值在125℃附近時較為理想：預(yù)熱空氣滿足煙煤燃燒要求，MMDR進(jìn)口煙氣溫度在350℃左右，處于常規(guī)催化劑溫度窗口之

7、內(nèi)，在換向時間改變時(30~50s)，熱效率可提高1.89~1.45%；排煙溫度過高則節(jié)能效果較差，助燃空氣溫度超出推薦值，過低則不能滿足鍋爐對于熱風(fēng)溫度的要求；換向時間延長時，MMDR內(nèi)氣體、催化劑及蓄熱材料溫度均升高，使熱效率下降，導(dǎo)致煙氣流量增大、催化劑橫截面積增大，但是上述參數(shù)變化量均較小。采用SSDR后，爐膛進(jìn)口過?？諝庀禂?shù)比改造前要大，并且受到閥門換向時間和閥門動作影響時間的制約。
　　將高溫空氣燃燒(HiTAC)技術(shù)

8、引入傳統(tǒng)全氫式罩式退火爐，從而提高了全氫罩式爐的節(jié)能效率。通過實驗測試和熱平衡計算表明：HiTAC燒嘴用于罩式爐后排煙溫度由350℃下降至119℃，若燃料按低位熱值計，將比原罩式爐節(jié)能17.6%；隨后，設(shè)計并制造了適用于罩式爐的HiTAC燒嘴，對某廠一臺罩式爐加熱罩及其外圍設(shè)備進(jìn)行了改造，實現(xiàn)了加熱過程的半自動化。對改造后罩式爐煙氣成分進(jìn)行了分析，采用了聯(lián)合利用技術(shù)后，NOx濃度由120ppm下降到43ppm，并給出植入了聯(lián)合利用技術(shù)后