Cơ Chế Giảm Phát Thải NOx Thấp Trong Quá Trình Đốt Cháy Tuần Hoàn Tầng Sôi

Luận án tiến sĩ kỹ thuật hóa học nghiên cứu cơ chế phát thải NOx thấp trong quá trình đốt tách lớp lưu động tuần hoàn, ứng dụng công nghệ tiên tiến.

Trường đại học

University of Chinese Academy of Sciences

Chuyên ngành

Chemical Engineering

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

Doctoral thesis

2018

135
1
0

Phí lưu trữ

35 Point

Tóm tắt

I. Giới thiệu về cơ chế giảm phát thải NOx trong quá trình đốt cháy tuần hoàn tầng sôi

Cơ chế giảm phát thải NOx trong quá trình đốt cháy tuần hoàn tầng sôi (CFBDC) đã được chứng minh hiệu quả thông qua các thử nghiệm công nghiệp. Giảm phát thải NOx được cho là kết quả của sự kết hợp giữa các sản phẩm nhiệt phân như than cốc, hắc ín và khí nhiệt phân (py-gas) trong quá trình đốt cháy. Nghiên cứu này sử dụng lò phản ứng ống rơi (DTR) để mô phỏng điều kiện đốt cháy tuần hoàn, nhằm phân tích khả năng khử NO của các sản phẩm nhiệt phân. Kết quả cho thấy, hắc ín có khả năng khử NO tốt hơn so với than cốc và khí nhiệt phân.

1.1. Nguyên lý của CFBDC

CFBDC là công nghệ tách biệt quá trình đốt cháy thành hai giai đoạn: nhiệt phân nhiên liệu và đốt cháy sản phẩm nhiệt phân. Quá trình này giúp giảm thiểu ô nhiễm bằng cách tối ưu hóa việc sử dụng các sản phẩm nhiệt phân để khử NOx. Công nghệ này đã được áp dụng thành công trong xử lý bã rượu (DSL), giảm phát thải khí NOx xuống 70% so với phương pháp truyền thống.

1.2. Vai trò của các sản phẩm nhiệt phân

Các sản phẩm nhiệt phân như than cốc, hắc ínkhí nhiệt phân đóng vai trò quan trọng trong việc khử NOx. Hắc ín được xác định là yếu tố chính giúp giảm phát thải NOx do khả năng phản ứng cao với NO. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, sự hiện diện của CO trong khí nhiệt phân làm giảm hiệu quả khử NO.

II. Phương pháp và kết quả nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng lò phản ứng ống rơi (DTR) để mô phỏng điều kiện đốt cháy tuần hoàn. Các thí nghiệm được thực hiện ở nhiệt độ 500°C để tạo ra than cốchắc ín từ DSL. Khí nhiệt phân được tạo ra bằng cách pha trộn các khí tinh khiết. Kết quả cho thấy, hắc ín có khả năng khử NO tốt nhất ở cùng tốc độ cấp liệu. Hiệu quả đốt cháy được tối ưu hóa khi tỷ lệ hóa học (SR) là 0.8.

2.1. Ảnh hưởng của các thông số phản ứng

Nghiên cứu đã phân tích ảnh hưởng của các thông số như tốc độ cấp liệu, tỷ lệ hóa học (SR), nhiệt độ phản ứng, thời gian lưu và thành phần khí thải ban đầu đến hiệu quả khử NO. Kết quả cho thấy, nhiệt độ cao và nồng độ NO, CO ban đầu tăng cường khả năng khử NO của than cốchắc ín.

2.2. Hiệu ứng tương tác giữa các sản phẩm nhiệt phân

Nghiên cứu cũng phân tích hiệu ứng tương tác giữa than cốc, hắc ínkhí nhiệt phân trong việc khử NO. Kết quả cho thấy, hỗn hợp than cốc/khí nhiệt phân có hiệu quả khử NO tốt nhất. Hắc ín chỉ phát huy tác dụng khi tỷ lệ của nó giảm xuống 26%.

III. Ứng dụng và ý nghĩa thực tiễn

Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc vận hành công nghệ CFBDC để xử lý nhiên liệu giàu nitơ. Hắc ín được xác định là yếu tố chính giúp giảm phát thải NOx, do đó, các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào động học khử NO của hắc ín và tương tác của nó với các thành phần khác. Ngoài ra, ảnh hưởng của nhiệt độ nhiệt phân đến hoạt tính khử NO cũng cần được nghiên cứu thêm.

3.1. Hướng nghiên cứu tương lai

Các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào phân tích động học khử NO của hắc ín và tương tác của nó với các thành phần khác như than cốckhí nhiệt phân. Ngoài ra, ảnh hưởng của nhiệt độ nhiệt phân đến hoạt tính khử NO cũng cần được nghiên cứu thêm.

3.2. Ứng dụng trong công nghiệp

Kết quả nghiên cứu này có thể được áp dụng trong các nhà máy xử lý nhiên liệu giàu nitơ, giúp giảm thiểu ô nhiễm và tối ưu hóa hiệu quả đốt cháy. Công nghệ CFBDC có tiềm năng lớn trong việc xử lý các loại bã rượu và chất thải công nghiệp khác.

21/02/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

博士学位论文 Mechanism of Low-NOx Emission in Circulating Fluidized-Bed Decoupling Combustion 作者姓名: DO HAI SAM 指导教师: 许光文 (研究员,中国科学院过程工程研究所) 高士秋 (研究员,中国科学院过程工程研究所) 学位类别: 工学博士 学科专业: 化学工程 培养单位: 中国科学院过程工程研究所 2018 年 6 月 Mechanism of Low-NOx Emission in Circulating Fluidized-Bed Decoupling Combustion A dissertation submitted to University of Chinese Academy of Sciences in partial fulfillment of the requirement for the degree of Doctor of Philosophy in Chemical Engineering By Hai-Sam Do Supervisors: Professor Guangwen Xu Professor Shiqiu Gao Institute of Process Engineering Chinese Academy of Sciences June 2018 摘 要 摘 要 循环流化床解耦燃烧(CFBDC)实现低氮氧化物(NOx)排放的技术可行性 已在处理白酒糟(DSL)的工业示范装置上得到了很好验证。低 NOx 排放被认 为是由包括焦炭,焦油和热解气(py-gas)的 DSL 热解产物在燃烧器中再燃时共 同还原 NOx 的结果。为揭示 CFBDC 系统中还原 NOx 的机理,本研究采用实验 室规模的沉降炉(DTR)反应器,模拟 CFBDC 再燃条件,研究了生物质半焦、 焦油和热解气对 NO 的还原能力,并因此概算了 CFBDC 中各热解产物组分的潜 在作用。 本论文在 500℃下热解 DSL 制备测试用半焦和焦油,py-gas 根据实验所得热 解气的组成采用钢瓶气配制。为确保 NO 被充分还原,大多数实验在反应物总质 量给料速度 0.15g / min 条件下进行。第 4 章首先研究了 NO 还原效率(ηe)随反 应物进料速率、再燃化学计量比(SR)、反应温度、停留时间和初始烟气组成的 变化。结果表明,在相同质量流速条件下,焦油较半焦和热解气更能抑制 NO 的 产生。热解气中 CO 的存在抑制了均相 NO 还原反应,导致热解气的 ηe 较低。对 于由 DSL 制备的半焦和焦油,高温和高的初始 NO、CO 浓度促进其对 NO 的还 原。 通过热解产物再燃烧获得最高 ηe 的适当 SR 值为 0.8。 本章的主要结论是: 基于上述结果,第 5 章研究了焦炭,焦油和热解气对 NO 还原的协同效应。 结果表明,NO 还原物的总质量流速一定时,焦炭/热解气混合物(二元反应物) 比其它混合物能够实现最佳的协同 NO 还原效果,且还原效率随着热解气比例的 增加而升高。而只有当焦油比例降低至 26%时,焦油/热解气或焦油/半焦混合物 才产生积极作用。此外,热解产物在还原 NO 过程中,焦炭与某些物质(如 H2, CxHy)之间存在有效的相互作用,其协同效应与反应物中 C,H 元素与进料 NO 的摩尔比密切相关(CH/NO 比)。 第 6 章进一步研究了来源于其他燃料如木屑(SD)和先锋(XF)褐煤的焦 炭和焦油的还原能力。在一定的还原物质量比率下(0.15g/min),SD 焦炭或 XF 褐煤焦由于灰分含量较低(具有催化物质),还原 NO 效率低于 DSL 焦炭,但 SD 焦油在三种焦油中实现的 ηe 最高。值得注意的是,焦油总是表现出比焦炭更 好的 NO 还原能力。以苯酚、苯、乙酸、乙酸甲酯和庚烷等作为模型焦油化合物 I 循环流化床解耦燃烧过程低 NOx 排放机理研究 还原 NO 的实验表明, 焦油中的苯酚发挥的作用显著。无论是生物质焦油还是 煤焦油,含有至少一个芳香环(如苯酚,苯)的化合物组分都是还原 NO 的主要 贡献者。 本研究的结果将对应用 CFBDC 技术处理富 N 燃料在操作运行方面具有重 要指导意义。考虑到热解产生的焦油是降低 CFBDC 中 NOx 排放的主导因素, 建议今后研究集中于焦油还原 NO 的动力学,以及焦油与其他成分的协同作用。 另外,热解温度对不同反应物还原 NO 活性的影响也值得研究。 关键词:热解,NO 还原,再燃,解耦燃烧,循环流化床,生物质,煤,低 NOx 燃烧,下降管反应器。 II Abstract Abstract The technical feasibility of low-NOx circulating fluidized-bed decoupling combustion (CFBDC) has been well proved in an industrial demonstration plant treating distilled spirit lees (DSL). The lowered NOx emission was believed to result from the combined contributions of DSL pyrolysis products including char, tar, and pyrolysis gas (py-gas) to the reduction of NOx via their reburning in the riser combustor of the CFBDC system. In order to further understand the mechanism of NOx reduction in CFBDC, this study is devoted to investigating the capabilities of biomass char, tar and py-gas for NO reduction through experiments in a lab-scale drop-tube reactor (DTR) that simulates the reburning conditions occurring in CFBDC. The work performed pyrolysis of DSL at 500 °C to produce the tested char and tar reactants while py-gas was prepared by mixing pure gases from cylinders according to the analyzed py-gas composition.

In order to ensure the sufficient reduction of NO, a total mass feeding rate of reagents, which is 0.15 g/min, was adopted for most experiments. We first investigated in Chapter 4 the variations of acquired NO reduction efficiency (ηe) with major parameters including reagent feeding rate, reburning stoichiometric ratio (SR), reaction temperature, residence time, and initial flue gas composition. It was found that tar enabled the best NO reduction in comparison to char and py-gas did at the same mass feeding rate of reagent (0. The presence of CO in py-gas inhibited the homogeneous NO reduction reactions to cause lower ηe.

For DSL-derived char and tar, their realized ηe were facilitated through by higher temperatures and higher initial NO and CO concentrations. The main conclusion of this chapter is that the suitable SR values for obtaining the highest ηe by reburning of pyrolysis products were found to be 0. Based on preceding results, the synergetic effects among char, tar and py-gas reagents on NO reduction were evaluated and discussed in Chapter 5. The comparison at given total mass flow rate of NO-reduction reagent indicated that the char/py-gas (binary reagent) enabled the best synergetic NO reduction than the others did.

Its realized efficiency elevated with increasing of the py-gas proportion. The tar/py-gas or tar/char mixture caused a positive effect only when the tar proportion was necessarily lowered to about 26%. In addition, there existed obvious interactions between char and some species in py-gas (i., H2, CxHy) for NO reduction by pyrolysis products. The III Mechanism of Low-NOx Emission in Circulating Fluidized-Bed Decoupling Combustion synergetic effects were closely related to the molar ratio of C and H elements in reagents over the fed NO (CH/NO ratio).

The NO reduction capabilities of char and tar reagents derived from other fuels such as sawdust (SD) and Xianfeng (XF) lignite were further investigated in Chapter 6. At the specified mass flow rate of reductant, say, 0.15 g/min, the SD char or XF lignite char were less efficient than the DSL char did for reducing NO because of the lower contents of ash (containing catalytic matters) in the SD and XF lignite chars. However, the SD tar enabled the highest ηe among the three tested tars. Above all, tar as an attractive reagent always exhibits the better NO reduction than char does.

Testing model tar compounds including phenol, benzene, acetic acid, methyl acetate and heptane for NO removal revealed that phenol plays an important role in enabling the good NO reduction by the SD tar. Our major understanding from testing the NO reduction by tar is that the compounds containing at least one aromatic ring (e. phenol, benzene) are the major contributor for reducing NO in either biomass tar or coal tar. In conclusion, the results of this study would be significant in the operation of CFBDC technology treating N-rich fuel.

By considering the pyrolysis-generated tar as a dominant factor in lowering NOx emission in a CFBDC system, further studies are suggested to focus on kinetic analysis of the NO reduction by tars and also on the combined action of tar with other reagents. Additionally, the effect of pyrolysis temperature on NO reduction activity by various reagents should be investigated. Key words: pyrolysis, NO reduction, reburning, decoupling combustion, circulating fluidized bed, biomass, coal, low-NOx combustion, drop-tube reactor. IV Table of Contents Table of Contents Chapter 1 Introduction .2 Objectives and Significance.

4 Chapter 2 Literature Review .1 Sources of NOx .2 NOx Emission in China .2 Low-NOx Emission Strategy .1 NOx Formation During Fuel Combustion .2 NOx Reduction Technologies .3 Decoupling Combustion (DC) for Lowering NOx Emission .1 Principle of Decoupling and DC Technology .2 Low-NOx Emission in Grate-Based DC.3 Low-NOx Emission in CFBDC. 18 Chapter 3 Material and Methodology .1 Preparation of NO-Reduction Reagents.2 Pyrolysis Setup and Procedure.3 Characteristics of NO-Reduction Reagents .2 Experimental Drop-Tube Reactor for NO-Reduction Evaluation .2 Heating Control System .3 Reagent-Feeding System .4 Flue-Gas Supplying System .5 Sampling and Analyzing System .1 Procedure and Analysis .2 Validation of Experimental Setup Conditions. 39 Chapter 4 NO Reduction by Biomass Pyrolysis Products. 45 V Mechanism of Low-NOx Emission in Circulating Fluidized-Bed Decoupling Combustion 4.3 Results and Discussion .1 NO Reduction Varying with Reagent Feeding Rate .2 NO Reduction Varying with SR .3 NO Reduction Varying with Reaction Temperature .4 NO Reduction Varying with Residence Time .5 NO Reduction Varying with Flue Gas Composition.

61 Chapter 5 Synergetic Effect Among Pyrolysis Products in Reducing NO .3 Results and Discussion .1 Synergetic Effect of Binary Reagent .2 Synergetic NO Reduction Varying with Reaction Temperature .3 Synergetic NO Reduction Varying with Residence Time .4 Synergetic NO Reduction Varying with Gas Species. 76 Chapter 6 NO Reduction by Reagents Derived from Different Fuels.2 Materials and Experimental Conditions.3 Results and Discussion .1 NO Reduction by Char Reagents and Effect of Ash Content .2 NO Reduction by Tar Reagents and Model Tar Compounds. 98 Chapter 7 Conclusions and Recommendations .3 Recommendations for Future Work .105 Appendix A Chemical Compositions of Tested Tar Reagents .1 GC–MS Spectra. 115 VI Table of Contents A.2 Identified Compounds of Tar.

116 Appendix B Calibration Curves of Feeders for Different Reagents .123 VII Chapter 1 Introduction Chapter 1 Introduction 1.1 Background Since the 20th century, the world has been improving so fast with the rapid development of industries and technologies, as a result huge amounts of industrial wastes are produced. For example, distilled spirit lees from beverage industries, sawdust from the wood industries, mycelial wastes from medicine industries, sewage sludge from wastewater plant and so on have already been the major resource of biomass named industrial biomass wastes. Most of them are of similar properties with high organic matter, high nitrogen and water contents, which cause a lot of environmental problems and have very few effective utilization ways until now.1 Distilled spirit lees (DSL) disposal. In term of beverage industries, China is a large spirits-producing country.

Therefore, the output of solid residue such as distilled spirit lees (DSL) generated in the unique solid-state fermentation process (Fig.1) is enormous all over the country. In fact, DSL amounts to 20 million tons per year (Deng and Luo, 2004) and can be considered as a good biomass resource due to its being rich in cellulose and hemicellulose. Traditionally, the DSL have sufficiently high nutrition content for being feedstuff or protein substrate of animals such as pig. With progress in the biotechnology, the digestible nutrition in the lees becomes so low that it cannot meet the requirement of animal feedstuff.

Nowadays, except for apart used as the filler material for animal feedstuff or as fertilizer, the DSL is mainly landfilled or discharged to the open air 1 Mechanism of Low-NOx Emission in Circulating Fluidized-Bed Decoupling Combustion (Deng and Luo, 2004; Zhang et al. However, the high moisture in DSL, even up to 60 wt. %, and the properties of easy putrescibility and strong acidity can cause serious environmental problems, such as smelly gas release and underground water pollution (Xu et al. Therefore, highly reliable technologies for clean, rapid and large-scale utilization of DSL are in a great demand in the spirits industry of China, especially for large distiller factories.

The nature of rich in cellulose in DSL makes it hardly treated via biological conversion technologies. The thermal conversion of the lees into the energy usable in the distiller factories, such as steam or fuel gas, is thus considered to be viable. Burning DSL to produce steam in fact not only limits the pollution as a result of DSL disposal but also offers a part of energy required by distilled spirits production (Xu et al. However, as a result of its relatively high N content (about 3 – 5 wt.

% on a dry basis), direct combustion of DSL via the traditional way has to release high NOx emission, which is one of the main gas-phase pollutants released in fuel combustion, not only injures human health but also forms acid rain and photochemical smog (Winter et al. The NOx content in the flue gas can even reach up to 550 ppm during burning this material in a laboratory fluidized bed (Zhu et al. In order to reduce NOx emission in combusting high-N biomass waste and also improve the combustion efficiency of a conventional circulating fluidized bed, the so-called circulating fluidized-bed decoupling combustion (CFBDC) technology has been investigated and developed by our Advanced Energy Technology Laboratory (AET Lab), Institute of Process Engineering (IPE), Chinese Academy of Sciences (CAS). The technology has been well proven by an industrial system treating DSL.

The actual running data show that the NOx emission was lowered by about 70% comparing to the traditional CFB combustion (Han et al., 2015; Yao et al., 2011; Xu et al., 2010), making the NO content in its flue gas be 120 – 170 mg/Nm3 for the DSL containing N of about 4. This kind of technologies can also be applied to many other lees and residues such as vinegar lees and Chinese herb residues generated in various light industrial processes (Yao et al. The CFBDC technology is based on the reaction decoupling concept which separates the combustion process into drying/pyrolysis of fuel and combustion of pyrolysis-generated char and volatile. Thus, the system is composed of a fluidized-bed pyrolysis reactor and a riser combustor, the pyrolysis-generated volatile consisting of non-condensable pyrolysis gas (py-gas) and condensable tar is sent to an intermediate 2 Chapter 1 Introduction position of the riser combustor to allow its co-burning with char, as conceptualized in Fig.

The co-burning of fuel pyrolysis products in such an intermediate position can be considered as a reburning way that effectively reduces the NOx formed by burning char in the bottom zone.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Tài liệu với tiêu đề "Cơ chế giảm phát thải NOx thấp trong quá trình đốt cháy tuần hoàn tầng sôi" trình bày các phương pháp và cơ chế hiệu quả nhằm giảm thiểu lượng khí NOx phát thải trong quá trình đốt cháy. Nội dung tài liệu không chỉ giúp người đọc hiểu rõ hơn về các công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực xử lý khí thải mà còn cung cấp những giải pháp thực tiễn có thể áp dụng trong các nhà máy công nghiệp. Việc giảm phát thải NOx không chỉ góp phần bảo vệ môi trường mà còn giúp các doanh nghiệp tuân thủ các quy định về bảo vệ môi trường, từ đó nâng cao hình ảnh và trách nhiệm xã hội của họ.

Để mở rộng thêm kiến thức về các giải pháp xử lý nước thải và công nghệ môi trường, bạn có thể tham khảo tài liệu "Luận văn thạc sĩ cấp thoát nước nghiên cứu ứng dụng mô hình mô phỏng đánh giá hệ thống tiêu trạm bơm phù đổng huyện gia lâm thành phố hà nội và đề xuất giải pháp cải tạo nâng cấp", nơi bạn sẽ tìm thấy những nghiên cứu về cải tạo hệ thống bơm nước. Bên cạnh đó, tài liệu "Luận văn tính toán thiết kế trạm xử lý nước thải cao su hưng thịnh huyện tân biên tỉnh tây ninh công suất 500m3 ngày đêm" sẽ cung cấp cái nhìn sâu sắc về thiết kế và vận hành trạm xử lý nước thải. Cuối cùng, bạn cũng có thể tham khảo tài liệu "Luận văn thạc sĩ công nghệ môi trường đánh giá hiệu quả xử lý nitơ trong nước rỉ rác cũ bằng mô hình snap với giá thể biofix" để tìm hiểu về các phương pháp xử lý nitơ trong nước thải. Những tài liệu này sẽ giúp bạn có cái nhìn toàn diện hơn về các công nghệ và giải pháp trong lĩnh vực môi trường.