模塊化SNCR脫硝技術(shù)在循環(huán)硫化床鍋爐上的應(yīng)用分析

馬 務(wù)

(大唐科技產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司,北京 100048)

模塊化SNCR脫硝技術(shù)在循環(huán)硫化床鍋爐上的應(yīng)用分析

馬 務(wù)

(大唐科技產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司,北京 100048)

設(shè)計(jì)了一套模塊化SNCR脫硝系統(tǒng)，在兩臺(tái)循環(huán)流化床鍋爐上進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，分析了影響脫硝效率的主要因素和調(diào)整措施；鍋爐在100%和85%負(fù)荷下，氮氧化物的排放分別70和53 mg/Nm3，均在國家規(guī)定的100 mg/Nm3以下，脫硝效率分別為53.3%和63.5%，各個(gè)工況下，鍋爐煙氣的氨逃逸均在8 mg/Nm3以下。

循環(huán)硫化床鍋爐；脫硝效率；選擇性非催化還原技術(shù)；模塊化

0 引 言

我國是一個(gè)以煤炭為主要能源的國家，煤在一次能源中占75%，其中84%以上是通過燃燒方法利用的。煤燃燒所釋放出的氮氧化物(NOx)，是造成大氣污染的主要污染源之一[1-2]。一方面，NOx會(huì)對(duì)神經(jīng)中樞產(chǎn)生影響，并可能破壞大氣層；另一方面，NOx又是形成酸雨的主要因素，造成環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)損失。因此，合理、高效、文明地利用有限的煤炭資源，開發(fā)低排放燃燒技術(shù)和降低NOx排放量是現(xiàn)在急需解決的問題[3-5]。

目前，降低NOx排放量的煙氣脫硝技術(shù)主要有選擇性催化還原法(SCR)脫硝技術(shù)和非選擇性催化還原法(SCR)脫硝技術(shù)。SCR技術(shù)的特點(diǎn)是脫除效率高，運(yùn)行可靠，缺點(diǎn)是系統(tǒng)復(fù)雜，投資大，催化劑需定期更換且容易失效，一般用于NOx產(chǎn)量較高的煤粉爐；SNCR技術(shù)的特點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，投資小，適用于NOx產(chǎn)量較低的CFB鍋爐[6-7]。

1 原理概述

SNCR技術(shù)是指在不用催化劑的情況下，將氨氣或尿素等還原劑噴入爐內(nèi)與NOx進(jìn)行選擇性反應(yīng)。還原劑噴入爐膛溫度為800～1 250 ℃的區(qū)域，該還原劑與煙氣中的NOx進(jìn)行反應(yīng)生成氮?dú)夂退甗8-9]，該方法是以爐膛為反應(yīng)器。

在800～1 250 ℃范圍內(nèi)，NH3或尿素還原NOx的主要反應(yīng)為：

氨水為還原劑:

尿素為還原劑:

不同還原劑有不同的反應(yīng)溫度范圍，此溫度范圍稱為溫度窗口。當(dāng)反應(yīng)溫度過高時(shí)，由于氨的分解會(huì)使NOx還原率降低，另一方面，反應(yīng)溫度過低時(shí)，氨的逃逸增加，也會(huì)使NOx還原率降低[10]。

2 系統(tǒng)介紹

2.1 鍋爐參數(shù)

某熱電廠有兩臺(tái)型號(hào)為：DG450/9.81-1型循環(huán)流化床鍋爐。鍋爐型式為：高壓自然循環(huán)汽包爐。特點(diǎn)為：?jiǎn)螤t膛、平衡通風(fēng)、全鋼架支吊方式。鍋爐采用循環(huán)流化床燃燒技術(shù)，在燃用設(shè)計(jì)煤種時(shí)，能夠在30%～100%負(fù)荷范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，循環(huán)物料的分離采用2個(gè)汽冷式旋風(fēng)分離器。鍋爐設(shè)計(jì)排煙溫度為130 ℃，鍋爐設(shè)計(jì)效率91.2%。爐膛出口煙溫760～890 ℃，氮氧化物出口濃度102～176 mg/Nm3(標(biāo)態(tài)、干基、6%O2)。

表1 鍋爐設(shè)計(jì)燃料特性表

表2 鍋爐煙氣參數(shù)表

2.2 脫硝系統(tǒng)

脫硝系統(tǒng)采用尿素作為還原劑，主要分為尿素溶液制備、輸送和噴射三部分。尿素溶液制備系統(tǒng)主要有尿素溶解罐、溶液輸送泵、尿素溶液儲(chǔ)罐及相關(guān)管道閥門儀表組成，主要功能是制備50%質(zhì)量濃度的尿素溶液；尿素溶液輸送系統(tǒng)采取模塊化設(shè)計(jì)供貨，有稀釋水模塊、高流量循環(huán)模塊、背壓模塊、計(jì)量模塊和分配模塊組成，其功能是將50%質(zhì)量濃度的尿素溶液稀釋成5%～10%質(zhì)量濃度的尿素溶液，并送至鍋爐平臺(tái)附近；稀釋后的尿素溶液經(jīng)霧化后由噴槍送入鍋爐旋風(fēng)分離器進(jìn)口煙道。系統(tǒng)流程如下圖1所示。

圖1 脫硝系統(tǒng)流程圖

模塊化設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是功能相似的管路及組件集成為統(tǒng)一模塊，功能集中程度高，流程控制更加清晰，并減少與現(xiàn)場(chǎng)的交叉施工，方便工程應(yīng)用。

3 運(yùn)行情況

兩臺(tái)爐公用一套尿素溶液制備系統(tǒng)、高流量循環(huán)模塊及背壓模塊，每臺(tái)爐有一套稀釋水模塊和計(jì)量模塊，兩套分配模塊，每個(gè)分配模塊對(duì)應(yīng)六支噴槍，每臺(tái)爐共12支噴槍，每個(gè)噴槍有三條管路，分別是尿素溶液管路、霧化空氣管路和冷卻空氣管路，霧化空氣的作用是將尿素溶液霧化成顆粒狀液滴，便于在分離器內(nèi)受熱分解，冷卻空氣的作用是壁面噴槍本體溫度過高，影響正常運(yùn)行。脫硝系統(tǒng)不同負(fù)荷下的運(yùn)行數(shù)據(jù)見表3。

表3 脫硝系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)表

尿素溶液儲(chǔ)罐里50%質(zhì)量濃度的溶液由高流量循環(huán)模塊以5倍的循環(huán)倍率輸送至計(jì)量模塊，計(jì)量模塊根據(jù)鍋爐運(yùn)行情況，通過電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制所需尿素溶液流量，其余的溶液由背壓模塊返回尿素溶液儲(chǔ)罐，稀釋水模塊將系統(tǒng)所用稀釋水輸送至計(jì)量模塊稀釋水管路，在計(jì)量模塊內(nèi)與50%尿素溶液混合，配置成5%～10%質(zhì)量濃度的尿素溶液，最后由分配模塊送至噴槍，溶液經(jīng)霧化后進(jìn)入循環(huán)流化床鍋爐旋風(fēng)分離器內(nèi)，與煙氣進(jìn)行反應(yīng)。

鍋爐在不同負(fù)荷下的運(yùn)行數(shù)據(jù)見表4。

表4 鍋爐運(yùn)行參數(shù)表

可以看出，鍋爐在100%和85%負(fù)荷下，氮氧化物的排放分別70和53 mg/Nm3，均在國家規(guī)定的100 mg/Nm3以下，脫硝效率分別為53.3%和63.5%，各個(gè)工況下，鍋爐煙氣的氨逃逸均在8 mg/Nm3以下。

4 影響因素

4.1 反應(yīng)溫度

SNCR脫硝反應(yīng)過程受溫度的影響較大，當(dāng)反應(yīng)溫度超過1 000 ℃時(shí)，氨氣被氧化成NOx，氧化反應(yīng)起主導(dǎo)；反應(yīng)溫度低于1 000 ℃時(shí)，氨氣與NOx的還原反應(yīng)占主導(dǎo)，但反應(yīng)速率降低，易造成未反應(yīng)的氨氣逃逸過高。SNCR脫硝反應(yīng)的過程是上述兩類反應(yīng)相互競(jìng)爭(zhēng)、共同作用的結(jié)果，選取合適的溫度條件是提高脫硝效率的關(guān)鍵，圖2是脫硝效率隨溫度的變化曲線，由圖中可以看出，當(dāng)反應(yīng)溫度在850～1 000 ℃時(shí)，脫硝效率較高。

圖2 脫硝效率隨反應(yīng)溫度的變化曲線

4.2 停留時(shí)間

停留時(shí)間指的是還原劑在爐內(nèi)完成與煙氣的混合、液滴蒸發(fā)、熱解成NH3、NH3轉(zhuǎn)化成游離基NH2、脫硝化學(xué)反應(yīng)等全部過程所需要的時(shí)間。

延長反應(yīng)區(qū)域內(nèi)的停留時(shí)間，有助于反應(yīng)物質(zhì)擴(kuò)散傳遞和化學(xué)反應(yīng)，提高脫硝效率。當(dāng)合適的反應(yīng)溫度窗口較窄時(shí)，部分還原反應(yīng)將滯后到較低的溫度區(qū)間，較低的反應(yīng)速率需要更長的停留時(shí)間以獲得相同脫硝效率。當(dāng)停留時(shí)間超過1 s時(shí)， 易獲得較高的脫硝效果。循環(huán)流化床鍋爐煙氣自旋風(fēng)分離器入口到鍋爐在熱器之間，在該段行程內(nèi)的時(shí)間在2 s以上，可以達(dá)到較高的脫硝效率。

4.3 氨氮比

氨氣與NO的理論化學(xué)反應(yīng)當(dāng)量比為1∶1，但由于部分NH3被氧化成二氧化氮等其他類型的NOx，以及小部分未反應(yīng)的NH3隨煙氣排入大氣。因此，實(shí)際應(yīng)用中需要更多的還原劑噴入爐膛才能達(dá)到較理想的脫硝效率。此外，當(dāng)原始NOx濃度較低時(shí)，脫硝還原化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力降低，為達(dá)到相同的脫硝效率，需要噴入爐內(nèi)更多的還原劑參與反應(yīng)。圖3是不同氨氮比下，脫硝效率隨反應(yīng)溫度的變化曲線，可以看出，不同氨氮比下，均有一個(gè)使脫硝效率最高的反應(yīng)溫度，氨氮比越高，脫硝效率越高，氨氮比在2以上時(shí)，脫硝效率增加的不明顯；循環(huán)流化床鍋爐的氨氮比一般取1.3～2之間。

圖3 不同氨氮比下的脫硝效率

實(shí)際運(yùn)行中，也可以通過對(duì)脫硝設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的調(diào)整來達(dá)到更高的脫硝效果。當(dāng)反應(yīng)區(qū)域溫度較低時(shí)，可以增大分配模塊霧化空氣管路的壓力，減小尿素溶液液滴的粒徑，使反應(yīng)易于進(jìn)行；反之，則可以較小分配模塊霧化空氣管路的壓力，增大尿素溶液液滴的粒徑，增加反應(yīng)所需的氣化潛熱。

5 結(jié)束語

由于SNCR脫硝技術(shù)對(duì)溫度要求比較高，而循環(huán)流化床鍋爐的運(yùn)行特點(diǎn)可以保證還原劑可以在合適、均勻的溫度區(qū)間內(nèi)與鍋爐煙氣進(jìn)行反應(yīng)。在本文所述的循環(huán)流化床鍋爐中，SNCR系統(tǒng)的脫硝效率在各個(gè)工況下可以達(dá)到50%以上，保證NOx排放在100 mg/Nm3的國家標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)。

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Analysis of the Modular SNCR Denitrification TGechnology in the CFB Boiler

MA Wu

(Datang Technology Industry Group Co., Ltd. Beijing 100048, China)

Designed a modular SNCR denitrification system which was applied on two CFB boiler, analysed the main factors and adjustment measures which influenced the denitrification efficiency. With the 100% and 85% load, the average denitrification efficiency of the system are 53.3% and 63.5%, under variable conditions, the average ammonia escape concentration are 8 mg/Nm3below.

CFB boiler; Denitrification efficiency; Selective Non-Catalytic Reduction; Modular

2015-03-28

2015-04-15

馬 務(wù)(1988-)男，大唐科技產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，碩士，從事火電廠污染物控制方向的研究。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.05.008

TK229.4

B

1009-3230(2015)05-0019-04