堿回收鍋爐煙氣脫硝試驗研究

彭 偉 彭 峻 易作宏 武 浪

（湖南安普諾環(huán)保科技有限公司 湖南長沙 410100）

引言

堿回收鍋爐大部分是以經(jīng)濃縮的堿法造紙洗漿后排出的廢黑液作為燃料的鍋爐。黑液送入爐內(nèi)燃燒后，形成液態(tài)熔融渣從爐底排出，經(jīng)過苛化后還原再生成堿，熱煙氣與水換熱產(chǎn)生蒸汽，蒸汽則成為二次能源再利用，堿回收爐既是堿性物質(zhì)再生設備，也是降低廢液污染物排放的節(jié)能環(huán)保設備[1-2]。

目前國家針對堿回收鍋爐煙氣排放指標的要求才剛開始，參照GB13223-2011《火電廠大氣污染排放標準》中表2的規(guī)定，重點地區(qū)排放的煙氣中煙塵、SO2、NOx濃度不能超過20mg/Nm3、50mg/Nm3、100mg/Nm3。通過對部分堿回收鍋爐的實際測試發(fā)現(xiàn)：一般情況下，堿回收鍋爐煙氣SO2的排放濃度低于30mg/Nm3（低于超低排放的規(guī)定值），NOx的排放濃度平均值在200mg/Nm3左右，因黑液給料不均，燃燒不穩(wěn)定或不充分，堿回收鍋爐爐膛內(nèi)CO濃度波動很大，導致NOx的瞬時濃度也會波動很大，短時間內(nèi)可能超標非常嚴重。

而目前在造紙行業(yè)還沒有成功的堿回收爐煙氣脫硝技術和工程案例。湖南安普諾環(huán)保科技有限公司引進國外先進脫硝技術，結(jié)合國內(nèi)堿回收爐特點，專門研發(fā)出一種堿回收爐煙氣脫硝技術—LCO-RRI爐內(nèi)噴射脫硝工藝。為檢驗該工藝技術的可行性和脫硝效果，經(jīng)協(xié)商，湖南安普諾環(huán)保科技有限公司在某紙業(yè)有限公司的堿回收爐現(xiàn)場進行一次LCO-RRI脫硝試驗。

1 堿回收鍋爐基本情況

1.1 設計參數(shù)

堿回收鍋爐規(guī)模為180tds/d，設計參數(shù)見表1。

表1 堿回收鍋爐設計參數(shù)表

1.2 燃燒系統(tǒng)

堿回收鍋爐燃用蘆葦漿黑液，提取工段提取稀黑液在蒸發(fā)工段蒸發(fā)，增濃后，黑液固形物濃度達到48-50%。通過黑液加熱器后黑液溫度可達110-115℃。本爐配置四支黑液噴射槍，分別布置在左右前后墻各一支，標高為11米。

1.3 黑液元素分析

黑液元素分析及理化指標見表2。

表2 黑液元素分析表

1.4 堿回收鍋爐煙氣特點

堿回收鍋爐煙氣特點為：1）爐內(nèi)煙氣溫度高；2）煙氣成分復雜，含有大量的堿灰；3）煙氣中CO濃度高，可達5000ppm或更高。

2 堿回收鍋爐LCO-RRI脫硝技術原理

低CO--富還原劑高溫噴射脫硝技術（LCO－RRI工藝）是結(jié)合堿爐實際情況而研發(fā)出的一種新的專門針對堿爐的脫硝工藝。該工藝由兩部分組成，其一為降低煙氣一氧化碳濃度系統(tǒng)（LCO），其二為還原劑爐內(nèi)富還原劑高溫噴射脫硝系統(tǒng)（RRI）。

低一氧化碳系統(tǒng)主要目的是優(yōu)化局部燃燒，降低還原劑反應區(qū)的煙氣中CO濃度，提高還原劑爐內(nèi)噴射脫硝系統(tǒng)的脫硝效率。在鍋爐的三次風之后加入低一氧化碳風噴口，低一氧化碳風噴口與RRI脫硝噴槍孔結(jié)合設計。低CO風既可將爐內(nèi)反應區(qū)的煙氣中沒燃燒完全的CO繼續(xù)燃燒，降低煙氣中局部的CO濃度，又能對RRI脫硝噴槍的噴嘴形成保護，防止煙氣中堿灰在噴嘴處結(jié)垢堵塞噴嘴，還能防磨損。同時燃燒產(chǎn)生的熱量還可抵消因RRI噴射還原劑帶入的水蒸發(fā)吸收的熱量，使不對鍋爐熱效率產(chǎn)生影響，抵消后也不會造成爐溫升高而使過熱器受熱面因堿灰熔融而結(jié)焦。

還原劑爐內(nèi)富還原劑高溫噴射脫硝系統(tǒng)（RRI）的工作原理：在高溫富還原劑沒有催化劑的條件下，氨基還原劑（如氨水、尿素）噴入爐膛，熱解生成NH3與其它副產(chǎn)物，在900~1300℃溫度窗口，NH3與煙氣中的NOx進行還原反應，將NOx還原成N2與H2O。反應分為如下兩個過程：

第一步是生成還原反應的還原劑NH3，與氨氣和氨水不同，尿素作為脫硝還原劑時，需要首先熱解成NH3：

3 材料與方法

3.1 脫硝工藝試驗流程及設備

具體LCO－RRI脫硝工藝流程如圖1所示。

圖1 LCO-RRI脫硝工藝流程示意圖

試驗主要設備包括還原劑制備及儲存系統(tǒng)、軟化水儲存系統(tǒng)、軟化水循環(huán)模塊、還原劑循環(huán)模塊(以上部分均利用原有鍋爐煙氣脫硝系統(tǒng))、稀釋計量模塊、分配模塊、噴射裝置以及壓縮空氣系統(tǒng)組成。

3.2 測試步驟

1）試驗設備運抵現(xiàn)場，并進行現(xiàn)場組裝，連接并固定尿素輸送高壓軟管和壓縮空氣耐壓管；2）現(xiàn)場試水、通氣、試壓；3）確定煙氣成份測試位置（除塵器出口煙道側(cè)面），接電、裝測試儀器，并測定噴前初始濃度值；4）噴槍分別插入并固定和密封于堿回收爐前后墻三次風噴口觀察孔，并前左后右錯開；5）先后開壓縮空氣、開軟化水、開尿素溶液進料閥，并根據(jù)試驗方案調(diào)節(jié)尿素溶液流量到規(guī)定值；6）工況穩(wěn)定后，測試不同工況和噴射不同量的還原劑后堿回收爐煙氣成份；7）測試堿回收爐噴槍處爐溫；8）記錄噴入還原劑前后堿回收爐各運行參數(shù)及煙氣成份測試數(shù)據(jù)；9）整理數(shù)據(jù)并分析，得出結(jié)論。

3.3 測試項目及方法

各工況條件下，待機組穩(wěn)定后，主要進行如下具體項目的測量：

（1）煙氣成份

在空氣預熱器出口煙氣中取樣采用凱恩9106NOx分析儀測量煙氣中的NOx、CO、O2含量，每1分鐘一次，每次測試10組。

（2）噴口處煙氣溫度

噴口處煙溫，便攜式熱電偶測溫儀測量。

（3）運行參數(shù)

運行參數(shù)由專人記錄，每15分鐘一次。

（4）測試條件

工況調(diào)整好并穩(wěn)定.5～10分鐘后方進行具體項目的測量。

3.4 試驗數(shù)據(jù)處理

由于儀器只能測試煙氣成份中的NO濃度（單位ppm）和O2濃度(單位%)，根據(jù)火電鍋爐排放標準，須按氧含量6%進行折算。按如下方法進行折算，折算結(jié)果作為鍋爐NOx排放量：

式中：[NOx]——鍋爐NOx排放量，mg/m3；[NOx]——實測NO濃度，ppm；[O2]——實測O2濃度，%。

4 結(jié)果與討論

4.1 堿回收鍋爐運行過程中爐膛溫度變化研究

堿回收鍋爐運行過程中投入三支黑液噴槍，平均黑液流量為11.7m3/h。每隔15min從前后墻三次風處觀察孔測量爐膛溫度，并計算平均溫度，結(jié)果見圖2。

圖2 堿回收鍋爐運行過程中爐膛溫度變化

由圖2可見，在歷時120min的運行過程中，堿回收鍋爐爐膛平均溫度在60℃范圍內(nèi)波動，可見爐膛溫度大致恒定。8次觀察記錄總平均溫度為844℃。

考察了噴入脫硝還原劑后，堿回收鍋爐出口處溫度變化，并與未噴還原劑時的溫度進行比較，結(jié)果見圖3。

圖3 噴入脫硝還原劑對爐膛出口處溫度的影響

由圖3可見，噴入脫硝還原劑前后，噴槍處爐溫基本不變；但堿回收鍋爐爐膛出口處煙溫有小的變化，噴入脫硝還原劑后平均下降20℃，應該是噴入脫硝還原劑尿素在爐分解吸熱和帶入的水蒸發(fā)吸熱所至。除此之外，堿回收鍋爐沒有其他變化，堿爐各工況參數(shù)沒有變化，堿回收爐的運行和回收堿質(zhì)量也不受影響。

4.2 不同測試工況下脫硝效率研究

4.2.1 基準工況

未噴射脫硝還原劑時，堿回收鍋爐運行過程中CO濃度、NOx測量值及氧含量的最大值、最小值以及平均值見表3。

表3 基準工況CO、NOx及氧含量情況表

由表3可知，堿回收鍋爐運行中，CO濃度較高，且變化幅度很大，從幾百至幾千甚至上萬ppm，可能是黑液噴入不均勻所至。NOx濃度變化不大，一般小于200mg/Nm3。

4.2.2 尿素溶液流量200L/h運行工況

試驗中發(fā)現(xiàn)，堿回收鍋爐煙氣中CO濃度值變化很大，正常值為1000-3000ppm之間，但部分時段卻會升高很多，達到6000ppm以上，甚至超過10000ppm。因此根據(jù)煙氣中CO濃度高低情況，分別考察在尿素溶液流量200L/h的情況下，高濃度和低濃度CO對脫硝效率的影響研究，結(jié)果如表4所示。

由表4可知，還原劑噴射流量為200L/h，當煙氣中CO濃度低于3000ppm時，脫硝后NOx平均下降到87mg/Nm3，平均脫硝效率為52%。當當煙氣中CO濃度高于3000ppm時，脫硝后NOx平均為144mg/Nm3，平均脫硝效率為20%。

4.2.3 尿素溶液流量100L/h運行工況

分別考察在尿素溶液流量為100L/h的情況下，高濃度和低濃度CO對脫硝效率的影響研究，結(jié)果如表5所示。

表5 尿素流量100L/h運行工況下高低濃度CO對脫硝效率影響

由表5可知，還原劑噴射流量為100L/h，當煙氣中CO濃度低于3000ppm時，脫硝后NOx平均下降到90mg/Nm3，平均脫硝效率為50%。當煙氣中CO濃度高于3000ppm時，脫硝后NOx平均為133mg/Nm3，平均脫硝效率為26%。

4.2.4 尿素溶液流量為50L/h運行工況

考察在尿素溶液流量為50L/h的情況下，CO濃度對脫硝效率的影響研究，結(jié)果如表6所示。

表6 尿素流量為50L/h運行工況下高濃度CO對脫硝效率影響

由表6可知，當還原劑噴射流量為50L/h，出口NOx濃度平均為174mg/Nm3，無論煙氣中CO濃度高低，脫硝效率都幾乎為0。

結(jié)論

（1）向堿爐內(nèi)噴入脫硝還原劑水溶液，由于是霧狀噴入，水很快蒸發(fā)，不會有水滴落到爐底的堿液上，不會引起高溫堿液爆濺，更不會影響回收堿的品質(zhì)；

（2）噴入脫硝還原劑后，除堿爐出口溫度稍有一點降低外，對堿爐運行無其他任何影響，堿爐照舊進行正常運行即可，不必作出其他調(diào)整；

（3）煙氣中CO濃度高低對噴入還原劑后的脫硝效果有極大影響。當CO濃度超過一定值后，脫硝效率明顯下降，甚至于沒有效果；

（4）脫硝還原劑噴入量適中，當煙氣中CO濃度小于2000ppm時，出口煙氣中NOx濃度可降低至100mg/Nm3以下，脫硝效率達到50%。當煙氣中CO濃度等等于3000ppm時，出口煙氣中NOx濃度只能降低至150mg/Nm3以下，脫硝效率低于30%；

（5）脫硝還原劑噴入量適中就好，過高對脫硝效率提高作用不大。如試驗中還原劑噴射量從100L/h加大到200L/h以上時，平均脫硝效率從50%提到52%，個別時候還沒有提高。但還原劑量低于一定值后，脫硝效率又會顯著下降，甚至為零，且不論煙氣中CO濃度高低；

（6）降低煙氣中CO濃度，是保證脫硝效果、確保穩(wěn)定達標的前提條件，這也證明LCO-RRI脫硝工藝是正確的和可行的。