添加劑提高爐內(nèi)SNCR中溫脫硝效率的研究

張林(先正達(dá)南通作物保護(hù)有限公司，江蘇 南通 226000)

0 引言

選擇性非催化還原(SNCR)技術(shù)作為一種簡單經(jīng)濟(jì)的NOx控制技術(shù)，建設(shè)周期短且改造相對(duì)容易，適用于我國新建鍋爐及現(xiàn)有鍋爐改造。由于SNCR技術(shù)要求的溫度較高且對(duì)溫度條件較為敏感，當(dāng)鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，還原劑噴射區(qū)域的溫度范圍偏離了SNCR最佳的脫硝溫度窗口，脫硝效率明顯下降，使其不能滿足NOX排放標(biāo)準(zhǔn)。因此，改善中溫條件下SNCR脫硝效率是SNCR技術(shù)向中小鍋爐推廣的關(guān)鍵問題之一。研究表明在SNCR反應(yīng)系統(tǒng)中加入少量的添加劑能夠顯著的影響SNCR反應(yīng)特性，改變其溫度窗口，并對(duì)氨泄漏、N2O、CO等二次污染物的排放也有一定的影響[1-5]。文章在已有的CFB中試燃煤試驗(yàn)裝置上進(jìn)行氣體添加劑提高SNCR中溫脫硝效率試驗(yàn)研究，考察不同氣體添加劑(甲烷和丙烷)在不同反應(yīng)溫度下的SNCR脫硝效率，以期指導(dǎo)和優(yōu)化SNCR的運(yùn)行。

1 裝置及試驗(yàn)條件

1.1 流化床煤燃燒中試試驗(yàn)裝置

熱輸入功率為50 kW的循環(huán)流化床煤燃燒中試裝置。整個(gè)試驗(yàn)裝置系統(tǒng)由羅茨風(fēng)機(jī)、氣體預(yù)熱器、風(fēng)室、布風(fēng)板、爐膛、高溫旋風(fēng)分離器、料腿、返料器、煙氣冷卻系統(tǒng)、布袋除塵器、引風(fēng)機(jī)等組成。為進(jìn)行CFB-SNCR低溫添加劑脫硝試驗(yàn)，在爐膛上部增設(shè)了兩層還原劑/添加劑噴射裝置。燃燒室凈高5 200 mm，分為密相區(qū)，過渡區(qū)和稀相區(qū)，外壁配有三段電加熱系統(tǒng)，用于減少散熱損失并調(diào)整爐內(nèi)溫度[1]。

1.2 SNCR氨氣/添加劑噴射系統(tǒng)

在該50 kWCFB燃煤試驗(yàn)臺(tái)上，根據(jù)正常運(yùn)行時(shí)爐溫分布情況，選取爐膛頂部作為氨氣以及添加劑的噴入點(diǎn)，進(jìn)行脫硝試驗(yàn)和添加劑效果驗(yàn)證。氨氣與甲烷/丙烷添加劑均采用5V%的標(biāo)準(zhǔn)鋼瓶氣。氨氣和氣體添加劑在混合器中進(jìn)行預(yù)混，為增大還原劑氣體進(jìn)入爐膛的穿透能力，采用氮?dú)鈹y載后噴入煙道，還原劑入爐噴射管為扁平型射流口，實(shí)現(xiàn)與爐內(nèi)煙氣良好的混合效果。為減小還原劑氣體與爐膛煙氣混合對(duì)驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的影響，試驗(yàn)中通過調(diào)整氮?dú)饬髁繉?shí)現(xiàn)每個(gè)工況還原劑噴入爐膛的射流速度相對(duì)于煙道內(nèi)煙氣流速為定值。煙氣成分取樣點(diǎn)位于煙氣冷卻器出口布袋除塵器之前的測溫點(diǎn)。取樣煙氣經(jīng)過特制的取樣旋風(fēng)分離器并過濾后，由傅里葉變換紅外光譜分析儀Antaris IGS取樣槍輸送到分析儀預(yù)處理器，經(jīng)過調(diào)壓計(jì)量后進(jìn)入分析儀，對(duì)煙氣各組分濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測，并自動(dòng)保存測試結(jié)果。整個(gè)取樣管路由電加熱帶加熱并保溫至165 ℃，滿足煙氣分析儀的測試要求[2]。

1.3 實(shí)驗(yàn)工況

根據(jù)氣體添加劑篩選實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選用甲烷和丙烷為50 kW CFB燃煤試驗(yàn)臺(tái)SNCR添加劑脫硝中試效果驗(yàn)證試驗(yàn)添加劑，甲烷主要用于還原劑入口煙氣溫度高于750 ℃的工況，而丙烷則用于還原劑入口煙氣溫度低于700 ℃的工況，氨氮比統(tǒng)一為1.5。試驗(yàn)工況包括：(1) 850 ℃，甲烷添加量0.2、0.4、0.6、0.8和1.0；(2)700 ℃，丙烷0.2、0.3、0.4、0.6和甲烷0.8；(3)650 ℃，丙烷0.2、0.3、0.5、0.8和1.2；(4)800 ℃，甲 烷0.2、0.4、0.6、0.8和1.0；(5)750 ℃，甲烷0.2、0.4、0.6、0.8和1.0。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 循環(huán)流化床中試裝置運(yùn)行情況

研究表明，NO的生成主要在爐膛的密相區(qū)，隨著爐膛高度的增加，NO濃度逐漸下降。循環(huán)流化床中NOx的來源主要是燃料N，它們在熱解過程中，首先生成NH3、HCN等氣相前驅(qū)物，之后被O和OH等基團(tuán)氧化為NO。密相區(qū)溫度通過影響燃料N向NO的轉(zhuǎn)化進(jìn)而影響燃煤煙氣中NOx濃度；在添加劑脫硝驗(yàn)證試驗(yàn)的各工況中，床溫基本維持穩(wěn)定，還原劑噴射點(diǎn)處煙氣溫度在試驗(yàn)工況設(shè)定的溫度范圍內(nèi)只做小幅度波動(dòng)，說明CFB燃燒運(yùn)行狀況已穩(wěn)定，可以正常進(jìn)行SNCR試驗(yàn)[3]。

2.2 不同溫度下最佳氣體添加劑的篩選

圖1、圖2為不同溫度下NOx排放濃度和脫除效率曲線。可以看出，無氣體添加劑時(shí)，溫度低于750 ℃的工況中，氨氣對(duì)于NOx的脫除效率不足20%。在720 ℃的添加劑脫硝效果試驗(yàn)中，首先進(jìn)行了甲烷添加劑的效果驗(yàn)證，甲烷添加量為0.8時(shí)，脫硝效率僅為22%，而丙烷添加量分別為0.2、0.3、0.4、0.6時(shí)，脫硝效率均在50%左右。溫度為760 ℃時(shí)，分別添加丙烷和甲烷均能使脫硝效率從20%以下提高到50%～60%。溫度在800 ℃和850 ℃時(shí)，添加甲烷，脫硝效率均在60%～80%之間。溫度為650 ℃時(shí)，添加丙烷，僅能使脫硝效率提高到20%[4]，主要原因在于溫度是影響SNCR脫硝效率的關(guān)鍵因素，添加丙烷雖然在一定程度上增加了煙氣中OH、O等活性基團(tuán)濃度，但基元反應(yīng)速率受反應(yīng)溫度和反應(yīng)物濃度的共同影響，低溫導(dǎo)致各基元反應(yīng)速率減緩，最終導(dǎo)致氨氣還原NO的總包反應(yīng)速率下降，650 ℃時(shí)添加劑的加入對(duì)氨氣還原NO的反應(yīng)并未產(chǎn)生效果。在對(duì)煙氣成分的檢測中，均未檢測到氨逃逸，原因在于燃煤煙氣中存在粉煤灰等固體顆粒，對(duì)未反應(yīng)的氨氣有較強(qiáng)的吸附作用[4]。

2.3 氣體添加劑最佳添加比的篩選

氣體添加劑對(duì)SNCR脫硝過程的促進(jìn)作用主要體現(xiàn)在添加劑在氧化過程中產(chǎn)生了OH、O、H等能夠加速氨氣轉(zhuǎn)化成NH2進(jìn)而還原NO的活性基團(tuán)，添加效果的差異源于添加劑自身的氧化反應(yīng)速率的快慢，而對(duì)于同一種添加劑，不同添加量對(duì)脫硝效率的影響也不同。圖3為不同添加量對(duì)脫硝效率影響的曲線圖。從圖中可以看出，溫度在650 ℃時(shí)，脫硝效率隨丙烷添加量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，最高脫硝效率僅為20%，對(duì)應(yīng)的最佳丙烷添加量為0.5；隨著溫度的升高，添加丙烷和甲烷均可使脫硝效率從20%以下提高到50%以上；煙氣溫度720 ℃，丙烷添加量為0.4時(shí)，可以使脫硝效率增至58%，繼續(xù)增大添加量，脫硝效率變化不大；溫度為760 ℃時(shí)，甲烷最佳添加量為0.8，可以實(shí)現(xiàn)最佳脫硝效率60%；而溫度高于800 ℃時(shí)，添加甲烷對(duì)脫硝效率促進(jìn)作用不明顯，甚至呈現(xiàn)抑制脫硝效率的趨勢，這是由于高溫條件下，添加劑的加入，其氧化產(chǎn)生的OH、O、H等活性基團(tuán)的過量，加速了NH3向NH2的轉(zhuǎn)化，NH2濃度得到積累，一部分轉(zhuǎn)化成NH，進(jìn)一步被氧化成NO，造成氨氣的選擇性下降，脫硝效率下降[5]。

圖1 不同溫度下NOx排放濃度

圖2 不同溫度下NOx脫除效率

圖3 不同添加量下NOx脫除效率

3 結(jié)語

50kWCFB燃煤中試試驗(yàn)裝置SNCR脫硝試驗(yàn)結(jié)果表明，氣體添加劑對(duì)SNCR脫硝效果的促進(jìn)作用顯著，甲烷和丙烷分別適用于高溫段(大于750 ℃)和低溫段(小于750 ℃)SNCR脫硝氣體添加劑。在煙氣溫度為650 ℃時(shí)，丙烷最佳添加量為0.5，可實(shí)現(xiàn)20%的脫硝效率；720 ℃時(shí)，丙烷添加量為0.4，脫硝效率即可突破50%，在此溫度甲烷添加劑對(duì)脫硝效果并未表現(xiàn)出明顯的促進(jìn)作用；煙氣溫度為760 ℃時(shí)，添加甲烷的最佳脫硝效率為60%，所需添加量為0.8。