气流床煤粉工业锅炉非催化还原脱硝试验
摘 要：选择性非催化还原(SNCR)脱硝技术是燃煤工业锅炉领域重要的脱硝技术之一,目前电站锅炉
脱硝效率普遍偏低,且工业锅炉SNCR应用研究较少。针对一台20 t/h气流床煤粉工业锅炉测量了炉膛温度以及不同喷枪位置和气液压力下炉膛出口的NOx排放浓度,研究了气流床煤粉工业锅炉中SNCR的脱硝性能。结果表明,采用尿素进行脱硝反应的最佳温度窗口为790～850 ℃,最佳温度窗口位于炉膛中心截面附近,喷枪设置在炉膛侧壁中心优于炉膛顶部,喷枪插入深度和角度对脱硝效率的影响较小,喷枪位于最优位置时,脱硝效率可达87.2%,出口NOx质量浓度为38 mg/m3,满足超低排放。喷枪流量随液压升高和气压降低而增大,气压大于液压时,喷枪雾化较好,整个扇面液滴分布较均匀,2.38≤氨氮物质的量比≤3.00时,液压越低,脱硝效率越高,0.30 MPa≤液压≤0.35 MPa,0.29 MPa≤气压≤0.40 MPa时,SNCR脱硝效率较高,且氨逃逸较少。喷枪液滴雾化情况对脱硝效率的影响高于扇面角度。
0 引 言
NOx是主要的大气污染物之一,作为PM2.5的重要前驱物,严重影响环境和人体健康[1]。我国由2014年起针对电厂实施了《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》,成效巨大,生态环境部、国家统计局和农村农业部联合发布的《第二次全国污染源普查公报》显示,到2017年,我国NOx排放量比2007年降低34%。随后,我国进一步实施了《打赢蓝天保卫战三年行动计划》,开启了工业锅炉领域的超低排放工作,目前,相对于燃煤电厂,工业锅炉领域NOx排放标准仍偏高,NOx减排工作还存在较大空间。因此,降低工业锅炉领域的NOx排放是持续降低我国大气污染物排放总量的重要方向。
SNCR脱硝技术将脱硝还原剂喷入炉膛内合适的温度区间,脱硝还原剂与NOx反应生成N2和水,是工业锅炉领域广泛应用的脱硝技术之一[2]。在实验室温度分布均匀的立式高温管式炉上,900 ℃时,SNCR脱硝效率达90 %以上[3]。然而,实际工业锅炉炉膛空间大、温度分布不均匀且气氛复杂,造成SNCR脱硝效率低下。通常SNCR温度窗口为850～1 050 ℃[4-5],但烟气中含多种成分,极大影响温度窗口,研究表明:增加烟气中CO使脱硝温度窗口温度和最佳脱硝效率降低并抑制氨逃逸[6-7];增加O2含量使温度窗口向低温方向移动且提高最佳脱硝效率,同时降低了氨逃逸和N2O排放[8-9];添加CH4能显著拓宽温度窗口并提高脱硝效率[10]。氨氮物质的量比(Normalized Stoichiometric Ratio of Ammonia-Nitrogen Molar ,RNS)是影响脱硝性能的重要因素,RNS<2.0时,增加RNS显著提高脱硝效率,RNS≥2.0后进一步增加RNS脱硝效率增速变缓,且氨逃逸加剧[11],增加RNS温度窗口范围变宽[12]。此外,喷枪选型对SNCR脱硝性能的影响至关重要[13]。
目前,工程应用中SNCR性能优化主要通过调整喷射位置、喷射角度、二次风实现[14-15],目的是使还原剂喷入位置位于最佳温度窗口,促进烟气和还原剂充分混合,并尽量延长在最佳温度窗口的停留时间,邓波[14]通过该方法将分解炉内的脱硝效率提高至87.9%;吕洪坤等[16-17]研究表明,大型电站锅炉SNCR脱硝效率较差,为30%～60%,通过联合空气分级可将脱硝效率提高至75.2%[18];赵凯等[19-20]发现在循环流化床锅炉上进行SNCR的优化和改造,脱硝效率可达80%以上。可见SNCR在各类锅炉上脱硝效果较好,但鲜见在燃煤工业锅炉上的应用。
气流床煤粉锅炉是工业应用领域重要炉型之一,笔者针对一台20 t/h气流床煤粉工业锅炉,测量了炉膛内温度分布,研究喷枪位置、喷射角度、气液压力对脱硝效率的影响,优化了SNCR性能,为气流床煤粉工业锅炉SNCR运行提供理论指导。
1 试 验
以一台20 t/h卧式煤粉工业锅炉为研究对象,炉膛长度8.50 m、宽度2.20 m、高度2.04 m,测量期间锅炉平均蒸汽流量14.8 t/h,锅炉负荷74%。炉膛为开式炉膛,炉顶中心为集水箱,炉膛底部为水封,喷枪位置如图1所示。炉膛顶部设置2个喷枪开孔,位于集水箱和侧壁之间,距离侧壁0.52 m,距离前炉膛壁面的距离分别为2.14 m和4.85 m;炉膛侧壁设置4个喷枪开孔,高度位于炉膛中心,距离前炉膛壁面的距离分别为3、4、5和6 m,喷枪均垂直进入炉膛壁面。
图1 试验系统示意
Fig.1 Schematic diagram of the test system
采用2种气力式雾化喷枪,额定流量为150 kg/h,喷嘴均为扇形喷嘴,喷枪1扇形角度为150°,尽可能充满炉膛截面,喷枪中心喷雾浓度较低,两侧喷雾浓度较高,喷枪2扇形角度为120°,整个扇面液滴分布均匀。采用尿素作为脱硝还原剂,通过在线稀释系统将尿素稀释为质量分数10%的尿素溶液,通过液泵将尿素溶液输送至喷枪处,在喷枪前的尿素溶液管路和压缩空气管路安装压力计和流量调节阀。
尿素溶液进入炉膛后发生热解反应,经热解和水解两步反应生成氨气,反应方程式为
CO(NH2)2
NH3 HNCO,
(1)
HNCO H2O
NH3 CO2。
(2)
反应生成的NH3与烟气中的NOx反应分解为N2和H2O,反应方程式为
4NO 4NH3 O24N2 6H2O。
(4)
RNS为
(5)
式中,φ(NH3)为尿素生成氨气的物质的量浓度;φin(NO)为NH3和烟气中NO初始物质的量浓度。
采用Mru Vario Plus增强型烟气分析仪在炉膛尾部烟道测量烟气成分。采用S型热电偶测量炉膛内烟气温度,测温为0～1 300 ℃。
2 结果与讨论
2.1 喷枪位置对脱硝性能的影响
图2为炉膛内局部区域的温度分布,将热电偶通过侧壁开孔伸入炉膛壁面,调节热电偶插入深度,测量水冷壁到炉膛中心处的温度,二维温度测量截面如图1所示。由图2可知,燃烧器出口位于前炉膛壁面中心,火焰从前炉膛壁面延伸至330 cm左右,此前,炉膛中心烟气温度高于900 ℃,且水冷壁附近处于台阶流区域,温度较低,因此在300 cm截面上温度梯度最大。随着火焰燃尽及水冷壁吸热,炉膛中心温度随烟气流动方向逐渐降低,水冷壁附近结束台阶流,烟气温度逐渐升高,炉膛中心和水冷壁间的温差逐渐减小,400 cm截面处炉膛内温度分布趋于均匀,温度在790～850 ℃。然而,随烟气进一步流动,水冷壁换热使壁面附近温度进一步降低,并不断向炉膛内扩展。
图2 炉膛内温度分布
Fig.2 Distribution of the temperature inside the chamber of furnace
锅炉的初始NOx排放质量浓度和不同位置喷入尿素时的NOx排放质量浓度如图3所示,测量时采用喷枪1,水压为0.33 MPa、气压0.40 MPa,尿素流量为233 kg/h,RNS为5,顶部喷枪深入炉膛约3 cm,侧面喷枪深入炉膛约26 cm。由图3可知,锅炉初始NOx排放质量浓度为422 mg/m3,结合图1、2可知,顶孔1位置靠近前炉膛壁面,炉膛中心火焰未燃尽,烟气温度偏高,水冷壁附近为台阶流区域,烟气温度较低,大部分区域不在脱硝反应的最佳温度区间,因此脱硝效率较低。顶孔2与侧孔3横截面相距仅15 cm,2个横截面温度相近,但侧孔3喷枪开启时NOx排放浓度低于顶孔2,说明侧喷效果优于顶喷,这是由于顶部喷枪位于炉膛一侧,而侧面喷枪位于炉膛中心,雾化液滴扇面的覆盖面积大于顶部喷枪。对比侧壁4个喷枪位置可以看出,喷枪位于侧孔2时NOx排放质量浓度最低,侧孔1次之,侧孔3和侧孔4的NOx排放质量浓度逐渐升高,分别为38、53、68和149 mg/m3,可见尿素与NOx的最佳反应温度在790～850 ℃,远小于理论温度窗口(850～1 150 ℃),温度窗口的范围也大幅缩小,这是由于烟气中含有O2和CO,测试过程中发现烟气O2体积分数为6.57%～7.42%,烟气中CO质量浓度为83～141 mg/m3,烟气中O2和CO导致脱硝温度窗口缩小,并向低温方向移动,该结果与已报道研究结果一致[6-9]。侧孔3和侧孔4截面温度相近,但出口NOx排放浓度逐渐升高,这是由于这2个截面中处于最佳温度区间的区域较小,尿素液滴在最佳温度窗口的停留时间逐渐缩短,因此,脱硝性能逐渐变差。此外,虽然在侧孔2喷入尿素溶液,NOx出口排放质量浓度低于50 mg/m3,满足超低排放要求,但RNS较高,浪费尿素溶液并造成严重的氨逃逸。
图3 喷枪位置对NOx排放浓度的影响
Fig.3 Effect of the spray gun positions on the NOx emission concentration
喷雾角度对NOx排放质量浓度的影响如图4所示,喷枪从侧孔2伸入炉膛,通过旋转喷枪改变雾化扇面角度,0°表示扇面在xoz截面上,即与温度测量截面重合,90°表示雾化扇面垂直于x轴,即垂直于烟气流动方向。由图4可知,扇面与温度测量截面角度越小,出口NOx排放质量浓度越低,但其影响远小于喷枪位置,可忽略不计。
图4 喷雾角度对NOx排放浓度的影响
Fig.4 Effect of spray angel on the NOx emission concentration
不同喷枪位置和插入深度对脱硝效率的影响如图5所示,插入深度指喷枪深入炉膛内喷头距水冷壁的距离。由图5可知,侧孔1截面温度梯度较大,喷枪插入深度对脱硝效率的影响最大,脱硝效率由70.6%提高至79.4%,且随喷枪越深,烟气温度越高,脱硝效率越高。而侧孔2、3和4截面的温度分布较均匀,喷枪插入深度对NOx排放质量浓度的影响较小。喷枪位于侧孔2截面时,脱硝效率远高于其他截面,均高于85.0%,且随插入深度先升高后降低,插入深度为26 cm时,脱硝效率最高,为87.2%,说明靠近水冷壁处,烟气温度仍较低。
图5 喷枪插入深度对脱硝效率的影响
Fig.5 Effect of the depth of spray gun on NOx reduction efficiency
2.2 气、液压力对喷嘴流量和喷雾特性影响
喷枪流量和雾化特性取决于喷枪、喷嘴结构及气、液压力,在不同气、液压力下测量喷枪1的流量,如图6所示,可知喷枪1的流量随气压降低或液压升高而增大,液压低于0.35 MPa时,液压升高,喷枪流量急剧上升,液压大于0.35 MPa后,进一步提高液压,流量增加变缓。随着气压升高,喷枪流量初始减少较快,随后变缓。
图6 喷枪流量特性
Fig.6 Characteristic of flow rate of spray gun
液压0.4 MPa时不同气压下喷枪1的喷雾情况如图7所示,可知气压≤液压时,喷嘴出口出现明显液束,表明喷雾中大液滴占比较多,这是由于液体压力大造成动量增大,液体流量增多,单位体积液滴浓度提高,碰撞形成大液滴的概率增大,液滴连贯性强,最终导致雾化情况变差,气压>液压时,气体压力升高,增大气体动量提高了对液体的剪切作用,生成大量小粒径液滴,且整个扇面液滴分布越均匀。
图7 气压对喷雾特性的影响
Fig.7 Effect of air pressure on the spray characteristic
2.3 气、液压力对脱硝性能影响
不同气、液压力下条件下采用喷枪1的NOx排放浓度和脱硝效率如图8所示,喷枪位置位于侧孔2,插入深度26 cm。由图8可知,随尿素喷入量增加,脱硝效率升高,且初始流量增加,脱硝效率急剧上升,随后增幅变缓,针对0.30、0.35和0.40 MPa的液压,拐点分别出现在流量116.2、139.2和161.3 L/h处,对应的RNS分别为2.53、3.03和3.51,可见液压越低,拐点越早。相应的,拐点后脱硝效率可达82.4%、79.2%和86.5%及以上,但进一步增加尿素流量,脱硝效率提升非常有限。此外,RNS低于3.25时,相同RNS下,液压越低,脱硝效率越高,说明在低NSR下,适当降低液压有助于NOx脱除。
图8 水压和气压对脱硝性能的影响
Fig.8 Effect of the hydraulic pressure and the gas pressure on the performance of NOx reduction
NOx排放质量浓度降至50 mg/m3以下时,液压在0.40 MPa,气压<0.36 MPa,相应RNS≥4.34,RNS过高造成尿素大量浪费和严重的氨逃逸。控制50 mg/m3≤NOx排放质量浓度≤100 mg/m3时,气液压力需满足:液压在0.40 MPa,气压在0.35 MPa附近,此时,3.15≤RNS≤4.34,RNS过高,经济性差;液压为0.35 MPa时,2.93 ≤RNS≤3.00,气压在0.40 MPa附近;液压为0.30 MPa时,2.38≤RNS≤3.00,气压在0.30 MPa附近。
综上所述,针对本试验用喷枪,综合考虑NOx排放质量浓度、尿素用量、氨逃逸以及运行稳定性等因素,仅采用SNCR将NOx排放质量浓度控制在50 mg/m3以下不具有经济性,应与其他脱硝技术结合以实现超低排放。NOx排放质量浓度控制在100 mg/m3以下时,降低液压有助于提高脱硝效率并降低RNS,液压需控制在0.30～0.35 MPa,气压需控制在0.28～0.40 MPa。
2.4 喷雾情况对脱硝性能影响
液压0.35 MPa、气压0.40 MPa时喷枪1和喷枪2的喷雾情况如图9所示,可知喷枪1虽然扇面角度较大,但整个扇面上雾化液滴分布不均匀,且液滴尺寸较大;而喷枪2液滴尺寸小且粒径范围窄,同时液滴在整个扇面上分布较均匀。
图9 喷枪雾化情况
Fig.9 Atomization of the spray gun
对比2种喷枪的脱硝效率如图10所示,测量时液压为0.35 MPa,通过调整气压调节喷枪流量,从而调节RNS。由图10可知,在低气压下,喷枪2的RNS小于喷枪1,说明相同气液压力下,喷枪2流量低于喷枪1,气压升至0.40 MPa时,2个喷枪的RNS均减小,且喷枪2降幅高于喷枪1,说明喷枪2的流量在高气压下敏感性更高。
图10 喷枪喷雾情况对脱硝效率的影响
Fig.10 Effect of spray gun atomization on the NOx reduction efficiency
喷枪1和喷枪2均在气压≤液压 0.05 MPa时,脱硝效率较高,此时,进一步降低气压,RNS迅速增加,氨逃逸急剧升高但对脱硝效率的提升有限。相同RNS下,喷枪2的脱硝效率显著高于喷枪1,RNS为2.27时,采用喷枪1和喷枪2的脱硝效率分别为62.0%和89.9%,脱硝效率提高了27.9个百分点;RNS为3.0时,采用喷枪1和喷枪2的脱硝效率分别为79.0%和91.7%,脱硝效率提高了12.7百分点,可见喷枪2的性能显著优于喷枪1,这主要是由于喷枪2的喷雾粒径小,蒸发速度快,停留时间更短,脱硝性能更优越。
3 结 论
1)采用裸漏热电偶,尿素作为还原剂,烟气内存在CO、O2,使温度区间向低温方向移动,且温度区间缩小,该锅炉的最佳温度区间在790～850 ℃,温度高于或低于该温度区间,SNCR的脱硝效果均会下降,且温度降低SNCR脱硝效果恶化更严重。
2)针对本研究锅炉,距炉膛前壁400 cm横截面附近温度场分布均匀,且基本都处于SNCR的最佳温度窗口,脱硝效率最高。靠近前炉膛,炉膛中心未燃尽,火焰温度较高,水冷壁附近温度低,整个横截面温度梯度较高,喷枪深度对脱硝效率影响较大。靠近后炉膛,水冷壁换热使烟气温度逐渐降低,但截面温度分布较均匀。总体而言,喷枪前后位置对脱硝效率影响较大,插入深度在靠近前炉膛附近影响较大,从400 cm截面及炉膛后区,喷枪深度和扇面角度对脱硝效率的影响较小。喷枪的最佳位置在400 cm截面。
3)液压和气压对喷枪流量及脱硝效率的影响较大,水压增大或气压降低,喷枪流量增加,RNS取2.38～3.00,0.30 MPa ≤液压≤ 0.50 MPa,0.29 MPa≤气压≤0.40 MPa时,SNCR脱硝效率较高,且液压越低越有利于提高脱硝性能。
4)喷枪2雾化扇面角度小于喷枪1。RNS取0.27～3.00时,喷枪2脱硝效率比喷枪1高12.7～27.9个百分点,主要是由于喷枪2雾化粒径小且均匀,SNCR脱硝性能对液滴雾化情况的敏感性高于扇面角度。
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