脫硝噴槍在液態(tài)排渣煤粉爐SNCR系統(tǒng)位置，在SNCR系統(tǒng)中，反應(yīng)溫度窗口、爐內(nèi)停留時(shí)間和煙氣混合程度等因素對(duì)SNCR脫硝效果影響很大，這三個(gè)因素取決于噴槍位置，故噴槍位置的選擇至關(guān)重要，直接決定了脫硝效果的優(yōu)劣。根據(jù)鍋爐運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及先前對(duì)該鍋爐SNCR脫硝可行性的研究，確定爐膛噴槍位置如圖1所示，該爐膛長(zhǎng)4m，寬2.8m，高約9m，脫硝噴槍位置距爐膛頂部約4.2m，距爐膛溫度測(cè)點(diǎn)2.9m。通過(guò)噴射孔進(jìn)行溫度測(cè)試，噴射區(qū)域爐膛溫度范圍可保持在800℃~950℃，滿足SNCR脫硝反應(yīng)要求溫度窗口，同時(shí)噴射位置的選取也保證了在溫度窗口下的停留時(shí)間。根據(jù)爐膛尺寸在爐膛單側(cè)面布置3個(gè)噴槍?zhuān)瑖姌寚娚涿媾c煙氣來(lái)流方向垂直，增強(qiáng)還原劑噴霧與煙氣的混合程度。噴槍選用氣液雙流體噴槍、圓錐形霧化噴頭，脫硝噴槍材質(zhì)為310S不銹鋼，具備較好的耐磨耐高溫性能。煙氣測(cè)點(diǎn)選在空預(yù)器出口，測(cè)試儀器為德國(guó)testo-340煙氣分析儀；爐膛溫度測(cè)點(diǎn)設(shè)置在爐膛上部，爐膛溫度由測(cè)點(diǎn)熱電偶監(jiān)測(cè)并反饋到鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)顯示界面，煙氣測(cè)點(diǎn)及爐膛溫度測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖1。
為了檢驗(yàn)SNCR脫硝技術(shù)在低NOx液態(tài)排渣煤粉工業(yè)鍋爐中的應(yīng)用效果，在一臺(tái)8.4MW有機(jī)熱載體鍋爐爐膛內(nèi)開(kāi)展了SNCR脫硝技術(shù)工業(yè)化試驗(yàn)研究。選用尿素作為還原劑，搭建了工業(yè)化SNCR脫硝試驗(yàn)平臺(tái)。在20%、15%、10%三種濃度尿素溶液下進(jìn)行了不同尿素溶液噴射量、不同氧含量、不同鍋爐負(fù)荷下的SNCR脫硝試驗(yàn)研究。初步試驗(yàn)結(jié)果表明：提出的“低NOx燃燒+SNCR脫硝”耦合技術(shù)方案是可行的，SNCR脫硝效率在80%以上，完全能夠達(dá)到煙氣中NOx低于50mg/m3的超低排放要求。
燃煤工業(yè)鍋爐作為NOx排放的主要來(lái)源之一，國(guó)家對(duì)其N(xiāo)Ox的限排要求日趨嚴(yán)格，我國(guó)發(fā)布的新版《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB13271-2014規(guī)定，重要地區(qū)燃煤工業(yè)鍋爐NOx排放限值為200mg/m3，目前，絕大多數(shù)燃煤工業(yè)鍋爐將面臨因NOx排放超標(biāo)而被迫淘汰的困境。在這種背景下，課題組與上海某企業(yè)合作研發(fā)了煤粉工業(yè)鍋爐燃燒技術(shù)，以低NOx液態(tài)排渣煤粉燃燒器為核心設(shè)備，在燃燒器內(nèi)采用分區(qū)段控制、高溫低氧氣氛下燃燒、旋風(fēng)燃燒等組合的低NOx燃燒技術(shù)路線，達(dá)到NOx排放值低于150mg/m的優(yōu)異特性。
同時(shí)，針對(duì)燃煤工業(yè)鍋爐的NOx實(shí)施超低排放已成大勢(shì)所趨，部分省市已提出燃煤工業(yè)鍋爐的NOx排放值低于50mg/m3的要求。選擇性非催化還原（SNCR）作為一種成熟的脫硝技術(shù)，在我國(guó)大中型循環(huán)流化床鍋爐中應(yīng)用廣泛。由于SNCR脫硝效率受鍋爐結(jié)構(gòu)、爐膛溫度等影響較大，小型燃煤工業(yè)鍋爐通常不滿足SNCR脫硝所需的溫度窗口、爐內(nèi)停留時(shí)間等條件，導(dǎo)致SNCR脫硝技術(shù)未能有效應(yīng)用。
一些研究表明，小型燃煤工業(yè)鍋爐應(yīng)用SNCR脫硝效果不理想，脫硝效率很低。賈明生等已對(duì)液態(tài)排渣煤粉工業(yè)鍋爐爐內(nèi)SNCR脫硝技術(shù)可行性進(jìn)行了論證，提出的“低NOx燃燒+SNCR脫硝”技術(shù)方案是可行的，有望達(dá)到NOx低于50mg/m3的超低排放要求。本文對(duì)一臺(tái)8.4MW液態(tài)排渣煤粉工業(yè)鍋爐爐內(nèi)SNCR脫硝技術(shù)進(jìn)行工業(yè)化試驗(yàn)研究，檢驗(yàn)SNCR脫硝應(yīng)用于該類(lèi)型燃煤工業(yè)鍋爐的實(shí)際效果。
2、鍋爐系統(tǒng)概況
上海某公司新建一臺(tái)有機(jī)熱載體煤粉工業(yè)鍋爐，搭載自行研發(fā)的低NOx液排渣煤粉燃燒器，鍋爐型號(hào)為YFL-8400KW，鍋爐額定熱功率8.4MW，排煙溫度150℃，設(shè)計(jì)鍋爐效率89%。現(xiàn)在爐膛增設(shè)SNCR脫硝技術(shù)方案，向爐膛內(nèi)部噴射還原劑對(duì)煙氣進(jìn)行更深層次脫硝處理。
該鍋爐以有機(jī)熱載體為換熱介質(zhì)，有機(jī)熱載體在爐膛和對(duì)流段吸熱升溫后將熱量送入車(chē)間使用，降溫后又回到爐膛和對(duì)流段加熱，換熱過(guò)程循環(huán)進(jìn)行。該煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。準(zhǔn)確計(jì)量的煤粉由一次風(fēng)送進(jìn)燃燒器入口，經(jīng)過(guò)預(yù)熱的助燃二次風(fēng)分級(jí)送入燃燒器內(nèi)，煤粉在燃燒器中高溫、低氧氣氛下劇烈旋流燃燒，煤粉中的灰分在1500℃以上的高溫下大部分形成液態(tài)渣排到爐外，高溫?zé)煔膺M(jìn)入爐膛后，在爐膛完成輻射和對(duì)流換熱后依次進(jìn)入對(duì)流段、空氣預(yù)熱器、布袋除塵器、脫硫塔等單元，后潔凈煙氣經(jīng)煙囪排入大氣。高溫?zé)煔庠跔t膛換熱同時(shí)，未燃盡的還原性氣體在爐膛區(qū)域補(bǔ)入三次風(fēng)后完成進(jìn)一步的燃盡。在空氣預(yù)熱器中二次風(fēng)與煙氣換熱后溫度可達(dá)300℃以上。脫硫塔與煙囪一體化設(shè)計(jì)，在脫硫塔中噴淋堿液脫除煙氣中的SO2，達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)。
3、3SNCR脫硝系統(tǒng)模塊
在工程應(yīng)用中，相比于液氨和氨水，尿素在運(yùn)輸、存儲(chǔ)及管理方面更加安全，根據(jù)實(shí)際需要，本項(xiàng)目還原劑選用尿素。SNCR脫硝系統(tǒng)主要由尿素溶液配制模塊、尿素溶液儲(chǔ)存模塊、尿素溶液計(jì)量輸送模塊及尿素溶液噴射模塊構(gòu)成，各模塊需要根據(jù)煙氣參數(shù)合理設(shè)計(jì)，針對(duì)工況條件和介質(zhì)特點(diǎn)，嚴(yán)格選擇設(shè)備材料。SNCR脫硝系統(tǒng)工藝流程見(jiàn)圖2。
3.1尿素溶液配制模塊
尿素溶液配制模塊由攪拌罐、攪拌機(jī)、冷軟水管、熱軟水管、溫度計(jì)、給液泵等構(gòu)成，考慮到尿素溶液的腐蝕性，設(shè)備材料均選擇304不銹鋼材質(zhì)。尿素原料選用市場(chǎng)銷(xiāo)售的袋裝尿素顆粒，尿素純度大于99%。溶解水為經(jīng)過(guò)除鹽處理的軟水，采用軟水可較好的避免管道及噴槍處的結(jié)構(gòu)堵塞現(xiàn)象。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，尿素溶液濃度一般在10%~20%之間，考慮到冬季溫度較低，為增加尿素溶解度和避免結(jié)晶，接入熱軟水管道，熱軟水溫度保持在50℃左右。攪拌罐內(nèi)壁面有刻度線，可準(zhǔn)確控制軟水量，在溶液配制過(guò)程中，通過(guò)攪拌罐上的溫度表監(jiān)測(cè)溶液溫度。配制好的尿素溶液由給液泵打入尿素溶液儲(chǔ)液桶中存放。
3.2尿素溶液儲(chǔ)存模塊
尿素溶液儲(chǔ)存模塊由儲(chǔ)液桶和排污閥構(gòu)成，用以存放配制好的尿素溶液以供給使用，儲(chǔ)液桶和排污閥均為耐酸堿PE塑料材質(zhì)。由于尿素溶液配制方便，可以做到及時(shí)配制和輸送，因此儲(chǔ)液桶不用選擇過(guò)大。根據(jù)鍋爐SNCR脫硝所需尿素溶液量，選擇容積為2m3，桶內(nèi)雜質(zhì)或廢液可通過(guò)排污閥排出。
3.3尿素溶液計(jì)量輸送模塊
尿素溶液計(jì)量輸送模塊由球閥、過(guò)濾器、輸送泵、止回閥、壓力表、流量計(jì)等構(gòu)成，該模塊可控制定量的尿素溶液加壓輸送到噴射模塊，整個(gè)模塊材料均為304不銹鋼材質(zhì)。根據(jù)計(jì)算所需尿素流量，輸送泵選擇立式多級(jí)離心泵，流量2m3/h，揚(yáng)程67m，配備變頻器調(diào)節(jié)流量。泵進(jìn)口前安裝了Y型過(guò)濾器，去除溶液中顆粒雜質(zhì)，保護(hù)泵及后續(xù)管件。泵出口安裝止回閥，防止停運(yùn)過(guò)程中葉輪倒轉(zhuǎn)。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，可通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器頻率調(diào)節(jié)尿素溶液流量，尿素溶液壓力和流量可通過(guò)壓力表和轉(zhuǎn)子流量計(jì)直接讀出。
3.4尿素溶液噴射模塊
尿素溶液噴射模塊包括壓縮空氣和尿素溶液兩部分管路，管道及部件選用304不銹鋼材質(zhì)，壓縮空氣和尿素溶液通過(guò)軟管接入噴槍。壓縮空氣來(lái)自于廠用壓縮空氣站，壓力約為0.6MPa，壓縮空氣分兩路進(jìn)入脫硝噴槍，一路走噴槍內(nèi)管用以霧化尿素溶液，一路走噴槍外管用以冷卻噴槍。為穩(wěn)定噴射壓力，在尿素溶液支路前設(shè)置了穩(wěn)壓罐，在壓縮空氣支路前設(shè)置了氣缸。系統(tǒng)工作時(shí)，壓縮空氣與加壓后的尿素溶液共同進(jìn)入噴槍內(nèi)管，混合后通過(guò)噴嘴霧化噴入爐膛。為方便管路調(diào)節(jié)，在各管路上均安裝了球閥，霧化氣路和液路安裝了止回閥。
試驗(yàn)期間所用煤種為蒙煤，煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。試驗(yàn)所用低NOx煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)在精確控制時(shí)完全能夠?qū)崿F(xiàn)NOx初始排放值低于150mg/m。因工業(yè)鍋爐負(fù)荷變化大、司爐工操作不當(dāng)?shù)葐?wèn)題，供粉穩(wěn)定性難以持續(xù)準(zhǔn)確控制，鍋爐運(yùn)行過(guò)程中可能造成風(fēng)煤比配合偏離較佳參數(shù)，導(dǎo)致NOx排放量有一定波動(dòng)。因此，在低NOx燃燒的基礎(chǔ)上，適當(dāng)放寬了NOx初始排放濃度范圍，在爐膛內(nèi)部耦合SNCR脫硝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)NOx低于50mg/m的超低排放目標(biāo)。
SNCR 脫硝效率計(jì)算如式（1）所示：
4.1不同氧含量下NOx濃度
根據(jù)生產(chǎn)需要，鍋爐需保持長(zhǎng)期較高負(fù)荷運(yùn)行，測(cè)試工況選擇80%負(fù)荷。在此負(fù)荷下，通過(guò)調(diào)節(jié)鼓風(fēng)和引風(fēng)量來(lái)調(diào)節(jié)燃燒區(qū)空氣量供給，放寬NOx初始排放濃度范圍。圖3是不同鍋爐出口氧含量下NOx初始值和爐膛溫度變化情況。
由圖3可知，在鍋爐出口氧含量為3.8%時(shí)，NOx初始值低于150mg/m3，隨著氧含量的增加，NOx濃度快速升高，爐膛溫度也隨之升高。煤粉在低NOx液排渣煤粉燃燒器中燃燒時(shí)，氧含量和溫度對(duì)NOx生成影響顯著，隨著鍋爐出口氧含量增加，燃燒器主燃燒區(qū)的氧含量增加，促進(jìn)了煤中N元素和空氣中N2與O2的接觸，加快了NOx生成速度，同時(shí)氧含量的增加控制了燃燒過(guò)程中還原性物質(zhì)對(duì)NOx的還原反應(yīng)；另一方面，氧含量的增加促使煤粉燃燒速度加快，燃燒強(qiáng)度增強(qiáng)，燃燒室內(nèi)溫度升高，在氧濃度增加和高溫的雙重作用下進(jìn)一步加快了NOx生成速度，使NOx生成總量增加。
