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深度|垃圾焚烧炉SNCR脱硝效率的影响因素及建议

北极星电力网新闻中心  来源:《中国环保产业》  作者:雷永程 宋薇  2018/12/26 11:07:04  我要投稿  
所属频道: 火力发电   关键词: 脱硝 脱硝技术 火力发电

北极星火力发电网讯:摘要: SCNR脱硝效率的影响因素有:温度、NH3/NOx混合度.分析了NH3/NOx混合度的影响因素.结合垃圾焚烧炉SNCR脱硝工程的实际经验数据,研究了温度对脱硝效率的影响,并提出相应的对策.

引言

SNCR(Selective Non-Catalytic Reduction)脱硝技术于20世纪70年代起源于日本,80年代末在欧盟国家开始工业应用,90年代初进入美国。该技术由丹麦FLOW.VISION有限公司引入我国,随后美国燃料科技、德国ERC等公司纷纷进入中国推广。SNCR脱硝技术具有改造工期短、改造难度小、投资少等优点,是一种经济环保的脱硝技术,目前,已在我国工业经济中广泛应用及发展。

1 原理

SNCR脱硝技术是在一定的(一般是800°C~1000°C)烟气条件下,向烟气中喷入脱硝还原剂。在高温条件下,还原剂迅速地分解成NH3,同时与烟气中的NOx发生氧化还原反应,将NOx还原成N2与H2O蒸汽。该技术采用的脱硝还原剂一般为氨水和尿素2种。氨水作为还原剂时,喷射入高温烟气后,迅速气化成NH3和H2O蒸汽。主要化学反应为:

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O

采用尿素作为还原剂时,喷射入高温烟气后,先分解为NH3,同时与烟气中的NO发生氧化还原反应。主要化学反应为:

2CO(NH2)2+4NO+O2→4N2+2CO2+4H2O

6CO(NH2)2+8NO2+O2→10N2+6CO2+12H2O

2 温度的影响分析

以各行业SNCR脱硝工程实例为基础,在NH3/NOx混合均匀程度完全相同的前提下,分析不同情况下的温度对脱硝的影响。

2.1 不同还原剂的最佳反应温度

不同还原剂需要的SNCR脱硝温度不尽相同。以重庆市某600t/d垃圾焚烧锅炉和大连市某500t/d垃圾焚烧锅炉为例。其中,重庆项目还原剂为尿素,大连项目的还原剂为氨水。

重庆项目:在锅炉负荷控制在80%,喷射入炉膛的尿素溶液(40%,w/w)控制在49.3kg/h,混合液总量控制在450kg/h时,每隔1min,记录一次SNCR脱硝系统的运行参数(氨逃逸率均为0mg/Nm3)。

大连项目:在锅炉负荷控制在65%~75%,喷射入炉膛的氨水(20%,w/w)控制在30kg/h,混合液总量控制在180kg/h时,每隔1min,记录一次SNCR脱硝系统的运行参数(氨逃逸率均为5~6mg/Nm3)。

根据测算CEMS检测点与喷枪的距离,喷射点(脱硝反应点)至CEMS的时间约3min,扣除时间上的延迟后,测试结果如图1。

1.jpg

图1表明,在锅炉负荷和还原剂喷入量均不变的情况下,氨水作为还原剂,NOx的排放量谷值所对应的烟气温度约825°C;尿素作为还原剂时,NOx的排放量谷值所对应的烟气温度约930°C。

SNCR脱硝系统比较适宜的反应温度区域为800°C~1000°C,即脱硝反应效率较高的温度区间。其中,氨水利用率较高的温度区间为800°C~870°C;尿素利用率较高的温度区间为870°C~970°C。当温度低于该区间时,反应不彻底,即未参加反应的NH3增加,使得NH3逃逸率增加,会产生二次污染;当反应温度高于该区间时,NH3的氧化反应占主导,增加了还原剂的消耗量,即脱硝效率下降。

2.2 还原剂相同,不同温度对脱硝效率的影响

以大连市某500t/d垃圾焚烧锅炉为例,在锅炉负荷控制在65%~75%,喷射入炉膛的氨水(20%,w/w)控制在30kg/h,混合液总量控制在180kg/h时,每隔1min,记录一次SNCR脱硝系统的运行参数。结果如图2。

2.jpg

图2表明,在锅炉负荷不变,喷入锅炉的氨水量和稀释水量均不变的情况下,烟气温度在825°C时,NOx的排放浓度最低。烟气温度偏高或偏低,NOx的浓度均升高。NH3逃逸率值稳定地控制在6mg/Nm3以下。

1)区间一:780°C~825°C内,随着温度升高,NOx的浓度降低。主要是因为温度的升高,脱硝反应加剧,越来越多的NH3与NOx发生反应,而降低NOx

的浓度。

(2)区间二:825°C~880°C内,随着温度的升高,NOx的浓度升高。主要原因有:1)温度升高,NH3与NOx的反应减弱,NOx的排放浓度升高;2)烟气温度的升高,局部会产生NOx,同样会增加NOx的浓度。

氨逃逸率稳定地控制在6mg/Nm3,而喷氨量不变,说明参与反应的NH3量基本不变,即NH3的利用率不变。

“区间一”的斜率的绝对值,比“区间二”的要低,说明“区间二”内所产生的NOx浓度高于区间一。即温度越高,产生NOx的速度越快。

NH3逃逸率一直处于5~6mg/Nm3,说明烟气中有部分NH3未与NOx发生反应,而直接随烟气一起排入大气。可能是由喷枪雾化的分布不均匀导致。

2.3 负荷不变,温度升高对脱硝效率的影响

由于垃圾的热值不同(特别是垃圾焚烧炉),在垃圾投料量不变的情况下,炉膛内温度会出现波动。以大连市某500t/d垃圾焚烧锅炉为例。该系统喷枪设置为前墙2支、侧墙各2支,共6支。运行时全部启用。

在锅炉负荷80%不变,即垃圾投料量保持不变的情况下,设定喷射入氨水耗量25kg/h不变,测试不同温度条件下,通过调节混合液总量,使NOx的排放值控制在200mg/Nm3以下。

3.jpg

图3显示了烟气温度与混合液总量的关系。趋势表明:在锅炉负荷不变情况下,烟气温度升高时,增加混合液的总量,可使NOx排放值保持不变。

根据程序控制原理:混合液总量=喷氨量+稀释水量。在喷氨量不变的情况下,混合总量增加,体现为稀释水量的增加,喷射入炉膛内的氨水浓度变低混合液总量的增加,说明每支喷枪的流量增加。在喷枪的设计出力下,流量增加后,喷枪雾化的液滴粒径会增加,液滴在高温烟气中的气化时间增加。因此,液滴在气化的过程中,随烟气向上流动至温度稍低的区域,气化后的NH3与NOx在温度稍低的区域,发生氧化还原反应。

3 NH3/NOx混合度

NH3与烟气(NOx)的混合是通过喷枪实现。NH3与烟气(NOx)混合得越充分,发生氧化还原反应后,NH3的利用效率越高,脱硝效率也越高,反之越低。SNCR脱硝还原剂(氨水或尿素溶液),均是以液态形式喷射入烟气中,通过喷枪,将液体雾化成无数个小粒径的液滴,均匀地分布在烟道截面上。其混合的均匀程度,与喷枪有很大关系。因此,在SNCR脱硝系统中,喷枪是最为关键的一个设备。

3.1 喷枪布置

喷枪的布置,涵盖两方面:喷枪数量和喷枪的雾化形式。根据控制逻辑,正常运行时,喷入锅炉的混合液总量(Q)不变。在一定的烟气截面积(S)上,布置一定数量(n)的喷枪,单支喷枪的流量为()。因此,喷枪的数量决定了每支喷枪的流量。数量越多,单支喷枪流量越小,反之越大。

不考虑烟气自然混合的因素,使还原剂覆盖整个烟气截面,则每支喷枪需要覆盖的一定截面积()。一定的喷枪流量()下,喷枪的不同雾化形式,脱硝的效率也不完全一样。江宝宝等对CFB锅炉的研究表明,在同样喷枪数量下,扇形喷枪喷射速率比圆锥形喷枪大2.8m/s,雾化后粒径比圆锥形喷枪小9~16μm,更有利于提高脱硝效率。

3.2 喷枪雾化粒径

喷枪雾化液滴粒径的大小,决定了NH3与烟气的接触面大小。理论上来说,喷枪雾化后的液滴粒径越小,液滴与烟气(NOx)的接触面越大,NH3的利用率越高,

脱硝效率越高。然而,液滴越小,质量就越小,单个液滴获得的动量越小,其在烟气中的阻力作用下,液滴的穿透力衰减极快,导致液滴在烟气中的覆盖面小。

因此,雾化后液滴的动量(粒径大小和速率),直接影响到液滴对烟气截面的覆盖率。选择合适的喷枪参数,即合适的雾化液滴的动量,成为SNCR脱硝工程成败的关键。

江宝宝等对不同负荷和不同的雾化形式下,SNCR脱硝的效率进行研究,并研究了喷枪不同出力下的雾化特性。但未对雾化液滴的动量(大小、速率)与脱硝效率的关系做研究。喷枪最佳的动量(大小、速率),将是SNCR脱硝效率提升的主要研究方向。对SNCR脱硝工程的设计和效率提升,将起到很明显的指导作用。

4 结论及建议

(1)不同还原剂利用率的最佳温度不同。氨水利用率最高时烟气温度约为825°C,较高的温度区间800°C~870°C;尿素利用率最高时的烟气温度约为930°C,较高的温度区间为870°C~970°C。

(2)同一还原剂在不同温度下的利用率不一样。在利用率最高所对应的烟气温度两侧,离得越远,还原剂利用率越低。高温区的利用率高于低温区。

(3)当喷枪处的温度仍高于最佳反应温度区间时,可通过增加混合液(还原剂+稀释水)的总量,达到较高的脱硝效率。在炉膛产生的初始NOx浓度不变的情况下,即还原剂的耗量不变,则只需通过增加稀释水的量即可。

SNCR脱硝系统设计时,建议设置多层喷枪,以适应炉膛负荷调整时引起的温度变化。由于炉膛内温度呈现上低下高的分布,当高负荷时,上层喷枪处温度适合,喷枪自动切换至上层;当低负荷时,下层喷枪处温度适合,喷枪自动切换至下层。这样,不论炉膛的负荷如何变化,SNCR脱硝反应点,始终处于最佳温度区间内。

原标题:垃圾焚烧炉SNCR脱硝效率的影响因素及建议

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