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SNCR脱硝技术在液态排渣煤粉工业锅炉中的应用

  北极星大气网讯:摘要:为了检验SNCR脱硝技术在高效低NOx液态排渣煤粉工业锅炉中的应用效果,在一台8.4MW有机热载体锅炉炉膛内开展了SNCR脱硝技术工业化试验研究。选用尿素作为还原剂,搭建了工业化SNCR脱硝试验平台。在20%、15%、10%三种浓度尿素溶液下进行了不同尿素溶液喷射量、不同氧含量、不同锅炉负荷下的SNCR脱硝试验研究。初步试验结果表明:提出的“低NOx燃烧+SNCR脱硝”耦合技术方案是可行的,SNCR脱硝效率在80%以上,完全能够达到烟气中NOx低于50mg/m3的超低排放要求。

  燃煤工业锅炉作为NOx排放的主要来源之一,国家对其NOx的限排要求日趋严格,我国发布的新版《锅炉大气污染物排放标准》GB13271-2014规定,重点地区燃煤工业锅炉NOx排放限值为200mg/m3,目前,绝大多数燃煤工业锅炉将面临因NOx排放超标而被迫淘汰的困境。在这种背景下,课题组与上海某企业合作研发了高效煤粉工业锅炉燃烧技术,以高效低NOx液态排渣煤粉燃烧器为核心设备,在燃烧器内采用分区段控制、高温低氧气氛下燃烧、旋风燃烧等组合的低NOx燃烧技术路线,最终达到NOx排放值低于150mg/m的优异特性。

  同时,针对燃煤工业锅炉的NOx实施超低排放已成大势所趋,部分省市已提出燃煤工业锅炉的NOx排放值低于50mg/m3的要求。选择性非催化还原(SNCR)作为一种成熟的脱硝技术,在我国大中型循环流化床锅炉中应用广泛。由于SNCR脱硝效率受锅炉结构、炉膛温度等影响较大,小型燃煤工业锅炉通常不满足SNCR脱硝所需的温度窗口、炉内停留时间等条件,导致SNCR脱硝技术未能有效应用。

  一些研究表明,小型燃煤工业锅炉应用SNCR脱硝效果不理想,脱硝效率很低。贾明生等已对液态排渣煤粉工业锅炉炉内SNCR脱硝技术可行性进行了论证,提出的“低NOx燃烧+SNCR脱硝”技术方案是可行的,有望达到NOx低于50mg/m3的超低排放要求。本文对一台8.4MW液态排渣煤粉工业锅炉炉内SNCR脱硝技术进行工业化试验研究,检验SNCR脱硝应用于该类型燃煤工业锅炉的实际效果。

  上海某公司新建一台有机热载体高效煤粉工业锅炉,搭载自行研发的高效低NOx液排渣煤粉燃烧器,锅炉型号为YFL-8400KW,锅炉额定热功率8.4MW,排烟温度150℃,设计锅炉效率89%。现在炉膛增设SNCR脱硝技术方案,向炉膛内部喷射还原剂对烟气进行更深层次脱硝处理。

  该锅炉以有机热载体为换热介质,有机热载体在炉膛和对流段吸热升温后将热量送入车间使用,降温后又回到炉膛和对流段加热,换热过程循环进行。该煤粉工业锅炉系统简图如图1所示。精确计量的煤粉由一次风送进燃烧器入口,经过预热的助燃二次风分级送入燃烧器内,煤粉在燃烧器中高温、低氧气氛下剧烈旋流燃烧,煤粉中的灰分在1500℃以上的高温下大部分形成液态渣排到炉外,高温烟气进入炉膛后,在炉膛完成辐射和对流换热后依次进入对流段、空气预热器、布袋除尘器、脱硫塔等单元,最后洁净烟气经烟囱排入大气。高温烟气在炉膛换热同时,未燃尽的还原性气体在炉膛区域补入三次风后完成进一步的燃尽。在空气预热器中二次风与烟气换热后温度可达300℃以上。脱硫塔与烟囱一体化设计,在脱硫塔中喷淋碱液脱除烟气中的SO2,达到国家排放标准。

  在SNCR系统中,反应温度窗口、炉内停留时间和烟气混合程度等因素对SNCR脱硝效果影响很大,这三个因素取决于喷枪位置,故喷枪位置的选择至关重要,直接决定了脱硝效果的优劣。根据锅炉运行监测数据及先前对该锅炉SNCR脱硝可行性的研究,确定炉膛喷枪位置如图1所示,该炉膛长4m,宽2.8m,高约9m,喷枪位置距炉膛顶部约4.2m,距炉膛温度测点2.9m。通过喷射孔进行温度测试,喷射区域炉膛温度范围可保持在800℃~950℃,满足SNCR脱硝反应要求温度窗口,同时喷射位置的选取也保证了在温度窗口下的停留时间。根据炉膛尺寸在炉膛单侧面布置3个喷枪,喷枪喷射面与烟气来流方向垂直,增强还原剂喷雾与烟气的混合程度。喷枪选用气液双流体喷枪、圆锥形雾化喷头,喷枪材质为310S不锈钢,具备较好的耐磨耐高温性能。烟气测点选在空预器出口,测试仪器为德国testo-340烟气分析仪;炉膛温度测点设置在炉膛上部,炉膛温度由测点热电偶监测并反馈到锅炉自动控制系统显示界面,烟气测点及炉膛温度测点位置见图1。

  在工程应用中,相比于液氨和氨水,尿素在运输、存储及管理方面更加安全,根据实际需要,本项目还原剂选用尿素。SNCR脱硝系统主要由尿素溶液配制模块、尿素溶液储存模块、尿素溶液计量输送模块及尿素溶液喷射模块构成,各模块需要根据烟气参数合理设计,针对工况条件和介质特点,严格选择设备材料。SNCR脱硝系统工艺流程见图2。

  尿素溶液配制模块由搅拌罐、搅拌机、冷软水管、热软水管、温度计、给液泵等构成,考虑到尿素溶液的腐蚀性,设备材料均选择304不锈钢材质。尿素原料选用市场销售的袋装尿素颗粒,尿素纯度大于99%。溶解水为经过除盐处理的软水,采用软水可较好的避免管道及喷枪处的结构堵塞现象。根据工程经验,尿素溶液浓度一般在10%~20%之间,考虑到冬季温度较低,为增大尿素溶解度和避免结晶,接入热软水管道,热软水温度保持在50℃左右。搅拌罐内壁面有刻度线,可准确控制软水量,在溶液配制过程中,通过搅拌罐上的温度表监测溶液温度。配制好的尿素溶液由给液泵打入尿素溶液储液桶中存放。

  尿素溶液储存模块由储液桶和排污阀构成,用以存放配制好的尿素溶液以供给使用,储液桶和排污阀均为耐酸碱PE塑料材质。由于尿素溶液配制方便,可以做到及时配制和输送,因此储液桶不用选择过大。根据锅炉SNCR脱硝所需尿素溶液量,选择容积为2m3,桶内杂质或废液可通过排污阀排出。

  尿素溶液计量输送模块由球阀、过滤器、输送泵、止回阀、压力表、流量计等构成,该模块可控制定量的尿素溶液加压输送到喷射模块,整个模块材料均为304不锈钢材质。根据计算所需尿素流量,输送泵选择立式多级离心泵,流量2m3/h,扬程67m,配备变频器调节流量。泵进口前安装了Y型过滤器,去除溶液中颗粒杂质,保护泵及后续管件。泵出口安装止回阀,防止停运过程中叶轮倒转。系统运行时,可通过调节变频器频率调节尿素溶液流量,尿素溶液压力和流量可通过压力表和转子流量计直接读出。

  尿素溶液喷射模块包括压缩空气和尿素溶液两部分管路,管道及部件选用304不锈钢材质,压缩空气和尿素溶液通过软管接入喷枪。压缩空气来自于厂用压缩空气站,压力约为0.6MPa,压缩空气分两路进入喷枪,一路走喷枪内管用以雾化尿素溶液,一路走喷枪外管用以冷却喷枪。为稳定喷射压力,在尿素溶液支路前设置了稳压罐,在压缩空气支路前设置了气缸。系统工作时,压缩空气与加压后的尿素溶液共同进入喷枪内管,混合后通过喷嘴雾化喷入炉膛。为方便管路调节,在各管路上均安装了球阀,雾化气路和液路安装了止回阀。

  试验期间所用煤种为蒙煤,煤质分析数据见表1。试验所用高效低NOx煤粉工业锅炉系统在精确控制时完全能够实现NOx初始排放值低于150mg/m。因工业锅炉负荷变化大、司炉工操作不当等问题,供粉稳定性难以持续精准控制,锅炉运行过程中可能造成风煤比配合偏离最佳参数,导致NOx排放量有一定波动。因此,在低NOx燃烧的基础上,适当放宽了NOx初始排放浓度范围,在炉膛内部耦合SNCR脱硝技术,实现NOx低于50mg/m的超低排放目标。

  根据生产需要,锅炉需保持长期较高负荷运行,测试工况选择80%负荷。在此负荷下,通过调节鼓风和引风量来调节燃烧区空气量供给,放宽NOx初始排放浓度范围。图3是不同锅炉出口氧含量下NOx初始值和炉膛温度变化情况。

  由图3可知,在锅炉出口氧含量为3.8%时,NOx初始值低于150mg/m3,随着氧含量的增加,NOx浓度快速升高,炉膛温度也随之升高。煤粉在高效低NOx液排渣煤粉燃烧器中燃烧时,氧含量和温度对NOx生成影响显著,随着锅炉出口氧含量增加,燃烧器主燃烧区的氧含量增加,促进了煤中N元素和空气中N2与O2的接触,加快了NOx生成速度,同时氧含量的增加抑制了燃烧过程中还原性物质对NOx的还原反应;另一方面,氧含量的增加促使煤粉燃烧速度加快,燃烧强度增强,燃烧室内温度升高,在氧浓度增加和高温的双重作用下进一步加快了NOx生成速度,使NOx生成总量增加。

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