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，反應溫度窗口、爐內(nèi)停留時間和煙氣混合程度等因素對SNCR脫硝效果影響很大，這三個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)鍋爐運行監(jiān)測數(shù)據(jù)及先前對該鍋爐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，距爐膛溫度測點2.9m。通過噴射孔進行溫度測試，噴射區(qū)域爐膛溫度范圍可保持在800℃~950℃，滿足SNCR脫硝反應要求溫度窗口，同時噴射位置的選取也保證了在溫度窗口下的停留時間。根據(jù)爐膛尺寸在爐膛單側(cè)面布置3個噴槍，噴槍噴射面與煙氣來流方向垂直，增強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。煙氣測點選在空預器出口，測試儀器為德國testo-340煙氣分析儀；爐膛溫度測點設(shè)置在爐膛上部，爐膛溫度由測點熱電偶監(jiān)測并反饋到鍋爐自動控制系統(tǒng)顯示界面，煙氣測點及爐膛溫度測點位置見圖1。
為了檢驗SNCR脫硝技術(shù)在低NOx液態(tài)排渣煤粉工業(yè)鍋爐中的應用效果，在一臺8.4MW有機熱載體鍋爐爐膛內(nèi)開展了SNCR脫硝技術(shù)工業(yè)化試驗研究。選用尿素作為還原劑，搭建了工業(yè)化SNCR脫硝試驗平臺。在20%、15%、10%三種濃度尿素溶液下進行了不同尿素溶液噴射量、不同氧含量、不同鍋爐負荷下的SNCR脫硝試驗研究。初步試驗結(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排放的主要來源之一，國家對其NOx的限排要求日趨嚴格，我國發(fā)布的新版《鍋爐大氣污染物排放標準》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、旋風燃燒等組合的低NOx燃燒技術(shù)路線，達到NOx排放值低于150mg/m的優(yōu)異特性。
同時，針對燃煤工業(yè)鍋爐的NOx實施超低排放已成大勢所趨，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)，在我國大中型循環(huán)流化床鍋爐中應用廣泛。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)停留時間等條件，導致SNCR脫硝技術(shù)未能有效應用。
一些研究表明，小型燃煤工業(yè)鍋爐應用SNCR脫硝效果不理想，脫硝效率很低。賈明生等已對液態(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，有望達到NOx低于50mg/m3的超低排放要求。本文對一臺8.4MW液態(tài)排渣煤粉工業(yè)鍋爐爐內(nèi)SNCR脫硝技術(shù)進行工業(yè)化試驗研究，檢驗SNCR脫硝應用于該類型燃煤工業(yè)鍋爐的實際效果。
2、鍋爐系統(tǒng)概況
上海某公司新建一臺有機熱載體煤粉工業(yè)鍋爐，搭載自行研發(fā)的低NOx液排渣煤粉燃燒器，鍋爐型號為YFL-8400KW，鍋爐額定熱功率8.4MW，排煙溫度150℃，設(shè)計鍋爐效率89%�，F(xiàn)在爐膛增設(shè)SNCR脫硝技術(shù)方案，向爐膛內(nèi)部噴射還原劑對煙氣進行更深層次脫硝處理。
該鍋爐以有機熱載體為換熱介質(zhì)，有機熱載體在爐膛和對流段吸熱升溫后將熱量送入車間使用，降溫后又回到爐膛和對流段加熱，換熱過程循環(huán)進行。該煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)簡圖如圖1所示。準確計量的煤粉由一次風送進燃燒器入口，經(jīng)過預熱的助燃二次風分級送入燃燒器內(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，高溫煙氣進入爐膛后，在爐膛完成輻射和對流換熱后依次進入對流段、空氣預熱器、布袋除塵器、脫硫塔等單元，后潔凈煙氣經(jīng)煙囪排入大氣。高溫煙氣在爐膛換熱同時，未燃盡的還原性氣體在爐膛區(qū)域補入三次風后完成進一步的燃盡。在空氣預熱器中二次風與煙氣換熱后溫度可達300℃以上。脫硫塔與煙囪一體化設(shè)計，在脫硫塔中噴淋堿液脫除煙氣中的SO2，達到國家排放標準。
3、3SNCR脫硝系統(tǒng)模塊
在工程應用中，相比于液氨和氨水，尿素在運輸、存儲及管理方面更加安全，根據(jù)實際需要，本項目還原劑選用尿素。SNCR脫硝系統(tǒng)主要由尿素溶液配制模塊、尿素溶液儲存模塊、尿素溶液計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，針對工況條件和介質(zhì)特點，嚴格選擇設(shè)備材料。SNCR脫硝系統(tǒng)工藝流程見圖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、冷軟水管、熱軟水管、溫度計、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)。尿素原料選用市場銷售的袋裝尿素顆粒，尿素純度大于99%。溶解水為經(jīng)過除鹽處理的軟水，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，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，可準確控制軟水量，在溶液配制過程中，通過攪拌罐上的溫度表監(jiān)測溶液溫度。配制好的尿素溶液由給液泵打入尿素溶液儲液桶中存放。
3.2尿素溶液儲存模塊
尿素溶液儲存模塊由儲液桶和排污閥構(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，可以做到及時配制和輸送，因此儲液桶不用選擇過大。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)或廢液可通過排污閥排出。
3.3尿素溶液計量輸送模塊
尿素溶液計量輸送模塊由球閥、過濾器、輸送泵、止回閥、壓力表、流量計等構(gòu)成，該模塊可控制定量的尿素溶液加壓輸送到噴射模塊，整個模塊材料均為304不銹鋼材質(zhì)。根據(jù)計算所需尿素流量，輸送泵選擇立式多級離心泵，流量2m3/h，揚程67m，配備變頻器調(diào)節(jié)流量。泵進口前安裝了Y型過濾器，去除溶液中顆粒雜質(zhì)，保護泵及后續(xù)管件。泵出口安裝止回閥，防止停運過程中葉輪倒轉(zhuǎn)。系統(tǒng)運行時，可通過調(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壓力表和轉(zhuǎn)子流量計直接讀出。
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軟管接入噴槍。壓縮空氣來自于廠用壓縮空氣站，壓力約為0.6MPa，壓縮空氣分兩路進入脫硝噴槍，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，壓縮空氣與加壓后的尿素溶液共同進入噴槍內(nèi)管，混合后通過噴嘴霧化噴入爐膛。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。
試驗期間所用煤種為蒙煤，煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)見表1。試驗所用低NOx煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)在精確控制時完全能夠?qū)崿F(xiàn)NOx初始排放值低于150mg/m。因工業(yè)鍋爐負荷變化大、司爐工操作不當?shù)葐栴}，供粉穩(wěn)定性難以持續(xù)準確控制，鍋爐運行過程中可能造成風煤比配合偏離較佳參數(shù)，導致NOx排放量有一定波動。因此，在低NOx燃燒的基礎(chǔ)上，適當放寬了NOx初始排放濃度范圍，在爐膛內(nèi)部耦合SNCR脫硝技術(shù)，實現(xiàn)NOx低于50mg/m的超低排放目標。
SNCR 脫硝效率計算如式（1）所示：
4.1不同氧含量下NOx濃度
根據(jù)生產(chǎn)需要，鍋爐需保持長期較高負荷運行，測試工況選擇80%負荷。在此負荷下，通過調(diào)節(jié)鼓風和引風量來調(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，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，氧含量和溫度對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，同時氧含量的增加控制了燃燒過程中還原性物質(zhì)對NOx的還原反應；另一方面，氧含量的增加促使煤粉燃燒速度加快，燃燒強度增強，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一步加快了NOx生成速度，使NOx生成總量增加。
