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对循环流化床锅炉SNCR过程中还原剂与烟气的混合情况进行了数值模拟,分析了不同烟气量和喷射点布置对混合情况的影响。计算结果表明,当还原剂喷射点设置在分离器进口烟道时,还原剂和烟气在分离器内大部分区域混合很好,烟气量降低对混合效果影响不大。当还原剂喷射点布置在分离器内部时,还原剂与烟气混合效果较差,大部分还原剂从中心筒“短路”流出旋风分离器。在一台75t/h的循环流化床锅炉上进行了实际应用,达到较高的脱硝效率,能够将NOx排放值控制在100mg/Nm3以下。
1、前言
煤炭是中国的基础能源,在一次能源构成中占70%左右。根据“十一五”规划和“十二五”规划,在今后一个较长时期内,煤炭将继续占据我国能源的主导地位[1]。
燃煤发电锅炉、工业锅炉和工业窖炉是三大煤耗设备。燃煤锅炉排放的烟气中含有大量的NOx,占我国总NOx排放量的60%~80%,是大气中NOx污染物的主要来源。NOx的排放给自然环境和人类生活带来了严重的危害,是酸雨、酸雾的主要原因之一,在大气中与碳氢化合物形成光化学烟雾,并参与臭氧层的破坏。
根据第一次全国污染源普查报告,2007年我国氮氧化物排放总量为1797.7万吨,如不进一步采取有效的NOx排放控制措施,预计到2020年,氮氧化物排放量将达到2900万吨。2011年7月,环境保护部和国家质量监督检验检疫总局联合发布了修订的《火电厂大气污染物排放标准》,于2012年1月1日开始实施,其中燃煤锅炉的氮氧化物排放限值为100mg/m3。
选择性非催化还原反应(Selective Non-Catalytic Reduction,SNCR)是一种无需催化剂的脱硝方式。该方法是将氨基还原剂喷入炉膛温度为800~1100℃的区域内,与烟气中的NOx进行反应,生成N2和H2O。
与煤粉锅炉相比,循环流化床锅炉(CFB)由于燃烧温度较低、合理组织送风,NOx生成量自身就可控制到200mg/m3左右[2]。如再配置SNCR脱硝技术,就可以实现低于100mg/m3的排放水平,并维持氨逃逸在5~10ppm[3]。由于SNCR脱硝系统简单,造价相对低廉,不存在反应器堵塞等问题,因此在CFB锅炉上的应用逐步增多。本文对SNCR技术在流化床锅炉上的还原剂喷射系统的布置方式进行了研究,考察了不同参数下还原剂在旋风分离器内的分布情况。
2、CFB锅炉SNCR应用特点
2.1温度分布合适
SNCR技术的脱硝效率对反应温度非常敏感。如果反应温度过低,脱硝反应速率很慢,反应剂来不及参与反应,因而降低了脱硝效率,并且增加氨逃逸量;如果反应温度过高,NH3的氧化反应占优,反而增加NO排放。一般而言,SNCR最佳的反应“温度窗口”为900~1100℃[6]。
CFB锅炉属于低温燃烧方式,炉内燃烧温度较低,且分布均匀,炉膛至旋风分离器区域温度一般为850~950℃,正好处于SNCR温度窗口内。因此,CFB锅炉的炉内温度分布情况非常适合实施SNCR脱硝技术。
2.2停留时间足够
为保证SNCR达到理想脱销效率并且减少氨逃逸,烟气和脱硝反应剂在合适的温度区间达到足够的停留时间是关键因素之一。对于CFB锅炉,SNCR还原剂常布置在高温旋风分离器进口。根据旋风分离器的沉降分离理论,假定烟气均匀进入分离器,并沿螺旋线行进,则烟气在分离器中的停留时间τN可以用下式进行估算:
(1)
式中:r0和re分别为旋风分离器筒体半径和排气管半径;U为烟气切向速度,等于分离器进口速度;Nc为烟气在分离器内旋转的圈数。CFB锅炉高温分离器入口速度大约为20~30m/s,大容量锅炉分离器筒体直径约6~7m,排气中心管直径约3m。按上式计算可知,烟气在分离器停留时间约为2.5~3.5s[5]。
根据试验和工程实际经验,还原剂在有效脱硝温度窗口的停留时间大于1s即可得到较好的脱硝效率,因此,CFB锅炉的炉型适合采用SNCR技术。
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