煤粉分级火焰中喷氨脱硝的机理研究与工程应用

4.1 OFA与火焰中喷氨协同的应用

在改造前，锅炉不采用任何低氮技术时，NOx的初始浓度约为700mg/Nm3。在图5(a),  显示了低NOx燃烧器单独使用后，NOx降低到568mg/Nm3，该值对应于OFA关闭的工况，也是下文计算脱硝效率的对比基准。当使用OFA，且空气分级不断深入，即SR从1.2降低到0.9，NOx排放也逐渐降低。在OFA不同空气分级的情况下，分别使用分级火焰内喷氨技术，可见：对于SR<1.13的情况，火焰中喷氨有降低nox排放;但是当sr>1.13时，火焰中喷氨不是降低NOx,  而是提高了NOx的排放浓度。分级火焰中喷氨实验中，最低NOx的工况出在SR=0.9，此时NOx排放浓度为273mg/Nm3。对最佳SR=0.9的工况，我们在喷氨的测点的位置，测试了炉内的温度与氧浓度，烟气温度处于在1100-1400oC，氧浓度低于0.4  vol%。

对空气深度分级的最优工况(SR=0.9)，研究了火焰中喷氨点设置在四角与四墙中心的区别。研究结果见图5(b),  图中展示了两处喷氨位置分别喷氨，且喷氨量不同时，锅炉烟气中NOx的浓度变化。 墙喷的最低NOx浓度约为320  mg/Nm3，角喷的最低NOx为270mg/Nm3。在四角切圆燃烧的煤粉锅炉中，火焰强旋流的气流组织会对火焰外沿有一定的离心力作用，从而对尿素溶液的喷入有一定的阻碍作用，阻止其进入火焰深处。墙侧的烟气气流速度较慢，且气流方向更倾向于向上、直接穿过低氧还原区，所以墙喷时还原剂的还原区停留时间被缩短。相比而言，四角位置的还原剂喷射，能够利用附近的烟气回流卷吸，更深的进入火焰，并与含NO的烟气更好的混合。可见，四角切向燃烧煤粉锅炉中使用分级火焰喷氨技术，喷射位置有重要的影响。

图5(b)也展现了最佳尿素溶液喷量的影响。角喷时，最佳的尿素溶液喷量在NSR1=1.73。超过最佳喷射量，NOx的浓度有提升，这是因为分级火焰中喷氨的下游是二级供氧的OFA区域，更多的未反应的氨会在该区域燃尽，过多的还原剂喷射会提高NOx的排放浓度。该最优喷氨量，与还原区高度、炉内还原剂与烟气混合程度等有关。

无论墙喷还是角喷的工况，我们测试了火焰中喷氨使用时尾部烟气中的氨逃逸，都发现没有测出有氨存在于尾部烟气中。可见，火焰中喷氨后，烟气会后续进入OFA的二段氧化区，过多的喷氨都在氧化区内被氧化形成NOx，而不会发生氨逃逸。

4.2 OFA、SNCR与火焰中喷氨协同的应用

在工程示范项目中，对分级火焰中喷氨(RISF)、锅炉烟气SNCR、OFA等技术的协同使用进行了最优化研究。图6(a)中展现了SNCR与OFA联合使用，SNCR的喷氨量(NSR2)对脱硝效率的影响，最佳的NSR2=1.84。图6(b)是在NSR2=1.84的SNCR最佳工况的基础上，进行了分级火焰中喷氨,  随着火焰中喷氨量的增加，NOx的排放继续降低，最低被控制到68mg/Nm3，此时火焰中喷氨量NSR1=1.73。

汇总锅炉改造的实验数据，分析与对比了OFA、SNCR与RISF三者协同使用中，三者技术自身的脱硝效率贡献，见图6(c)。三者最佳协同使用时,  总的脱硝效率为88.7%，其中OFA单独贡献了31.3%，SNCR贡献了40.4%，分级火焰中喷氨 (RISF) 技术的脱硝效率贡献了17%。

烟气中的氨逃逸数据的记录中，SNCR、OFA与RISF三者协同的氨逃逸，与SNCR与OFA两者协同工况的氨逃逸数据相似，都是小于3ppm。可见，RISF的使用本身不会增加氨逃逸发生，是该技术的一个重要的优势。

5.结论

本文介绍了一种新型的“分级火焰中喷氨脱硝技术(Reagent injection in staged flame，  简称RISF)”，该技术是在痕迹氧或近零氧浓度的还原环境中喷入尿素或氨水溶液，在煤粉分级火焰内部直接降低NOx生成。我们过去几年中，通过实验室级别的实验机理研究、工程示范应用的优化研究等，对该技术的特性、优点等进行了细致研究。主要结论有：

1)  从实验室实验研究中，发现1200~1400oC的高温环境下，分级火焰(还原区)中喷氨仍可以发挥脱硝的功能，这完全有别于烟气中脱硝的SNCR技术。SNCR存在能有效还原的狭小温度窗口(800~1150oC)，然而分级火焰中喷氨，拓宽了该温度窗口，适用于大于800oC的高温环境。

2) 深度空气分级技术的使用，不但本身可以降低NOx浓度,  还可以降低还原区的痕迹氧浓度，这为协同火焰中喷氨、实现超低的NOx排放创造了条件。实验室研究发现最佳脱硝效果的火焰区喷氨量，与分级火焰中还原区的痕迹氧浓度有关。对低于1%氧浓度的环境，喷氨脱硝是有效的;浓度过高喷氨，不但不降低NOx,  还会增加NOx的生成量。此外，达到最佳脱硝所需的火焰区喷氨量与痕迹氧浓度有关，越低的痕迹氧浓度，所需的喷氨量也越小。

3)  50MWe的电站锅炉低NOx改造中，进行了OFA、SNCR与分级火焰中喷氨三者的协同优化性能研究。研究发现在现有的多种脱硝技术联合应用的基础上，分级火焰中喷氨脱硝技术仍然有更进一步地降低NOx排放的能力。在我们的工业应用中，三者协同的整体脱硝效率约90%，其中分级火焰中喷氨的贡献占17%。

4)  分级火焰中喷氨的位置在OFA的下方，过剩的喷氨在下游的OFA区域完全可以被氧化消除。没有氨逃逸的发生，是该技术的一大优势。该技术可以与SCR技术协同使用，帮助减少氨逃逸的发生，是解决尾部硫酸氢铵结焦的一种方法。

5)  本文工程改造阐述了“分级火焰中喷氨技术”在四角切向燃烧锅炉中的成功应用。炉内的强旋流火焰对还原剂喷入射流有一定的阻碍作用，阻止射流更深入的进入炉膛。研究中发现四角处往火焰中喷氨，比四墙的中心处喷氨，更益于NOx减排，这于四角切圆燃烧的空间火焰气流组织有关。