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SNCR脱硝技术具有投资少、运行成本低、锅炉改运小等优势,在各类锅炉中得到应用。循环流化床锅炉的旋风分离器在烟气的滞留时间、还原剂混合等方面均优于其他炉型。本文以1150t/h超临界循环流化床锅炉为模型,探讨选择合适的还原剂,提高脱硝效率,使烟气中NOx排放达到国家新限值的要求。
1脱硝效率影响因素分析
还原剂种类、反应温度、反应时间、还原剂混合、氨氮比是影响循环流化床锅炉SNCR脱硝效率的重要因素。因此从这4个方面探讨对SNCR脱硝效率的影响。
SNCR脱硝系统的最佳反应条件是温度880~1100℃之间,反应时间大于0.4s。分离器区域烟气温度在850~950℃之间,区域内温度基本保持不变。经过实测和流场计算,烟气在分离器的平均滞留时间大于1s,超过最佳反应停留时间0.6s,具备充分反应的条件,因此循环流化床锅炉旋风分离器进口烟道是最合适的还原剂注射点。氨氮比与氨逃逸量是正比关系,即氨氮比增大时,脱硝效率提高,但氨逃逸量增大,并且脱硝效率的提高速率随氨氮比的增大而降低,因此提高氨氮比并不能从根本上解决SNCR脱硝效率偏低的问题。以下重点分析不同还原剂对脱硝效率及炉效的影响。
2SNCR脱硝还原剂分析
脱硝的还原剂均是含氮的物质,目前最为广泛的有液氨、氨水、尿素3种。
液氨,分子式NH3,易溶于水,爆炸极限为16%~25%,有毒,对人体有腐蚀性,应存储在专用库房,大量存放需要获得安监和消防部门许可。作为还原剂优点:以气体形式喷入,对炉后烟气流速和排烟温度影响最小,不会产生湿壁现象,对浇筑料无损伤;以液体的形式储存,占用体积小。缺点:有毒、可燃、可爆,存储和使用安全防护高,存储罐和输运管道需要特别处理。
氨水即氨的水溶液,分子式NH3˙H2O,容易挥发逸出,有一定的毒性。其腐蚀性较强,储运、使用时有一定的操作安全要求,工业用氨水通常为20%或25%浓度。作为还原剂优点:储存、输送和处理都比液氨简单;喷射刚性、穿透能力比氨气强。缺点:含有大量的稀释水,储运量和输送系统比氨系统庞大。氨水还原NO的化学原理与液氨相同。
尿素,分子式(NH4)2CO,吸湿性强,含氮量在46%以上,常压下熔点为132.6℃,超过熔点则分解。作为还原剂优点:无毒性,腐蚀性弱,储运方便,使用简单,不会燃烧和爆炸;溶液的挥发性比氨水小,穿透性好;合适温度范围是950~1150℃,适于煤粉锅炉脱硝系统使用。缺点:尿素水解的中间产物尿素—甲铵溶液具有很强的腐蚀性,对大多数金属有强烈腐蚀作用;脱硝反应温度窗口(脱硝适合的反应区温度)比氨水高50~100℃。
3还原剂对SNCR脱硝效率的影响
以氨为还原剂的反应表达式如下:
在有氧的条件下4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O在无氧(或者缺氧)的条件下8NH3+6NO2→7N2+12H2O该反应没有产生副产物,对氧气量的需求较大,循环流化床锅炉出口的过量空气系数为1.2左右,可以满足该反应条件要求。以尿素为还原剂的反应如下:(NH4)2C0→2NH2+CONH2+NO→N2+H2OCO+NO→N2+CO2此反应存在CO和氨的排放控制问题。不同还原剂对应不同温度窗口,SNCR脱硝效率对反应温度非常敏感,当反应偏离温度窗口,反应速度慢,还原剂的逃逸量增加,降低脱硝效率。国外试验表明,温度区间位于800~950℃之间时,选用液氨或氨水脱硝效率要高于尿素;1000℃以上是尿素的温度窗口,此时尿素的脱硝效率高于氨,如图1所示。
图1不同温度下氨和尿素的脱硝效率
循环流化床锅炉旋风分离器进口烟道的烟气温度在800~950℃之间,氨(氨水)作为还原剂,理论脱硝效率可以达到85%。尿素溶液含水量大,通常经历液滴蒸发、破碎、高温热解生成氨气,完成还原反应过程,这些过程增加反应周期,缩短有效反应时间。氨水含水量也大,系统喷射的液滴经过蒸发释放氨和还原反应过程。氨系统直接向分离器喷射稀释后的氨气,气态的氨直接参加还原反应。
从反应过程看,流化床锅炉运行条件下,液氨系统有效反应时间最短,氨水系统次之,尿素系统最差。
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