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4.1OFA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0.4vol%。
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320mg/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。
4.2OFA、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(Reagentinjectioninstagedflame,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。
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