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4.2不同尿素溶液喷射量下脱硝效果
选择锅炉负荷80%,锅炉出口氧含量4.35%,NOx初始值265mg/m3的工况,研究不同素溶液喷射量下SNCR脱硝效果。试验采用20%、15%、10%三种浓度的尿素溶液进行,试验期间喷射区炉膛温度在800℃~900℃,不同尿素溶液喷射量下SNCR脱硝效果见图4。
由图4a可知,随着尿素溶液喷射量由40L/h增至100L/h,NOx浓度由60mg/m3迅速降至10mg/m3,脱硝效率由77%增至96%;由图4b可知,随着尿素溶液喷射量由40L/h增至80L/h,NOx浓度由78mg/m3迅速降至10mg/m3,脱硝效率由71%增至96%;由图4c可知,随着尿素溶液喷射量由50L/h增至90L/h,NOx浓度由90mg/m3迅速降至20mg/m3,脱硝效率由66%增至92%。上述结果表明,随着尿素溶液喷射量的增加,NOx浓度迅速降低,脱硝效率迅速增大。
根据尿素溶液脱硝反应机理,主要反应方程式如下:
随着尿素溶液喷射量的增大氨氮比增大,喷入炉膛的尿素量增加,加快了尿素分解反应(2)的进行,生成的NH3浓度增大,从反应平衡的角度,提高NH3的浓度会使得反应(3)和(4)的平衡向右移动,NOx还原率增加;从反应动力学的角度,提高NH3的浓度会加快反应(3)和(4)的速度,从而获得很高的脱硝效率。但氨氮比过高,未反应的NH3存在于烟气中,必然会造成氨逃逸量过大,还会增大脱硝成本,为减少氨逃逸及节省成本,尿素溶液喷射量不宜过大。由图4可知,20%浓度、45L/h喷射量时,NOx浓度为40mg/m3,脱硝效率为85%,此时氨氮比为4.23;15%浓度、60L/h喷射量时,NOx浓度为35mg/m3,脱硝效率为87%,此时氨氮比为4.14;10%浓度、80L/h喷射量时,NOx浓度为30mg/m3,脱硝效率为89%,此时氨氮比为3.6;都能满足NOx低于50mg/m3的排放要求,且尿素溶液喷射量较为适宜。
4.3不同氧含量下脱硝效果
在80%锅炉负荷下对不同氧含量下的脱硝效果进行研究,试验过程中喷射区温度在850℃~950℃,图5为不同氧含量下SNCR脱硝效果。
由图5a可知,氧含量在4.74%以下,20%、15%、10%三种浓度尿素溶液喷射后,NOx浓度分别在44mg/m3、41mg/m3、39mg/m3以下,均低于50mg/m3的超低排放要求;氧含量大于4.74%后NOx浓度大于50mg/m3。图5b表明三种浓度尿素溶液喷射下的脱硝效率均在80%以上,且随着氧浓度的增加脱硝效率出现下降趋势。脱硝效率下降主要是因为随着氧含量的增加NOx初始值迅速增大。由图3可知,氧含量为4.74%时,NOx浓度高达305mg/m3,已经超过了运行过程中NOx浓度的波动上限。因此,在80%锅炉负荷运行时,三种浓度尿素溶液均能达到50mg/m3以下的脱硝效果。
不同氧含量下三种浓度尿素溶液脱硝效果表明,10%浓度、80L/h工况下NOx浓度最低、脱硝效率最高,15%浓度、60L/h工况下次之,20%浓度、45%L/h工况下效果最差。且氧含量为4.74%时,20%、80L/h,15%、60L/h,10%、80L/h三种浓度尿素溶液脱硝的氨氮比依次为3.65、3.59、3.22,10%、80L/h尿素溶液以最小的氨氮比获得了最佳脱硝效果。出现上述现象应是喷射量大所导致,随着尿素溶液浓度减小,尿素溶液喷射量增大,喷枪喷射压力增大,使雾化液滴颗粒更细,同时更高的喷射压力也给尿素溶液提供了更大的喷射动量,喷入炉膛后能更加快速、充分的与烟气混合,从而增大了还原剂与NO接触并反应的机率,脱硝效率提高。
在80%锅炉负荷试验工况下,尿素溶液的喷射会一定程度地造成炉膛烟气温度的下降,降低锅炉热效率,但80L/h尿素溶液喷射量对锅炉热效率的影响小于0.66%,60L/h、45L/h尿素溶液喷射量对锅炉热效率的影响会更小,SNCR脱硝不会影响锅炉的正常运行。
4.4不同锅炉负荷下NOx浓度
在工业生产中,需要根据生产需要调节锅炉负荷,图6表示不同锅炉负荷下NOx、CO和炉膛温度值。
由图6a可知,在不同锅炉负荷下,CO浓度均低于2000mg/m3,达到了很好的燃烧效果。图6b表明,随着锅炉负荷的增大,炉膛温度快速升高,NOx初始值随着锅炉负荷的增大明显升高。锅炉负荷在36%时,NOx浓度为164mg/m3,处于较低的排放水平,主要是因为,锅炉负荷低时煤粉耗量少,入炉燃料总氮相对较少,燃料型NOx生成量少;同时低负荷时燃烧器温度较低,很大程度上抑制了热力型NOx的生成。随着锅炉负荷增大,煤粉耗量增大,入炉燃料总氮量增加,燃料型NOx的生成量增大,且负荷增大时燃烧温度升高,很大程度上促进了热力型NOx的生成,因此NOx排放总量增大。
4.5不同锅炉负荷下脱硝效果
采用三种浓度尿素溶液对不同锅炉负荷下的脱硝效果进行研究,SNCR脱硝效果如图7所示。
由图7可知,三种浓度尿素溶液喷射下,不同锅炉负荷下的NOx排放浓度均低于50mg/m3,脱硝效率均大于80%,且随着锅炉负荷的降低,NOx浓度减小,脱硝效率增大。三种浓度尿素溶液脱硝效果对比发现,10%浓度、80L/h尿素溶液喷射下的NOx浓度最小,脱硝效率最大,变化趋势与前文讨论相同,尿素溶液喷射量的增大有利于增强脱硝效果。
5结论
(1)80%锅炉负荷下,随着尿素溶液喷射量的增大,NOx浓度减小,脱硝效率增大。20%浓度、45L/h喷射量时,NOx浓度为40mg/m3,脱硝效率为85%;15%浓度、60L/h喷射量时,NOx浓度为35mg/m3,脱硝效率为87%;10%浓度、80L/h喷射量时NOx浓度为30mg/m3,脱硝效率为89%;均可满足NOx低于50mg/m3的排放要求。
(2)80%锅炉负荷下,不同氧含量下SNCR脱硝均能达到超低排放要求,SNCR脱硝效率均在80%以上,且随着氧含量的增加脱硝效率出现下降趋势。10%浓度、80L/h工况下NOx浓度最低、脱硝效率最高,且氧含量为4.74%时,20%、45L/h,15%、60L/h,10%、80L/h三种浓度尿素溶液脱硝氨氮比依次为3.65、3.59、3.22,10%、80L/h尿素溶液以最小的氨氮比获得了最佳脱硝效果。提高尿素溶液喷射量可增强雾化效果,强化尿素溶液与烟气的混合程度,在最少尿素耗量下得到最大的脱硝效果。
(3)三种浓度尿素溶液喷射下,不同锅炉负荷下的NOx排放浓度均低于50mg/m3,脱硝效率均大于80%,且随着锅炉负荷的降低,NOx浓度减小,脱硝效率增大。
(4)提出的“低NOx燃烧+SNCR脱硝”耦合技术方案是可行的,在低NOx燃烧的基础上,不同试验工况下SNCR脱硝效率均可达到80%以上,完全能够达到烟气中NOx低于50mg/m3的超低排放要求。
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