煤粉分级火焰中喷氨脱硝的机理研究与工程应用

1-空压机，2-流量调节阀，3-转子流量计，4-螺旋式给煤机，5-落煤管，6-尿素溶液蠕动泵，7-尿素溶液容器，8-尿素溶液喷枪，9-热电偶，10-灰渣斗，11-在线烟气分析仪

试验中，采用刚玉管制的尿素溶液喷枪，既不影响炉内火焰温度，又将氨还原剂通过惰性载气输送到煤粉火焰的后侧，喷入位置在氧浓度极低的还原区。尿素溶液浓度采用10  wt/wt %，其喷氨量按照标准化学当量比NSR(Normalized Stoichiometric Ratio)来描述，参见公式 (2)。

喷氨前，把不同炉温、SR下，尾部烟气中的O2、NOx浓度，列在图2中。考虑一般煤粉燃烧的总空气过量系数为1.2,  OFA配风比例分别在20%、25%、30%、35%的工况，分别对应了主燃区空气过量系数SR=0.96、0.9、0.84和0.78的情况。从图2可见：对于该煤质，如果要求还原区中烟气氧浓度小于1.0%，则要求SR<0.96,  即OFA的配风比例应大于20%。烟气氧浓度小于0.5%，则要求SR<0.9, OFA配风比例应大于25%。

空气分级与主燃区温度，对分级火焰还原区的NOx浓度影响较大。随着空气分级的加深，即SR的不断减少，NOx的生成浓度相继递减。加热炉在1200oC与1300oC的NOx浓度曲线比较接近。然而，在更高温度1400oC，且SR>0.85时，NOx的生成量相比1200oC、1300oC工况的排放都要高，这是高温下热力型NOx生成引起的，浓度增加幅度约20%。在1400oC，且SR<0.85时,  NOx浓度比1200oC、1300oC工况的排放都要低，这是因为高温下，更多的煤焦气化生成CO，焦炭与CO对NOx的还原作用导致了NOx浓度的下降，该浓度下降比例约为15%。可见深度空气分级下，主燃区处于高温对NOx的还原是非常有利的，该类似现象的发现也出现在参考文献[16]中。

在不同空气分级(SR)的火焰还原区内，喷入尿素溶液。图3是不同喷氨量(NSR)对NOx排放浓度的影响。图中数据说明：在1200oC或1400oC，SR≤1.05的工况下，喷氨都会导致NOx浓度下降;这说明喷氨在高温下是可以脱硝的，不受传统SNCR的温度窗口限制。但是，在图3(b)中，SR=1.25工况下，喷氨引起了NOx浓度升高。这表明喷氨脱硝需要氧浓度低于1.0vol%  (参见图2(a)，对应SR≤1.05)。空气分级基础上，配合分级火焰中喷氨，可以达到更深度的脱硝效果。

在图3中，随着喷氨量的增加，存在一最佳喷氨量;喷氨量超过最佳值，NOx浓度没有再减低，或者保持NOx不变化的趋势，或者甚至会有一定的回升。该最佳喷氨量随着氧浓度的不同是不同的，越低的氧浓度(即越低的SR值)，所需的最佳喷氨量(NSR)越少。这也反映了尿素溶液热解释放的NH3，在痕迹氧条件下，也是NH3-O2氧化反应与NH3-NO还原反应共存的双平行竞争反应模式。痕迹氧、且高温(>1150oC)的条件下，分级火焰内喷氨不会和SNCR一样：SNCR在高温下，氧化是反应的唯一方向;然而，分级火焰内喷氨，则主要以还原反应为主，痕迹氧的存在会消耗一定的尿素溶液，越高浓度的痕迹氧会导致最佳脱硝时的喷氨量越大。

4.分级火焰中喷氨脱硝技术的工业应用

在实验室研究，掌握分级火焰中喷氨脱硝的机理后，我们将该技术应用到某50MWe四角切向燃烧锅炉中。锅炉改造中,  采用了低NOx燃烧器、OFA、SNCR、分级火焰中喷氨技术(RISF)等技术，改造方法示意图见图4。