添加劑提高爐內SNCR中溫脫硝效率的研究

張林(先正達南通作物保護有限公司，江蘇 南通 226000)

0 引言

選擇性非催化還原(SNCR)技術作為一種簡單經濟的NOx控制技術，建設周期短且改造相對容易，適用于我國新建鍋爐及現有鍋爐改造。由于SNCR技術要求的溫度較高且對溫度條件較為敏感，當鍋爐低負荷運行時，還原劑噴射區域的溫度范圍偏離了SNCR最佳的脫硝溫度窗口，脫硝效率明顯下降，使其不能滿足NOX排放標準。因此，改善中溫條件下SNCR脫硝效率是SNCR技術向中小鍋爐推廣的關鍵問題之一。研究表明在SNCR反應系統中加入少量的添加劑能夠顯著的影響SNCR反應特性，改變其溫度窗口，并對氨泄漏、N2O、CO等二次污染物的排放也有一定的影響[1-5]。文章在已有的CFB中試燃煤試驗裝置上進行氣體添加劑提高SNCR中溫脫硝效率試驗研究，考察不同氣體添加劑(甲烷和丙烷)在不同反應溫度下的SNCR脫硝效率，以期指導和優化SNCR的運行。

1 裝置及試驗條件

1.1 流化床煤燃燒中試試驗裝置

熱輸入功率為50 kW的循環流化床煤燃燒中試裝置。整個試驗裝置系統由羅茨風機、氣體預熱器、風室、布風板、爐膛、高溫旋風分離器、料腿、返料器、煙氣冷卻系統、布袋除塵器、引風機等組成。為進行CFB-SNCR低溫添加劑脫硝試驗，在爐膛上部增設了兩層還原劑/添加劑噴射裝置。燃燒室凈高5 200 mm，分為密相區，過渡區和稀相區，外壁配有三段電加熱系統，用于減少散熱損失并調整爐內溫度[1]。

1.2 SNCR氨氣/添加劑噴射系統

在該50 kWCFB燃煤試驗臺上，根據正常運行時爐溫分布情況，選取爐膛頂部作為氨氣以及添加劑的噴入點，進行脫硝試驗和添加劑效果驗證。氨氣與甲烷/丙烷添加劑均采用5V%的標準鋼瓶氣。氨氣和氣體添加劑在混合器中進行預混，為增大還原劑氣體進入爐膛的穿透能力，采用氮氣攜載后噴入煙道，還原劑入爐噴射管為扁平型射流口，實現與爐內煙氣良好的混合效果。為減小還原劑氣體與爐膛煙氣混合對驗證試驗結果的影響，試驗中通過調整氮氣流量實現每個工況還原劑噴入爐膛的射流速度相對于煙道內煙氣流速為定值。煙氣成分取樣點位于煙氣冷卻器出口布袋除塵器之前的測溫點。取樣煙氣經過特制的取樣旋風分離器并過濾后，由傅里葉變換紅外光譜分析儀Antaris IGS取樣槍輸送到分析儀預處理器，經過調壓計量后進入分析儀，對煙氣各組分濃度進行實時在線檢測，并自動保存測試結果。整個取樣管路由電加熱帶加熱并保溫至165 ℃，滿足煙氣分析儀的測試要求[2]。

1.3 實驗工況

根據氣體添加劑篩選實驗結果，選用甲烷和丙烷為50 kW CFB燃煤試驗臺SNCR添加劑脫硝中試效果驗證試驗添加劑，甲烷主要用于還原劑入口煙氣溫度高于750 ℃的工況，而丙烷則用于還原劑入口煙氣溫度低于700 ℃的工況，氨氮比統一為1.5。試驗工況包括：(1) 850 ℃，甲烷添加量0.2、0.4、0.6、0.8和1.0；(2)700 ℃，丙烷0.2、0.3、0.4、0.6和甲烷0.8；(3)650 ℃，丙烷0.2、0.3、0.5、0.8和1.2；(4)800 ℃，甲 烷0.2、0.4、0.6、0.8和1.0；(5)750 ℃，甲烷0.2、0.4、0.6、0.8和1.0。

2 試驗結果與討論

2.1 循環流化床中試裝置運行情況

研究表明，NO的生成主要在爐膛的密相區，隨著爐膛高度的增加，NO濃度逐漸下降。循環流化床中NOx的來源主要是燃料N，它們在熱解過程中，首先生成NH3、HCN等氣相前驅物，之后被O和OH等基團氧化為NO。密相區溫度通過影響燃料N向NO的轉化進而影響燃煤煙氣中NOx濃度；在添加劑脫硝驗證試驗的各工況中，床溫基本維持穩定，還原劑噴射點處煙氣溫度在試驗工況設定的溫度范圍內只做小幅度波動，說明CFB燃燒運行狀況已穩定，可以正常進行SNCR試驗[3]。

2.2 不同溫度下最佳氣體添加劑的篩選

圖1、圖2為不同溫度下NOx排放濃度和脫除效率曲線。可以看出，無氣體添加劑時，溫度低于750 ℃的工況中，氨氣對于NOx的脫除效率不足20%。在720 ℃的添加劑脫硝效果試驗中，首先進行了甲烷添加劑的效果驗證，甲烷添加量為0.8時，脫硝效率僅為22%，而丙烷添加量分別為0.2、0.3、0.4、0.6時，脫硝效率均在50%左右。溫度為760 ℃時，分別添加丙烷和甲烷均能使脫硝效率從20%以下提高到50%～60%。溫度在800 ℃和850 ℃時，添加甲烷，脫硝效率均在60%～80%之間。溫度為650 ℃時，添加丙烷，僅能使脫硝效率提高到20%[4]，主要原因在于溫度是影響SNCR脫硝效率的關鍵因素，添加丙烷雖然在一定程度上增加了煙氣中OH、O等活性基團濃度，但基元反應速率受反應溫度和反應物濃度的共同影響，低溫導致各基元反應速率減緩，最終導致氨氣還原NO的總包反應速率下降，650 ℃時添加劑的加入對氨氣還原NO的反應并未產生效果。在對煙氣成分的檢測中，均未檢測到氨逃逸，原因在于燃煤煙氣中存在粉煤灰等固體顆粒，對未反應的氨氣有較強的吸附作用[4]。

2.3 氣體添加劑最佳添加比的篩選

氣體添加劑對SNCR脫硝過程的促進作用主要體現在添加劑在氧化過程中產生了OH、O、H等能夠加速氨氣轉化成NH2進而還原NO的活性基團，添加效果的差異源于添加劑自身的氧化反應速率的快慢，而對于同一種添加劑，不同添加量對脫硝效率的影響也不同。圖3為不同添加量對脫硝效率影響的曲線圖。從圖中可以看出，溫度在650 ℃時，脫硝效率隨丙烷添加量的增加呈現先增大后減小的趨勢，最高脫硝效率僅為20%，對應的最佳丙烷添加量為0.5；隨著溫度的升高，添加丙烷和甲烷均可使脫硝效率從20%以下提高到50%以上；煙氣溫度720 ℃，丙烷添加量為0.4時，可以使脫硝效率增至58%，繼續增大添加量，脫硝效率變化不大；溫度為760 ℃時，甲烷最佳添加量為0.8，可以實現最佳脫硝效率60%；而溫度高于800 ℃時，添加甲烷對脫硝效率促進作用不明顯，甚至呈現抑制脫硝效率的趨勢，這是由于高溫條件下，添加劑的加入，其氧化產生的OH、O、H等活性基團的過量，加速了NH3向NH2的轉化，NH2濃度得到積累，一部分轉化成NH，進一步被氧化成NO，造成氨氣的選擇性下降，脫硝效率下降[5]。

圖1 不同溫度下NOx排放濃度

圖2 不同溫度下NOx脫除效率

圖3 不同添加量下NOx脫除效率

3 結語

50kWCFB燃煤中試試驗裝置SNCR脫硝試驗結果表明，氣體添加劑對SNCR脫硝效果的促進作用顯著，甲烷和丙烷分別適用于高溫段(大于750 ℃)和低溫段(小于750 ℃)SNCR脫硝氣體添加劑。在煙氣溫度為650 ℃時，丙烷最佳添加量為0.5，可實現20%的脫硝效率；720 ℃時，丙烷添加量為0.4，脫硝效率即可突破50%，在此溫度甲烷添加劑對脫硝效果并未表現出明顯的促進作用；煙氣溫度為760 ℃時，添加甲烷的最佳脫硝效率為60%，所需添加量為0.8。