生物鈣脫硝技術在工業層燃爐中的應用

司 碩

(1.兗礦集團潔凈煤技術工程研究中心，山東 濟寧 273516；2.兗礦科技有限公司，山東 濟南 250100)

工業層燃鏈條排爐具有系統簡單、運行可靠、電耗低等特點，深受中小型企業的喜愛，在國內仍有一定的市場。但其燃燒效率較低、NOx排放濃度較高的缺點也是人們關注的焦點。針對工業層燃鍋爐煙氣處理，科研人員做了大量研究工作，比較成熟的有低氮燃燒、選擇性催化還原(SNCR)、選擇性非催化還原(SCR)、煙氣再循環、靜置式低溫脫硝等脫硝技術。張利平[1]等利用Fluent軟件對一臺90 t/h鏈條爐進行的SNCR煙氣脫硝系統數值模擬結果表明，NO脫除效率最高42.3%。郭欣維[2]等在一臺46 MW鏈條爐上進行了新型煙氣再循環降氮技術改造，結果表明，采用上下多級配風式煙氣再循環技術，脫硝效率最高達27.3%，優于僅底部噴再循環風方式。劉忠攀[3]等研究了靜置式低溫煙氣脫硫脫硝技術，并在20 t/h鏈條排爐上進行了應用實驗，結果表明煙氣溫度100～150 ℃時，脫硝效率大于60%。

為探索工業層燃爐節能減排新路線，中國石油大學(華東)提出了液態生物鈣脫硝技術。基于該技術路線，兗礦集團與中國石油大學(華東)合作，進行了工業層燃爐的生物鈣脫硝技術工業實驗，驗證該技術用于工業層燃爐煙氣脫硝的可行性，并分析了生物鈣脫硝技術工業應用的經濟性，為工業層燃爐減排開辟一條新途徑。

1 生物鈣脫硝技術簡介

生物鈣溶液由電石渣和生物熱解油制備而成。生物質熱解油與甲醇混合乳化后，與電石渣按比例攪拌混合反應，反應溶液加熱到65 ℃以上蒸出甲醇后得到濃度較高的生物鈣溶液，再用水將其稀釋至粘度小于1 000 mPa·s，得到可以用于工業脫硫脫硝的液態生物鈣[4]。液態生物鈣主要物理特性：凝固點-15～-18 ℃，沸點110～130 ℃，密度1 060～1 100 kg/m3，運動粘度(20 ℃，3.8～8.6 mm2/s)，屬普通化學品，無毒難燃無爆炸危險，可使用噸桶、槽車或液袋運輸。本課題所用液態生物鈣由中國石油大學(華東)田原宇教授提供。

生物鈣脫硝技術(B-SNCR)采用液態生物鈣脫硝劑，具有脫硝溫度起活點低、脫硝效率高、脫硝深度大等優點，能夠達到超低排放要求。脫硝原理為生物鈣脫硝劑在鍋爐內600～1 000 ℃的溫度區間噴入，在高溫和活性離子的催化作用下快速裂解產生大量還原性高活性自由基團，與NOx發生氧化還原反應，將NOx還原成N2和H2O脫除。同時具有脫硫的作用，活性Ca原子和SO2與O2反應生成硫酸鈣[5]。其反應方程為：

(—C2H)+HCCO+NCO+H2O

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

2 實驗部分

2.1 實驗裝置

實驗用工業層燃爐為1.4 MW常壓熱水鍋爐，型號DZL1.4—85/60—M，設計熱效率79.13%，額定燃料消耗255 kg/h。生物鈣脫硝裝置則采用高效霧化噴槍，利用壓縮空氣將液態生物鈣均勻噴入實驗爐內。本次實驗中，液態生物鈣噴入位置分別為后拱下部、后拱上部及爐膛中部。具體工藝流程見圖1和圖2。

圖1 工業層燃爐實驗系統流程

圖2 生物鈣裝置流量示意

2.2 實驗原料

采用西部某礦塊煤，粒度為20～30 mm，其工業分析結果見表1。

表1 西部某礦塊煤工業分析

2.3 煙氣監測方法

實驗數據取自煙囪上裝有的一套北京雪迪龍科技有限公司生產的CEMS。該系統包括煙氣預處理系統、采樣分析系統、控制系統、數據采集系統，可同時測量O2、CO、CO2、NO、NO2、SO2、煙塵等組分，測量值均統一折算為標準含氧量9%下的質量濃度。為確保測試數據的準確性和可重復性，同時采用便攜式紅外煙氣分析儀進行不定期監測。

3 結果及討論

3.1 生物鈣對NOx排放的影響

圖3為投入生物鈣脫硝裝置前后層燃爐NOx排放濃度變化曲線及平均值，生物鈣投入點為后拱下部。由圖3可見，投入生物鈣脫硝裝置后，NOx下降趨勢明顯，隨著生物鈣投用時間的延長，NOx逐步降低至50 mg/m3以下。這是大量H2、CO、CxHy等還原性氣體能夠還原煙氣中的NO[6]所致。

圖3 投用生物鈣脫硝裝置前后層燃爐NOx排放曲線

生物鈣投入到層燃爐后拱底部，其在爐膛高溫作用下，分解出大量還原性高活性自由基團CxHy、H2、CO等還原性氣體，還原性氣體進入爐膛中央，NO在爐膛中央遇到還原性氣體，在高溫作用下發生氧化還原反應，生成N2和H2O。主要反應式如下[7]：

(8)

(9)

N2+2xCO2+yH2O

(10)

當噴入位置不同時，液態生物鈣對煙氣中NOx的脫除率存在差異。不同位置噴射生物鈣脫硝數據見圖4和表2所示。由此可知，從爐膛后拱下部噴射生物鈣脫硝效果最佳，NOx平均排放質量濃度由223 mg/m3降至29.5 mg/m3，降低幅度達到86.8%。原因為生物鈣從后拱下部噴入，相比爐膛中央及后拱上部噴入時，生物鈣在爐膛內的停留時間更長，有利于脫氮；生物鈣從后拱下部噴入后分解，分解出的還原性氣體進入爐膛中央高溫環境，更有利于脫氮，相比爐膛中央及后拱上部噴入時，生物鈣分解的還原性氣體進入換熱面低溫環境，不利于脫氮。生物鈣脫硝效率隨溫度升高，先升后降，在1 323 K時脫硝效果最佳，隨停留時間增加而升高[8-9]。表明生物鈣脫硝技術具有較好的脫硝性能。

圖4 不同位置噴射生物鈣脫硝指標

表2 不同位置噴射生物鈣脫硝效率

3.2 生物鈣對SO2排放的影響

生物鈣對SO2排放的影響見圖5所示。由圖5可見，投入生物鈣脫硝裝置后，層燃爐SO2排放濃度呈下降趨勢。這是由于生物鈣高溫時裂解出的活性Ca原子和CaO，與煙氣中的SO2和O2反應生成CaSO4[10-11]，說明生物鈣對脫硫有一定的效果。

圖5 投用生物鈣脫硝裝置前后層燃爐SO2排放曲線

3.3 生物鈣對CO排放的影響

圖6為投入生物鈣脫硝裝置前后層燃爐CO排放質量濃度曲線。可見，投入生物鈣脫硝裝置后，層燃爐CO排放質量濃度呈上升趨勢，主要原因為，采用壓縮空氣對液態生物鈣進行高效霧化時，冷空氣進入爐膛，造成局部爐膛溫度較低，不利于該區域CO燃盡所致。但是，CO整體指標低，對鍋爐熱效率影響較小。

圖6 投用生物鈣脫硝裝置前后層燃爐CO排放曲線

3.4 生物鈣脫硝技術優點

生物鈣脫硝技術投資低，占地面積小，不需要催化劑，無氨逃逸，無二次污染，反應溫度區間寬(600～1 000 ℃)，且生物鈣本身具有一定的熱值，進入爐膛脫硝會釋放熱量，可節約部分煤耗，如現場有SNCR設備，僅需更換噴槍和生物鈣溶液即可改為B-SNCR脫硝，改造成本低，且具有協同脫硫功能，優勢突出，具有一定的工業應用推廣價值。

4 結 論

(1)根據工業層燃爐結構特點、煙氣特性、溫度區間分布等條件，選擇合適的液態生物鈣噴入點，脫硝效率大于85%，同時具有一定的協同脫硫效果，能夠降低工業層燃爐煙氣排放指標，是適用于工業層燃爐減排的有效技術途徑之一。

(2)生物鈣脫硝技術應用于工業層燃爐具，具有投資運行成本低、占地面積小、對鍋爐影響小、無毒無危害、無氨逃逸、脫硝效率高等優勢，具有廣闊的應用市場前景。