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大型循环流化床锅炉SNCR脱硝提效ballBET体育

SNCR脱硝技术具有ballBET体育少、运行成本低、锅炉改运小等优势,在各类锅炉中得到应用。循环流化床锅炉的旋风分离器在烟气的滞留时间、还原剂混合等方面均优于其他炉型。本文以1150t/h超临界循环流化床锅炉为模型,探讨选择合适的还原剂,提高脱硝效率,使烟气中NOx排放达到国家新限值的要求。

1脱硝效率影响因素ballBET体育

还原剂种类、反应温度、反应时间、还原剂混合、氨氮比是影响循环流化床锅炉SNCR脱硝效率的重要因素。因此从这4个方面探讨对SNCR脱硝效率的影响。

SNCR脱硝【ballBET体育】的最佳反应条件是温度880~1100℃之间,反应时间大于0.4s。分离器区域烟气温度在850~950℃之间,区域内温度基本保持不变。经过实测和流场计算,烟气在分离器的平均滞留时间大于1s,超过最佳反应停留时间0.6s,具备充分反应的条件,因此循环流化床锅炉旋风分离器进口烟道是最合适的还原剂注射点。氨氮比与氨逃逸量是正比关系,即氨氮比增大时,脱硝效率提高,但氨逃逸量增大,并且脱硝效率的提高速率随氨氮比的增大而降低,因此提高氨氮比并不能从根本上解决SNCR脱硝效率偏低的问题。以下重点ballBET体育不同还原剂对脱硝效率及炉效的影响。

2SNCR脱硝还原剂ballBET体育

脱硝的还原剂均是含氮的物质,目前最为广泛的有液氨、氨水、尿素3种。

液氨,分子式NH3,易溶于水,爆炸极限为16%~25%,有毒,对人体有腐蚀性,应存储在专用库房,大量存放需要获得安监和消防部门许可。作为还原剂优点:以气体形式喷入,对炉后烟气流速和排烟温度影响最小,不会产生湿壁现象,对浇筑料无损伤;以液体的形式储存,占用体积小。缺点:有毒、可燃、可爆,存储和使用安全防护高,存储罐和输运管道需要特别处理。

氨水即氨的水溶液,分子式NH3˙H2O,容易挥发逸出,有一定的毒性。其腐蚀性较强,储运、使用时有一定的操作安全要求,工业用氨水通常为20%或25%浓度。作为还原剂优点:储存、输送和处理都比液氨简单;喷射刚性、穿透能力比氨气强。缺点:含有大量的稀释水,储运量和输送【ballBET体育】比氨【ballBET体育】庞大。氨水还原NO的化学原理与液氨相同。

尿素,分子式(NH4)2CO,吸湿性强,含氮量在46%以上,常压下熔点为132.6℃,超过熔点则分解。作为还原剂优点:无毒性,腐蚀性弱,储运方便,使用简单,不会燃烧和爆炸;溶液的挥发性比氨水小,穿透性好;合适温度范围是950~1150℃,适于煤粉锅炉脱硝【ballBET体育】使用。缺点:尿素水解的中间产物尿素—甲铵溶液具有很强的腐蚀性,对大多数【ballBET体育】有强烈腐蚀作用;脱硝反应温度窗口(脱硝适合的反应区温度)比氨水高50~100℃。

3还原剂对SNCR脱硝效率的影响

以氨为还原剂的反应表达式如下:

在有氧的条件下4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O在无氧(或者缺氧)的条件下8NH3+6NO2→7N2+12H2O该反应没有产生副产物,对氧气量的需求较大,循环流化床锅炉出口的过量空气系数为1.2左右,可以满足该反应条件要求。以尿素为还原剂的反应如下:(NH4)2C0→2NH2+CONH2+NO→N2+H2OCO+NO→N2+CO2此反应存在CO和氨的排放控制问题。不同还原剂对应不同温度窗口,SNCR脱硝效率对反应温度非常敏感,当反应偏离温度窗口,反应速度慢,还原剂的逃逸量增加,降低脱硝效率。国外试验表明,温度区间位于800~950℃之间时,选用液氨或氨水脱硝效率要高于尿素;1000℃以上是尿素的温度窗口,此时尿素的脱硝效率高于氨,如图1所示。

图1不同温度下氨和尿素的脱硝效率

循环流化床锅炉旋风分离器进口烟道的烟气温度在800~950℃之间,氨(氨水)作为还原剂,理论脱硝效率可以达到85%。尿素溶液含水量大,通常经历液滴蒸发、破碎、高温热解生成氨气,完成还原反应过程,这些过程增加反应周期,缩短有效反应时间。氨水含水量也大,【ballBET体育】喷射的液滴经过蒸发释放氨和还原反应过程。氨【ballBET体育】直接向分离器喷射稀释后的氨气,气态的氨直接参加还原反应。

从反应过程看,流化床锅炉运行条件下,液氨【ballBET体育】有效反应时间最短,氨水【ballBET体育】次之,尿素【ballBET体育】最差。


4还原剂对燃烧效率的影响

1)氨逃逸。因参与反应的过程不同,相同“N”量喷入的情况下,氨逃逸量依次是尿素【ballBET体育】、氨水【ballBET体育】、液氨【ballBET体育】。液氨作为还原剂,在获得较高脱硝效率的前提下,对后续锅炉设备的影响最小,降低尾部受热面的飞灰沉积堵塞及腐蚀几率。

2)排烟温度的影响。采用液氨作为还原剂的工艺,还原剂NH3由氨供应【ballBET体育】提供至反应区域的混合器中,与稀释空气混合并被稀释至安全浓度(5%体积浓度以下)后,通过氨注射管道喷入旋风分离器的入口烟道中。还原剂NH3喷入炉膛后,就直接选择性地脱除了烟气中的NOx。经计算,喷入氨空气混合气体约为5000m3/h,占锅炉总烟气量的0.4%,对锅炉排烟温度的影响可以忽略不计。

采用氨水方案,氨水雾化后,进入炉膛后被迅速加热形成氨气,与烟气中的NOx发生反应。SNCR脱硝向炉内喷入浓度约为20%左右的氨水溶液,在100%BMCR时喷入溶液量约为3.5t/h。经锅炉性能计算,排烟温度温升约为0.8℃。

采用尿素方案与此相似,喷入锅炉的尿素溶液浓度为10%左右,在100%BMCR时喷入溶液量约为5t/h。经过锅炉性能计算,排烟温度温升约为1.1℃。

3)对锅炉效率的影响。采用液氨方案是向烟气喷入氨空气混合气体,考虑干空气的焓增和喷入空气中水分的蒸发吸热,锅炉排烟热损失q2有所增加,但增加的量非常小。经过计算,对锅炉效率的影响仅有0.02%。采用氨水或者尿素作为还原剂,q2损失随之增加0.2%左右。

5还原剂对ballBET体育和运营的影响

CFB锅炉在采用液氨【ballBET体育】、氨水【ballBET体育】、尿素【ballBET体育】时,其初ballBET体育成本以及运行费用不同,其中运行费用主要为还原剂费用、电耗以及水耗。

在脱硝剂的成本中,运输成本占到了很大一部分。氨水的消耗量,但其中有效的部分只有五分之一,其余都是水,带来了额外的运输和储存、运行成本。

尿素是3种还原剂中最为昂贵的一种。虽然尿素的售价低于液氨,但其分子中包括CO等无效组分,在达到相同脱硝要求的情况下,其消耗量远大于液氨耗量,而且需要耗能打开化学键才能生成NH3。

液氨制氨工艺简单,其【ballBET体育】初ballBET体育少,运行费用低。但储存超过一定限值时,构成重大危险源。因此,在【ballBET体育】设计、施工和运行等方面必须遵循各种安全规范要求。

3种方案初ballBET体育成本比较见表1,运用费用比较见表2。

3种还原剂在SNCR脱硝方面的电耗费用基本相同,水耗费用方面尿素还原剂比液氨、氨水还原剂多15万元左右。

通过综合比较,选择液氨(氨水)作为还原剂比尿素还原剂节约1249万元。

6结论

由于循环流化床锅炉特殊的结构形式,分离器自然条件满足SNCR脱硝反应所需的温度、时间及混合要求。提高氨氮比可以保证较高的脱硝效率,但并不能大幅度提高脱硝效率。因此,通过反应温度、反应时间、氨氮比已经无法提高循环流化床锅炉脱硝效率。

采用液氨作为脱硝还原剂,不影响锅炉效率,炉后设备影响小,工程投入少,运行费用低,最重要的是适合的温度窗口使脱硝效率可达80%,满足国家新的排放限值要求。在当地ballBET体育许可下宜选用液氨作为还原剂,其次推荐氨水。

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