熱態(tài)燃燒裝置爐內(nèi)溫度和組分分布及SNCR脫硝實(shí)驗(yàn)研究

葛 健，李靜婷，劉 輝，劉沛奇，吳少華

(1.中國機(jī)械設(shè)備工程股份有限公司，北京 100055;2.中國石油天然氣管道局，河北 廊坊 065000;3.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

SNCR技術(shù)是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的NOx脫除技術(shù)，20世紀(jì)70年代中期首先在日本的燃?xì)?、燃油電廠中得到應(yīng)用，并逐步推廣到歐盟和美國。到目前為止，世界上燃煤電廠SNCR工藝的總裝機(jī)容量大約在2 GW以上［1］。SNCR脫硝反應(yīng)存在“溫度窗口”，在較低的溫度下，反應(yīng)速率非常慢，造成大量氨的漏失。在高溫情況下，氨氧化生成附加的NOX。對于氨來說理想的溫度是850～1 050℃，對于尿素來說理想的溫度范圍是900～1 100℃。氨氮化學(xué)當(dāng)量比對SNCR脫硝效率影響較大，提高n(NH3)/n(NO)摩爾比可以提高脫硝效率，但氨逃逸增加。

在熱態(tài)燃燒試驗(yàn)裝置(CRF)上進(jìn)行SNCR脫硝實(shí)驗(yàn)，首先測量CRF爐膛內(nèi)的溫度場分布，以確定還原劑的噴入位置，進(jìn)而研究溫度對該過程的影響。同時(shí)測量了CRF爐內(nèi)的O2、CO和NO分布，分析NO、CO、O2等組分與還原劑的相互作用過程，試驗(yàn)結(jié)果為SNCR的工業(yè)化應(yīng)用提供借鑒。

1 試驗(yàn)裝置

1.1 選擇性非催化過程脫硝試驗(yàn)裝置

該實(shí)驗(yàn)裝置由熱態(tài)燃燒試驗(yàn)裝置(CRF)(見圖1)、還原劑噴射系統(tǒng)、測溫設(shè)備、煙氣成分測量設(shè)備等部分組成。其中CRF是一個(gè)中試規(guī)模的試驗(yàn)臺，可模擬電站鍋爐爐膛內(nèi)的燃燒狀況，來研究溫度、流動(dòng)、結(jié)焦、污染物排放等過程。

圖1 SNCR脫硝試驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.1 Experiment System of SNCR Process

1.2 抽氣熱電偶

在CRF每一層都有溫度測點(diǎn)，采用B型熱電偶測量爐膛溫度。但是采用普通熱電偶直接測量煙氣溫度，則會受到溫度較低的爐壁的影響。熱電偶工作端與低溫壁面間產(chǎn)生熱輻射，結(jié)果使所測溫度偏低。SNCR過程對溫度的變化十分敏感，所以要采用抽氣式熱電偶對普通熱電偶的測量值進(jìn)行修正［2］。

圖2 抽氣熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Scheme of Gas－ Extraction Thermocouple

圖3 溫度場測點(diǎn)圖Fig.3 Scheme of Temperature Field Test

1.3 水冷取樣槍

在CRF側(cè)孔插入取樣槍，由于為水冷取樣槍，煙氣進(jìn)入槍內(nèi)，溫度急劇冷卻，各種組分間的反應(yīng)立刻停止。所以能夠保證測量該點(diǎn)的真實(shí)煙氣成分。爐膛截面測點(diǎn)的選擇與溫度場的測點(diǎn)相同。

圖4 水冷取樣槍Fig.4 Water－ Cooled Sampling Gun

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 CRF溫度場測量結(jié)果及分析

由圖5可以看出，M4爐膛中間截面的中心處煙氣溫度較高，越接近邊壁煙氣溫度越低。尤其從距離爐膛中心150 mm處到距離爐膛中心200 mm處，煙氣溫度降低較快。說明該部分受M1、M2和M3爐膛產(chǎn)生的高溫?zé)煔庥绊戇€比較大，在爐膛徑向上煙氣溫度梯度也較大。M5中間截面從爐膛中心到距爐膛中心150 mm處溫度梯度較小，說明在M5燃燒已基本完成，煙氣溫度分布也已經(jīng)比較均勻了。對于SNCR過程而言，適合反應(yīng)的“溫度窗口”較為狹窄，在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中還原劑多是以液體的形式，通過霧化噴嘴將還原劑噴入到高溫爐膛中。M4爐膛中間截面的溫度雖然也適宜SNCR，但考慮到還原劑在爐內(nèi)有一定的運(yùn)行距離與煙氣混合發(fā)生還原反應(yīng)，所以在M5爐膛中間截面噴入更加適合SNCR過程。

圖5 CRF爐內(nèi)溫度分布Fig.5 Distribution of Temperature in CRF

2.2 CRF不同爐膛中間截面O2濃度分布

由圖6可以看出，在爐膛中心處，M1的氧濃度最低，M2的氧濃度略高于M1，M3和M4的氧濃度基本相等但高于M2，M5的氧濃度最高。在M1爐膛中心，煤粉濃度較高并且燃燒進(jìn)行的還相當(dāng)不充分。較高的煤粉濃度消耗大量的氧氣，造成該處較低的氧氣濃度。在M2爐膛中心，爐膛內(nèi)的燃燒已經(jīng)進(jìn)行到了中間階段。煤粉已經(jīng)被大量的燃燒，相對于該處的煤粉含碳量，O2已經(jīng)有了一定的剩余，O2濃度也就有所提高了。在M3爐膛中心，燃燒反應(yīng)已進(jìn)入尾聲，煤粉中的大部分碳已經(jīng)與O2反應(yīng)生成CO2和CO，所以該處O2濃度相比于M2爐膛中心截面又有所提高。在M4爐膛中間截面的中心，燃燒已經(jīng)基本完成，O2濃度與M3爐膛中心相差不大。在M5爐膛中間截面的中心，燃燒已經(jīng)完全完成，整個(gè)截面上每種組分的分布已經(jīng)比較均勻，所以在此位置O2濃度較M4又有所提高。

O2既可以參加還原劑和NO的還原反應(yīng)，又會直接將NH3氧化成NO，所以O(shè)2量的變化可能會對脫硝效率產(chǎn)生影響。Alzueta［3］等人通過機(jī)理試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)NO最大的脫除效率是在O2含量0.5%到1%之間發(fā)生的，繼續(xù)增加O2量對脫硝效率沒有影響。只有M1爐膛中間截面的中心點(diǎn)位置O2濃度在0.5%以下，但考慮到此時(shí)溫度已不適合SNCR過程，所以在M5爐膛中間截面噴入還原劑O2含量對試驗(yàn)結(jié)果不會發(fā)生影響。

2.3 CRF不同爐膛中間截面CO濃度分布

圖6 不同爐膛截面O2濃度分布Fig.6 Distribution of O2Concentration in Different Section

很多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，在SNCR過程中OH的產(chǎn)生對于整個(gè)還原NO的反應(yīng)非常關(guān)鍵［4－9］。CO既可以與OH反應(yīng)生成CO2和H2O，又可以與HO2發(fā)生反應(yīng)生產(chǎn)OH，所以了解爐內(nèi)CO的分布情況，對于深入研究SNCR過程中各組分的作用規(guī)律非常有意義。

圖7 不同爐膛截面CO濃度分布Fig.7 Distribution of CO Concentration in Different Section

從圖7可以看出，在M1爐膛中間截面由于燃燒剛開始，燃料濃度很高，CO大量生成。在M2爐膛中間截面，燃燒仍很劇烈，但已有一定量的CO被氧化成了CO2。到了M3爐膛中間截面，大部分燃燒已完成，在M2爐膛生成的CO又被大量消耗。在M4爐膛中間截面燃燒已基本完成，CO濃度進(jìn)一步減少。在M5爐膛中間截面，燃燒已基本全部完成，CO濃度值沿爐膛徑向分布均勻，CO濃度也基本達(dá)到了比較穩(wěn)定的值。

由于M4、M5爐膛燃燒過程已經(jīng)基本完成，爐膛內(nèi)的CO的生成和氧化過程已經(jīng)接近尾聲，所以在M5爐膛中間截面噴入還原劑由于CO存在對SNCR過程造成的影響已經(jīng)很小了。

2.4 CRF不同爐膛中間截面NO濃度分布

由圖8可以看出，在M1爐膛中間截面的中心處，NO濃度很低。M1爐膛處于富燃料狀態(tài)下，產(chǎn)生大量的 CHi可以大量的還原生成 NO［10－13］，而且較高的CO濃度會較大的抑制NO的生成，所以即使該處有較高的溫度，但是NO濃度仍然比較低。在M2爐膛中間截面，雖然還處于燃燒階段，但在此處O2量已比較充足所以NO大量生成。自M2中間截面沿爐膛軸向向下，NO的生成和還原還在大量進(jìn)行。到了M5中間截面燃燒已基本完全結(jié)束，NO分布也比較均勻了。

從圖8可以看出，M4和M5爐膛NO的生成和還原已基本完成，NO在爐內(nèi)的分布也較為均勻了，有利于從M5爐膛中間截面噴入還原劑進(jìn)行SNCR反應(yīng)。

圖8 不同爐膛截面的NO濃度分布Fig.8 Distribution of NO Concentration in Different Section

2.5 以氨水為還原劑的SNCR試驗(yàn)

SNCR試驗(yàn)是通過兩相流噴嘴，在M5爐膛中間截面將還原劑噴入到CRF爐內(nèi)。試驗(yàn)所使用氨水的濃度為10%。從圖9可以看出，噴入點(diǎn)溫度為800℃時(shí)脫硝效率最低，870℃時(shí)其次，在850℃噴入時(shí)脫硝效率最高。在噴入點(diǎn)溫度較低的情況下，還原劑與NO的反應(yīng)速度很慢，而在CRF爐膛中停留時(shí)間有限，所以脫硝效率不高。在溫度較高點(diǎn)噴入，氨的分解、氧化過程加劇，能參與到NO還原反應(yīng)的還原劑的量變少，脫硝效果變差。

從圖9可以看出隨著n(NH3)/n(NO)摩爾比的增加，脫硝效率逐漸提高。n(NH3)/n(NO)摩爾比在1到2.0之間變化時(shí)，脫硝效率增加明顯，因?yàn)檫€原劑的濃度增加，會使反應(yīng)進(jìn)行的更加充分，而且較多還原劑的噴入會使還原劑還原NO的幾率增大，提高脫硝效率。當(dāng)n(NH3)/n(NO)摩爾比在2.0到2.5之間變化時(shí)，n(NH)/n(NO)摩爾比對脫硝效率的影響變小了。因?yàn)殡S著n(NH3)/n(NO)摩爾比的增加，反應(yīng)逐漸趨于飽和，未反應(yīng)的NO很少，反應(yīng)變得越來越困難。而且SNCR過程本身也有還原劑被氧化成NO的可能，未與氮氧化物反應(yīng)的還原劑很可能在比較高的溫度下氧化成NO，所以化學(xué)當(dāng)量比增加到一定程度后脫硝效果的增加就不明顯了。

圖9 使用氨水的SNCR試驗(yàn)Fig.9 SNCR experiment by using ammonia

以氨水為還原劑的SNCR試驗(yàn)效率較高，試驗(yàn)結(jié)果也與理論結(jié)果接近，說明爐內(nèi)溫度、組分測量較為準(zhǔn)確，其測量結(jié)果為SNCR試驗(yàn)提供了所需的初始數(shù)據(jù)。

3 結(jié)論

(1)通過水冷取樣槍和抽氣熱電偶可以測量CRF爐內(nèi)的溫度場和O2、CO和NO分布，測量結(jié)果可以為SNCR試驗(yàn)提供初始的爐內(nèi)數(shù)據(jù)。

(2)通過爐內(nèi)溫度場和組分的測量表明，M5爐膛中間截面燃燒已經(jīng)基本完成，溫度分布較為均勻，O2、CO和NO濃度分布也趨于均勻，適合還原劑噴入。

(3)采用氨水的SNCR試驗(yàn)表明，在850℃噴入時(shí)脫硝效率最高，n(NH3)/n(NO)摩爾比在1到2.0之間變化時(shí)，脫硝效率增加明顯，繼續(xù)增加n(NH3)/n(NO)摩爾比脫硝效率增加變小。以氨水為還原劑的脫硝試驗(yàn)表明爐內(nèi)溫度場及組分測量較為準(zhǔn)確，爐內(nèi)溫度場和組分測量結(jié)果可以為SNCR工業(yè)化過程提供借鑒和理論指導(dǎo)。

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