提高SNCR脫硝噴槍壽命的實踐

陳江濤,趙 峰,周建強,孫為民,秦光耀,楊建華

(鄭州電力高等?？茖W(xué)校動力工程系，鄭州 450004)

提高SNCR脫硝噴槍壽命的實踐

陳江濤,趙 峰,周建強,孫為民,秦光耀,楊建華

(鄭州電力高等?？茖W(xué)校動力工程系，鄭州 450004)

通過對SNCR脫硝噴槍實際使用過程中彎曲變形情況的調(diào)查，從噴槍結(jié)構(gòu)、使用方式和工作環(huán)境等角度出發(fā)，分析導(dǎo)致噴槍變形的原因，并提出相應(yīng)的改進措施，在實際生產(chǎn)中取得了延長噴槍使用壽命的優(yōu)良效果。

脫硝噴槍；彎曲變形；壽命

0 引 言

目前，煙氣脫硝技術(shù)主要包括選擇性催化還原反應(yīng)(SCR)技術(shù)和選擇性非催化還原反應(yīng)(SNCR)技術(shù)[1]。SCR脫硝工藝的脫硝效率可達(dá)80%以上，但初投資較高，且催化劑易中毒導(dǎo)致運行費用較高。SNCR脫硝工藝具有脫硝效率中等(30%～70%)、無需催化劑、運行費用較低、建設(shè)周期較短等特點，尤其適合中小型鍋爐的改造，成為脫硝領(lǐng)域國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點之一[2-5]。

SNCR脫硝系統(tǒng)關(guān)鍵的環(huán)節(jié)在于噴槍系統(tǒng)的設(shè)計和布置。脫硝噴槍受爐內(nèi)煙氣流動、高溫(800～1 100 ℃)以及積灰等外界因素的影響，噴槍熱應(yīng)力分布不均，導(dǎo)致噴槍在使用一段后彎曲變形，嚴(yán)重影響了噴槍的使用壽命，從而使噴槍維護更換頻繁，制約了脫硝生產(chǎn)效率的進一步發(fā)揮。以某秸稈發(fā)電廠75 t/h生物質(zhì)鍋爐脫硝改造為例，噴槍系統(tǒng)采用小型化的多噴嘴噴槍向爐內(nèi)噴射氨水蒸汽。通過脫硝改造，發(fā)電廠氮氧化物污染物排放滿足了環(huán)保指標(biāo)，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。但在半年來的使用過程中發(fā)現(xiàn)脫硝噴槍出現(xiàn)了較大的彎曲變形，影響了噴槍的正常使用。文中結(jié)合現(xiàn)場實際對脫硝噴槍變形原因進行了分析，并提出相應(yīng)的改進措施，對延長噴槍使用壽命和提高脫硝效率具有實踐意義。

1 原因分析

1.1 噴槍結(jié)構(gòu)

噴槍結(jié)構(gòu)如圖1所示。

小型化的多噴嘴噴槍如圖1所示，氨水通過還原劑入口進入噴槍蒸發(fā)管，在蒸發(fā)管內(nèi)氨水與爐內(nèi)煙氣進行換熱汽化，氨水汽化后進入噴射管道，通過噴射管道兩側(cè)錐形噴嘴和端部的扇形噴嘴噴射到脫硝還原區(qū)域進行脫硝反應(yīng)。

圖1 噴槍結(jié)構(gòu)圖1-扇形噴嘴；2-錐形噴嘴；3-噴射管；4-滑動支架；5-安裝法蘭；6-蒸發(fā)管；7-固定支架；8-壓縮空氣入口；9-還原劑入口

1.2 噴槍變形情況

現(xiàn)場使用中的脫硝噴槍典型彎曲變形情況如圖2所示。通過現(xiàn)場觀察，噴槍變形主要表現(xiàn)為固定支架焊點開裂引起蒸發(fā)管彎曲變形，在蒸發(fā)管末端的彎管處尤為嚴(yán)重。蒸發(fā)管的扭曲變形進一步引起滑動支架分離，噴射管失去滑動支架的限制，出現(xiàn)不同程度的彎曲變形，使預(yù)先設(shè)定的噴射點出現(xiàn)變動，影響氨水蒸汽與煙氣的混合過程，進一步影響脫硝效率的發(fā)揮。

圖2 脫硝噴槍彎曲變形圖

1.3 原因分析

(1)結(jié)構(gòu)原因

通過對現(xiàn)場噴槍的全面分析發(fā)現(xiàn)，固定支架焊點開裂是引起噴槍彎曲變形的主要原因。由于熱變形是熱應(yīng)力的宏觀表現(xiàn)，因此需要對噴槍結(jié)構(gòu)進行熱應(yīng)力分析。氨水的汽化主要在U形蒸發(fā)管中完成，氨水在蒸發(fā)管流動過程中吸熱溫度逐漸升高，同時冷卻蒸發(fā)管的管壁，防止管壁超溫。根據(jù)氨水流動方向可知，U形蒸發(fā)管下分支氨水溶液溫度小于上分支，下分支管壁溫度小于上分支。溫度不同會導(dǎo)致上下分支管的熱伸長量不同，這種非等值的變形會進一步引起固定支架的開裂；同時熱應(yīng)力不斷在蒸發(fā)器末端的彎管處積累，這也是末端彎管處扭曲變形較大的原因。固定支架的開裂使蒸發(fā)管失去變形限制，末端的變形進一步引起整個蒸發(fā)管的彎曲變形，最終導(dǎo)致出現(xiàn)如圖2所示的變形情況。

(2)使用原因

脫硝噴槍的數(shù)量和布置方式是按照鍋爐滿負(fù)荷運行情況下進行設(shè)計，在使用過程中噴槍的投入量要隨著負(fù)荷的變化進行調(diào)整。根據(jù)現(xiàn)場工作人員的反饋，在鍋爐負(fù)荷降低時一些未投入使用的噴槍未及時從爐膛內(nèi)抽出，也沒有通入壓縮空氣冷卻噴槍，導(dǎo)致這些噴槍處于干燒狀態(tài)，變形尤為嚴(yán)重。

(3)環(huán)境原因

脫硝噴槍在爐內(nèi)被高溫的煙氣沖刷，由于缺少吹灰裝置灰渣不可避免的沉積在管壁上，導(dǎo)致管壁的傳熱熱阻增加，管壁冷卻效果變差，使噴槍的使用壽命降低。

2 改進措施

針對脫硝噴槍變形現(xiàn)狀的調(diào)查分析，依據(jù)變形原因，采取的主要改進措施如下：

(1)改進噴槍蒸發(fā)管結(jié)構(gòu)，確保蒸發(fā)效果。由原因分析可知蒸發(fā)管采用U形結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致噴槍彎曲變形的主要原因。蒸發(fā)管的主要作用是加熱脫硝還原劑溶液，如果去掉蒸發(fā)管則需要在爐外對溶液進行汽化，會使整個噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，造價增加。為此，蒸發(fā)管可采用套管形式。蒸發(fā)管由兩根管子套接，還原劑溶液在套管內(nèi)折流與爐內(nèi)煙氣進行換熱汽化。折流過程使套管前后溫度分布均勻，從而減少熱變形的發(fā)生。

(2)改進噴槍支架結(jié)構(gòu)，合理分配熱變形。采用套管的蒸發(fā)管，內(nèi)管的固定可采用支架的形式簡單固定，盡量不影響內(nèi)部流道。蒸發(fā)管與噴射管的固定可采用左右兩個管夾固定。管夾不僅可以允許蒸發(fā)管和噴射管溫度不同引起的線性變形，還可以約束蒸發(fā)管和噴射管垂直方向的變形。管夾可采用焊接或螺栓連接。

(3)優(yōu)化噴槍使用數(shù)量，規(guī)范噴槍投入和退出機制。根據(jù)負(fù)荷的變化，分階段的投入和退出噴槍?？筛鶕?jù)50%、80%和100%鍋爐負(fù)荷確定噴槍的使用數(shù)量，在各個階段內(nèi)為防止氨逃逸量超標(biāo)可采用通入壓縮空氣的方式冷卻噴槍。

3 改進效果

根據(jù)改進措施，對噴槍結(jié)構(gòu)進行了重新設(shè)計，如圖3所示。脫硝還原劑通過噴槍還原劑入口進入噴槍蒸發(fā)套管，還原劑在套管內(nèi)折流與爐內(nèi)煙氣進行換熱汽化，還原劑汽化后進入噴射管，再通過噴射管兩側(cè)錐形噴嘴和端部的扇形噴嘴噴射到脫硝還原區(qū)域進行脫硝反應(yīng)。

改進后噴槍與改進前脫硝效果基本相同，但抗變形能力大大提高。通過在鍋爐內(nèi)進行工業(yè)試驗，噴槍在使用較長一段時間內(nèi)未出現(xiàn)彎曲變形，提高了噴槍的使用壽命。

圖3 改進后噴槍結(jié)構(gòu)圖1-扇形噴嘴；2-錐形噴嘴；3-管夾；4-噴射管；5-蒸發(fā)套管；6-安裝法蘭；7-壓縮空氣入口；8-還原劑入口

4 結(jié)束語

通過對SNCR脫硝噴槍實際使用過程中彎曲變形狀況的調(diào)查，從噴槍結(jié)構(gòu)、使用方式和工作環(huán)境等角度出發(fā)，分析了導(dǎo)致噴槍變形的原因：

(1)U形蒸發(fā)管上下分支管壁溫度不同導(dǎo)致熱伸長量不同，從而引起蒸發(fā)管末端彎曲變形。

(2)蒸發(fā)管變形后引起固定支架失效，噴槍整體變形逐漸形成。

(3)停止使用的噴槍未及時冷卻或退出，存在干燒狀況。

(4)噴槍管壁的積灰對噴槍的壽命有一定的影響。并提出了相應(yīng)的改進措施：①改進噴槍蒸發(fā)管結(jié)構(gòu)，采用套管形式減少彎曲變形的發(fā)生；②改進噴槍支架結(jié)構(gòu)，采用管夾形式固定蒸發(fā)管和噴射管，允許水平變形限制垂直變形；③采用合理的噴槍投入和退出機制，防止噴槍出現(xiàn)干燒狀況。

通過在鍋爐內(nèi)的實際應(yīng)用，在保證脫硝效率的同時變形情況得到了解決，取得了延長噴槍使用壽命的優(yōu)良效果。

[1] GB13223—2011，火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2] AYOUB M, IRFAN M F, YOO K S. Surfactants asadditives for NOx reduction during SNCR process with urea solution as reducing agent[J]. Energy Conversion and Management, 2011, 52(10) : 3083-3088.

[3] 盧志民. SNCR反應(yīng)機理及混合特性研究[D]. 杭州：浙江大學(xué)，2006.

[4] 屈衛(wèi)東，周建強，楊建華，等.循環(huán)流化床鍋爐SNCR脫硝系統(tǒng)優(yōu)化及應(yīng)用[J].熱力發(fā)電，2014，43(1)：133-136.

[5] 趙立平. SNCR過程反應(yīng)動力學(xué)模型的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2008.

Practice on Prolonging the Service Life of Injection Gunfor Denitration with SNCR

CHEN Jiang-tao, ZHAO Feng, ZHOU Jian-qiang, SUN Wei-min, QIN Guang-yao, YANG Jian-hua

(Henan Zhengzhou Electric Power College, Zhengzhou 450004, China)

Based on the observation of the damage to the injection gun for denitration with SNCR in use, the primary causes to the damage are analyzed from the lance structure, using way and work environment. Then technological improvement measures are put forward. In the end, prominent results have been achieved in the actual production.

Injection gun for denitration; Bending deformation; Service life

2014-10-11

2014-11-09

陳江濤(1987-)，男，河南新鄉(xiāng)人，碩士，助理講師，主要從事清潔燃燒和污染物減排技術(shù)的教學(xué)和研究。

10.3969/j.issn.1009-3230.2014.12.002

TK227.6

B

1009-3230(2014)12-0005-03