生物鈣脫硝技術(shù)在工業(yè)層燃爐中的應(yīng)用

司 碩

(1.兗礦集團(tuán)潔凈煤技術(shù)工程研究中心，山東 濟(jì)寧 273516；2.兗礦科技有限公司，山東 濟(jì)南 250100)

工業(yè)層燃鏈條排爐具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、電耗低等特點(diǎn)，深受中小型企業(yè)的喜愛(ài)，在國(guó)內(nèi)仍有一定的市場(chǎng)。但其燃燒效率較低、NOx排放濃度較高的缺點(diǎn)也是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。針對(duì)工業(yè)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(huán)、靜置式低溫脫硝等脫硝技術(shù)。張利平[1]等利用Fluent軟件對(duì)一臺(tái)90 t/h鏈條爐進(jìn)行的SNCR煙氣脫硝系統(tǒng)數(shù)值模擬結(jié)果表明，NO脫除效率最高42.3%。郭欣維[2]等在一臺(tái)46 MW鏈條爐上進(jìn)行了新型煙氣再循環(huán)降氮技術(shù)改造，結(jié)果表明，采用上下多級(jí)配風(fēng)式煙氣再循環(huán)技術(shù)，脫硝效率最高達(dá)27.3%，優(yōu)于僅底部噴再循環(huán)風(fēng)方式。劉忠攀[3]等研究了靜置式低溫?zé)煔饷摿蛎撓跫夹g(shù)，并在20 t/h鏈條排爐上進(jìn)行了應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明煙氣溫度100～150 ℃時(shí)，脫硝效率大于60%。

為探索工業(yè)層燃爐節(jié)能減排新路線(xiàn)，中國(guó)石油大學(xué)(華東)提出了液態(tài)生物鈣脫硝技術(shù)?；谠摷夹g(shù)路線(xiàn)，兗礦集團(tuán)與中國(guó)石油大學(xué)(華東)合作，進(jìn)行了工業(yè)層燃爐的生物鈣脫硝技術(shù)工業(yè)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證該技術(shù)用于工業(yè)層燃爐煙氣脫硝的可行性，并分析了生物鈣脫硝技術(shù)工業(yè)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性，為工業(yè)層燃爐減排開(kāi)辟一條新途徑。

1 生物鈣脫硝技術(shù)簡(jiǎn)介

生物鈣溶液由電石渣和生物熱解油制備而成。生物質(zhì)熱解油與甲醇混合乳化后，與電石渣按比例攪拌混合反應(yīng)，反應(yīng)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(yè)脫硫脫硝的液態(tài)生物鈣[4]。液態(tài)生物鈣主要物理特性：凝固點(diǎn)-15～-18 ℃，沸點(diǎn)110～130 ℃，密度1 060～1 100 kg/m3，運(yùn)動(dòng)粘度(20 ℃，3.8～8.6 mm2/s)，屬普通化學(xué)品，無(wú)毒難燃無(wú)爆炸危險(xiǎn)，可使用噸桶、槽車(chē)或液袋運(yùn)輸。本課題所用液態(tài)生物鈣由中國(guó)石油大學(xué)(華東)田原宇教授提供。

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

(—C2H)+HCCO+NCO+H2O

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)用工業(yè)層燃爐為1.4 MW常壓熱水鍋爐，型號(hào)DZL1.4—85/60—M，設(shè)計(jì)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?zhuān)脡嚎s空氣將液態(tài)生物鈣均勻噴入實(shí)驗(yàn)爐內(nèi)。本次實(shí)驗(yàn)中，液態(tài)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(jiàn)圖1和圖2。

圖1 工業(yè)層燃爐實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程

圖2 生物鈣裝置流量示意

2.2 實(shí)驗(yàn)原料

采用西部某礦塊煤，粒度為20～30 mm，其工業(yè)分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 西部某礦塊煤工業(yè)分析

2.3 煙氣監(jiān)測(cè)方法

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取自煙囪上裝有的一套北京雪迪龍科技有限公司生產(chǎn)的CEMS。該系統(tǒng)包括煙氣預(yù)處理系統(tǒng)、采樣分析系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可同時(shí)測(cè)量O2、CO、CO2、NO、NO2、SO2、煙塵等組分，測(cè)量值均統(tǒng)一折算為標(biāo)準(zhǔn)含氧量9%下的質(zhì)量濃度。為確保測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性，同時(shí)采用便攜式紅外煙氣分析儀進(jìn)行不定期監(jiān)測(cè)。

3 結(jié)果及討論

3.1 生物鈣對(duì)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(xiàn)及平均值，生物鈣投入點(diǎn)為后拱下部。由圖3可見(jiàn)，投入生物鈣脫硝裝置后，NOx下降趨勢(shì)明顯，隨著生物鈣投用時(shí)間的延長(zhǎng)，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(xiàn)

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(tuán)CxHy、H2、CO等還原性氣體，還原性氣體進(jìn)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(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成N2和H2O。主要反應(yīng)式如下[7]：

(8)

(9)

N2+2xCO2+yH2O

(10)

當(dāng)噴入位置不同時(shí)，液態(tài)生物鈣對(duì)煙氣中NOx的脫除率存在差異。不同位置噴射生物鈣脫硝數(shù)據(jù)見(jiàn)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(zhì)量濃度由223 mg/m3降至29.5 mg/m3，降低幅度達(dá)到86.8%。原因?yàn)樯镡}從后拱下部噴入，相比爐膛中央及后拱上部噴入時(shí)，生物鈣在爐膛內(nèi)的停留時(shí)間更長(zhǎng)，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(jìn)入爐膛中央高溫環(huán)境，更有利于脫氮，相比爐膛中央及后拱上部噴入時(shí)，生物鈣分解的還原性氣體進(jìn)入換熱面低溫環(huán)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(shí)脫硝效果最佳，隨停留時(shí)間增加而升高[8-9]。表明生物鈣脫硝技術(shù)具有較好的脫硝性能。

圖4 不同位置噴射生物鈣脫硝指標(biāo)

表2 不同位置噴射生物鈣脫硝效率

3.2 生物鈣對(duì)SO2排放的影響

生物鈣對(duì)SO2排放的影響見(jiàn)圖5所示。由圖5可見(jiàn)，投入生物鈣脫硝裝置后，層燃爐SO2排放濃度呈下降趨勢(shì)。這是由于生物鈣高溫時(shí)裂解出的活性Ca原子和CaO，與煙氣中的SO2和O2反應(yīng)生成CaSO4[10-11]，說(shuō)明生物鈣對(duì)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(xiàn)

3.3 生物鈣對(duì)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(zhì)量濃度曲線(xiàn)?？梢?jiàn)，投入生物鈣脫硝裝置后，層燃爐CO排放質(zhì)量濃度呈上升趨勢(shì)，主要原因?yàn)?，采用壓縮空氣對(duì)液態(tài)生物鈣進(jìn)行高效霧化時(shí)，冷空氣進(jìn)入爐膛，造成局部爐膛溫度較低，不利于該區(qū)域CO燃盡所致。但是，CO整體指標(biāo)低，對(duì)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(xiàn)

3.4 生物鈣脫硝技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

生物鈣脫硝技術(shù)投資低，占地面積小，不需要催化劑，無(wú)氨逃逸，無(wú)二次污染，反應(yīng)溫度區(qū)間寬(600～1 000 ℃)，且生物鈣本身具有一定的熱值，進(jìn)入爐膛脫硝會(huì)釋放熱量，可節(jié)約部分煤耗，如現(xiàn)場(chǎng)有SNCR設(shè)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(xié)同脫硫功能，優(yōu)勢(shì)突出，具有一定的工業(yè)應(yīng)用推廣價(jià)值。

4 結(jié) 論

(1)根據(jù)工業(yè)層燃爐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、煙氣特性、溫度區(qū)間分布等條件，選擇合適的液態(tài)生物鈣噴入點(diǎn)，脫硝效率大于85%，同時(shí)具有一定的協(xié)同脫硫效果，能夠降低工業(yè)層燃爐煙氣排放指標(biāo)，是適用于工業(yè)層燃爐減排的有效技術(shù)途徑之一。

(2)生物鈣脫硝技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)層燃爐具，具有投資運(yùn)行成本低、占地面積小、對(duì)鍋爐影響小、無(wú)毒無(wú)危害、無(wú)氨逃逸、脫硝效率高等優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)前景。