生物質(zhì)振動爐排鍋爐SNCR脫硝反應(yīng)溫度窗口位置確定方法研究

安忠義,江文豪,何長征

(1.中圣科技(江蘇)股份有限公司,南京 211100;2. 中冶華天工程技術(shù)有限公司,南京 210019;3. 南京博沃科技發(fā)展有限公司,南京 210001)

生物質(zhì)振動爐排鍋爐因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢,近年來在生物質(zhì)直燃發(fā)電領(lǐng)域得到了推廣應(yīng)用,并積累了豐富的設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)[1-7]。目前,生物質(zhì)振動爐排鍋爐主要采用SNCR(選擇性非催化還原)脫硝技術(shù)來控制NOx排放[8-9]。對于生物質(zhì)鍋爐而言,其脫硝反應(yīng)存在一個合適煙氣溫度區(qū)間,稱為“溫度窗口”,在溫度窗口以外,脫硝效率將隨煙溫的偏離快速降低。

在實(shí)際運(yùn)行過程中,爐內(nèi)溫度會隨鍋爐負(fù)荷、燃料來源、受熱面換熱效率等多種因素的變化而改變,尤其是燃料的變化,很容易導(dǎo)致脫硝反應(yīng)的最佳溫度窗口位置發(fā)生變化,甚至大幅偏離原始設(shè)計(jì)位置。此外,由于爐排周期性振動的緣故,爐內(nèi)煙溫與NOx生成還額外呈現(xiàn)分鐘級別的周期性波動,加之還原劑與煙氣混合的均勻性無法保證,極易造成脫硝效率受到影響,很多電廠只能依靠大幅提高氨氮摩爾比來實(shí)現(xiàn)NOx達(dá)標(biāo)排放,這無疑是極不經(jīng)濟(jì)的。因此,如何獲取溫度窗口位置,指導(dǎo)脫硝系統(tǒng)改造或者運(yùn)行調(diào)整,使得還原劑噴射位置與最佳溫度窗口位置重合,提高脫硝反應(yīng)效率,是相關(guān)技術(shù)人員比較關(guān)心的問題。

目前,已有學(xué)者對燃煤循環(huán)流化床鍋爐和垃圾焚燒爐的SNCR溫度窗口進(jìn)行研究[10-11],但是對于生物質(zhì)振動爐排鍋爐的SNCR溫度窗口還未見報道。振動爐排鍋爐特有的周期性波動,導(dǎo)致其SNCR溫度窗口很難通過現(xiàn)有方法來簡單確定。為此,本文提出一種基于多維評價指標(biāo)的生物質(zhì)振動爐排鍋爐SNCR溫度窗口位置確定方法,并將其應(yīng)用于某熱電廠生物質(zhì)振動爐排鍋爐的測試分析,以期為SNCR噴氨改造與操作調(diào)整提供依據(jù),具有一定的實(shí)用意義。

1 SNCR脫硝反應(yīng)溫度窗口位置確定方法

1.1 溫度窗口相關(guān)評價指標(biāo)

對于生物質(zhì)振動爐排鍋爐而言,爐排的周期性振動,導(dǎo)致煙溫也呈現(xiàn)明顯的周期性震蕩,煙溫極易突破SNCR脫硝反應(yīng)溫度窗口限值,很難在全時段均處于脫硝反應(yīng)溫度區(qū)間以內(nèi)。因此,單看煙溫是否超限這種簡易評價方案已不再適用于該類鍋爐。

結(jié)合生物質(zhì)振動爐排鍋爐的煙溫波動特征和NOx生成特性,并考慮SNCR脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn),本文提出如下幾項(xiàng)評價指標(biāo)：

1)反映煙溫與溫度窗口限值相對關(guān)系的指標(biāo)k1

(1)

式中：ta為鍋爐某一位置處連續(xù)監(jiān)測煙溫的平均值,℃;tlow為SNCR脫硝反應(yīng)溫度窗口下限,℃(缺省值為850);tup為SNCR脫硝反應(yīng)溫度窗口上限,℃(缺省值為1 100)。

2)反映煙溫重合時率的指標(biāo)k2

(2)

式中：nt為連續(xù)監(jiān)測的瞬時煙溫數(shù)據(jù)中處于SNCR脫硝反應(yīng)溫度窗口范圍內(nèi)的數(shù)量;N為測試期間鍋爐某一位置處連續(xù)等間隔監(jiān)測煙溫數(shù)據(jù)的總數(shù)量。

3)反映煙溫超限余量的指標(biāo)k3

(3)

式中：talm為根據(jù)脫硝反應(yīng)要求設(shè)定的煙溫報警值,℃。

1.2 溫度窗口判定準(zhǔn)則

上述3項(xiàng)評價指標(biāo)對應(yīng)的溫度窗口判定準(zhǔn)則如表1所示。

表1 溫度窗口判定準(zhǔn)則

2 全爐膛煙氣溫度分布測試

2.1 鍋爐概況及測試方案

某熱電廠135 t/h生物質(zhì)振動爐排鍋爐以棉稈、樹枝木片、三合板為燃料,燃用比例為 1.5∶8.0∶0.5。凈化處理前的污染物濃度分別為SO2≤ 650 mg/m3、NOx≤ 260 mg/m3、粉塵≤ 13 000 mg/m3(標(biāo)準(zhǔn)狀況下),為此分別設(shè)置了相應(yīng)的煙氣凈化系統(tǒng),其中脫硝系統(tǒng)采用SNCR脫硝技術(shù),布置于爐膛前后拱喉口附近及其上方位置(對應(yīng)于圖1中的第3、4、5層測孔,共24只噴槍)。

圖1 煙溫測點(diǎn)示意圖

為了獲取全空間動態(tài)煙溫,分別在爐內(nèi)不同高度位置和不同水平截面位置進(jìn)行煙溫測試,測點(diǎn)分布如圖1所示,具體信息如表2所示。

表2 煙溫測孔信息

2.2 煙溫測試結(jié)果

在典型負(fù)荷下,對生物質(zhì)鍋爐全爐膛3個區(qū)域：爐膛、燃燒室、喉部,分別進(jìn)行3個、2個、1個高度位置的動態(tài)煙溫連續(xù)測試,結(jié)果如圖2所示。

圖2 典型負(fù)荷下爐內(nèi)各位置處的煙溫曲線

由圖2可知：

1)爐膛上部和爐膛下部的煙溫明顯低于其他位置,基本上都在850 ℃以下,平均溫度僅770 ℃左右;而爐膛中部、喉部、燃燒室區(qū)域的煙溫較高,主要分布在830 ℃～980 ℃之間。

2)煙溫波動性方面,爐膛中部和喉部的煙溫波動較小,煙溫相對平穩(wěn);相較而言,爐膛上部、爐膛下部、燃燒室區(qū)域的煙溫波動較大,尤其是爐膛上部和燃燒室下部,煙溫峰谷差值已超過200 ℃。

3 SNCR脫硝反應(yīng)溫度窗口位置分析

在典型負(fù)荷下,根據(jù)上述6個高度位置的全爐膛煙溫測試數(shù)據(jù),對各位置處進(jìn)行SNCR脫硝反應(yīng)溫度窗口評價指標(biāo)計(jì)算,結(jié)果如表3所示。

表3 全爐膛區(qū)域不同位置處溫度窗口評價指標(biāo)結(jié)果

結(jié)合表1列出的判定準(zhǔn)則和表3所示的評價指標(biāo)計(jì)算結(jié)果可知,同時滿足00.8、k3>0這三個條件的區(qū)域包括爐膛中部、喉部、燃燒室上部和燃燒室下部,這些位置理論上均可作為SNCR脫硝反應(yīng)溫度窗口可選位置。

進(jìn)一步分析可知：

1)爐膛作為設(shè)計(jì)時的SNCR脫硝反應(yīng)主要布置區(qū)域,整體煙溫過低,且滿足相關(guān)指標(biāo)要求的區(qū)域范圍較小(僅爐膛中部滿足),導(dǎo)致脫硝反應(yīng)區(qū)域過窄,因此爐膛不建議作為SNCR脫硝反應(yīng)溫度窗口位置。

2)喉部與燃燒室區(qū)域均滿足煙溫動態(tài)特性參數(shù)要求,且由于兩區(qū)域相連,脫硝反應(yīng)范圍較大,比較適合作為SNCR脫硝反應(yīng)溫度窗口的實(shí)際布置區(qū)域。實(shí)際上,將燃燒室與喉部區(qū)域設(shè)為溫度窗口位置具有顯著優(yōu)點(diǎn),包括：整體煙溫高,可明顯提高SNCR脫硝反應(yīng)速率;燃燒室位于鍋爐底部,使得還原劑與煙氣的混合時間點(diǎn)提前,有利于增加脫硝反應(yīng)時間;燃燒室內(nèi)氣流擾動很大,可改善還原劑與煙氣的混合效果,提高脫硝反應(yīng)效率。因此,建議將該鍋爐的SNCR脫硝反應(yīng)的噴槍位置調(diào)整至喉部區(qū)域和燃燒室區(qū)域。

4 結(jié)語

對于生物質(zhì)振動爐排鍋爐而言,由于燃料特性復(fù)雜多變與爐排周期性振動等原因,爐內(nèi)煙溫及其分布會發(fā)生明顯改變和周期性波動,進(jìn)而使得脫硝反應(yīng)溫度窗口的實(shí)際位置出現(xiàn)大幅移動,因此有必要對SNCR脫硝反應(yīng)溫度窗口進(jìn)行追蹤與更新。

本文從脫硝反應(yīng)煙溫區(qū)間的需求出發(fā),結(jié)合生物質(zhì)振動爐排鍋爐的煙溫分布數(shù)據(jù)特征,構(gòu)建了一套SNCR溫度窗口位置的評價指標(biāo),給出了相應(yīng)的評判準(zhǔn)則,并將其應(yīng)用于某熱電廠生物質(zhì)振動爐排鍋爐的測試分析,結(jié)果可為該鍋爐的噴氨改造提供實(shí)質(zhì)性依據(jù)。此外,本文方法還可用于生物質(zhì)振動爐排鍋爐煙氣脫硝系統(tǒng)的在線診斷,實(shí)時獲取溫度窗口動態(tài)位置,進(jìn)而為運(yùn)行調(diào)整提供在線指導(dǎo),具有較好的實(shí)用價值。