陳賽，賈明生，郭明高，劉高珍

（廣東海洋大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，廣東湛江524088）

燃煤工業(yè)鍋爐作為NOx排放的主要來源之一，國家對其NOx的限排要求日趨嚴(yán)格，我國發(fā)布的新版《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB 13271—2014規(guī)定[1]，重點地區(qū)燃煤工業(yè)鍋爐NOx排放限值為200mg/m3，而目前絕大多數(shù)燃煤工業(yè)鍋爐將面臨因NOx排放超標(biāo)而被迫淘汰的困境。本文作者課題組與上海某企業(yè)合作研發(fā)了高效煤粉工業(yè)鍋爐燃燒技術(shù)，以高效低NOx液態(tài)排渣煤粉燃燒器為核心設(shè)備，在燃燒器內(nèi)采用分區(qū)段控制、高溫低氧氣氛下燃燒、旋風(fēng)燃燒等組合的低NOx燃燒技術(shù)路線，最終達到NOx排放值低于150mg/m3的優(yōu)異特性[2-4]。同時，針對燃煤工業(yè)鍋爐的NOx實施超低排放已成大勢所趨，部分省市已提出燃煤工業(yè)鍋爐的NOx排放值低于50mg/m3的要求。選擇性非催化還原（SNCR）作為一種成熟的脫硝技術(shù)，在我國大中型循環(huán)流化床鍋爐中應(yīng)用廣泛。由于SNCR脫硝效率受鍋爐結(jié)構(gòu)、爐膛溫度等影響較大，小型燃煤工業(yè)鍋爐通常不滿足SNCR脫硝所需的溫度窗口、爐內(nèi)停留時間等條件，導(dǎo)致SNCR脫硝技術(shù)未能有效應(yīng)用。一些研究表明，小型燃煤工業(yè)鍋爐應(yīng)用SNCR脫硝效果不理想，脫硝效率很低[5-7]。賈明生等[8]已對液態(tài)排渣煤粉工業(yè)鍋爐爐內(nèi)SNCR脫硝技術(shù)可行性進行了論證，提出的“低NOx燃燒+SNCR 脫硝”技術(shù)方案是可行的，有望達到NOx低于50mg/m3的超低排放要求。本文對一臺8.4MW 液態(tài)排渣煤粉工業(yè)鍋爐爐內(nèi)SNCR 脫硝技術(shù)進行工業(yè)化試驗研究，檢驗SNCR脫硝應(yīng)用于該類型燃煤工業(yè)鍋爐的實際效果。

1 鍋爐系統(tǒng)概況

上海某公司新建一臺有機熱載體高效煤粉工業(yè)鍋爐，搭載自行研發(fā)的高效低NOx液排渣煤粉燃燒器，鍋爐型號為YFL-8400KW，鍋爐額定熱功率8.4MW，排煙溫度150℃，設(shè)計鍋爐效率89%?，F(xiàn)在爐膛增設(shè)SNCR脫硝技術(shù)方案，向爐膛內(nèi)部噴射還原劑對煙氣進行更深層次脫硝處理。

該鍋爐以有機熱載體為換熱介質(zhì)，有機熱載體在爐膛和對流段吸熱升溫后將熱量送入車間使用，降溫后又回到爐膛和對流段加熱，換熱過程循環(huán)進行。該煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)簡圖如圖1所示。精確計量的煤粉由一次風(fēng)送進燃燒器入口，經(jīng)過預(yù)熱的助燃二次風(fēng)分級送入燃燒器內(nèi)，煤粉在燃燒器中高溫、低氧氣氛下劇烈旋流燃燒，煤粉中的灰分在1500℃以上的高溫下大部分形成液態(tài)渣排到爐外，高溫?zé)煔膺M入爐膛后，在爐膛完成輻射和對流換熱后依次進入對流段、空氣預(yù)熱器、布袋除塵器、脫硫塔等單元，最后潔凈煙氣經(jīng)煙囪排入大氣。高溫?zé)煔庠跔t膛換熱同時，未燃盡的還原性氣體在爐膛區(qū)域補入三次風(fēng)后完成進一步的燃盡。在空氣預(yù)熱器中二次風(fēng)與煙氣換熱后溫度可達300℃以上。脫硫塔與煙囪一體化設(shè)計，在脫硫塔中噴淋堿液脫除煙氣中的SO2，達到國家排放標(biāo)準(zhǔn)。

2 噴槍位置和測點選取

在SNCR系統(tǒng)中，反應(yīng)溫度窗口、爐內(nèi)停留時間和煙氣混合程度等因素對SNCR脫硝效果影響很大，這三個因素取決于噴槍位置，故噴槍位置的選擇至關(guān)重要，直接決定了脫硝效果的優(yōu)劣。根據(jù)鍋爐運行監(jiān)測數(shù)據(jù)及先前對該鍋爐SNCR脫硝可行性的研究[8]，確定爐膛噴槍位置如圖1 所示，該爐膛長4m，寬2.8m，高約9m，噴槍位置距爐膛頂部約4.2m，距爐膛溫度測點2.9m。通過噴射孔進行溫度測試，噴射區(qū)域爐膛溫度范圍可保持在800～950℃，滿足SNCR 脫硝反應(yīng)要求溫度窗口[9]，同時噴射位置的選取也保證了在溫度窗口下的停留時間。根據(jù)爐膛尺寸在爐膛單側(cè)面布置3個噴槍，噴槍噴射面與煙氣來流方向垂直，增強還原劑噴霧與煙氣的混合程度。噴槍選用氣液雙流體噴槍、圓錐形霧化噴頭，噴槍材質(zhì)為310S 不銹鋼，具備較好的耐磨耐高溫性能。煙氣測點選在空預(yù)器出口，測試儀器為德國testo-340 煙氣分析儀；爐膛溫度測點設(shè)置在爐膛上部，爐膛溫度由測點熱電偶監(jiān)測并反饋到鍋爐自動控制系統(tǒng)顯示界面，煙氣測點及爐膛溫度測點位置見圖1。

圖1 高效低NOx液態(tài)排渣煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)簡圖

3 SNCR脫硝系統(tǒng)模塊

在工程應(yīng)用中，相比于液氨和氨水，尿素在運輸、存儲及管理方面更加安全[10]。根據(jù)實際需要，本項目還原劑選用尿素。SNCR 脫硝系統(tǒng)主要由尿素溶液配制模塊、尿素溶液儲存模塊、尿素溶液計量輸送模塊及尿素溶液噴射模塊構(gòu)成，各模塊需要根據(jù)煙氣參數(shù)合理設(shè)計，針對工況條件和介質(zhì)特點，嚴(yán)格選擇設(shè)備材料。SNCR 脫硝系統(tǒng)工藝流程見圖2。

3.1 尿素溶液配制模塊

尿素溶液配制模塊由攪拌罐、攪拌機、冷軟水管、熱軟水管、溫度計、給液泵等構(gòu)成，考慮到尿素溶液的腐蝕性，設(shè)備材料均選擇304 不銹鋼材質(zhì)。尿素原料選用市場銷售的袋裝尿素顆粒，尿素純度大于99%。溶解水為經(jīng)過除鹽處理的軟水，采用軟水可較好地避免管道及噴槍處的結(jié)垢堵塞現(xiàn)象。根據(jù)工程經(jīng)驗，尿素溶液濃度一般為10%～20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，余同），考慮到冬季溫度較低，為增大尿素溶解度和避免結(jié)晶，接入熱軟水管道，熱軟水溫度保持在50℃左右。攪拌罐內(nèi)壁面有刻度線，可準(zhǔn)確控制軟水量，在溶液配制過程中，通過攪拌罐上的溫度表監(jiān)測溶液溫度。配制好的尿素溶液由給液泵打入尿素溶液儲液桶中存放。

3.2 尿素溶液儲存模塊

尿素溶液儲存模塊由儲液桶和排污閥構(gòu)成，用以存放配制好的尿素溶液以供給使用，儲液桶和排污閥均為耐酸堿聚乙烯（PE）塑料材質(zhì)。由于尿素溶液配制方便，可以做到及時配制和輸送，因此儲液桶不用選擇過大。根據(jù)鍋爐SNCR脫硝所需尿素溶液量，選擇容積為2m3，桶內(nèi)雜質(zhì)或廢液可通過排污閥排出。

3.3 尿素溶液計量輸送模塊

尿素溶液計量輸送模塊由球閥、過濾器、輸送泵、止回閥、壓力表、流量計等構(gòu)成，該模塊可控制定量的尿素溶液加壓輸送到噴射模塊，整個模塊材料均為304 不銹鋼材質(zhì)。根據(jù)計算所需尿素流量，輸送泵選擇立式多級離心泵，流量2m3/h，揚程67m，配備變頻器調(diào)節(jié)流量。泵進口前安裝了Y型過濾器，去除溶液中顆粒雜質(zhì)，保護泵及后續(xù)管件。泵出口安裝止回閥，防止停運過程中葉輪倒轉(zhuǎn)。系統(tǒng)運行時，可通過調(diào)節(jié)變頻器頻率調(diào)節(jié)尿素溶液流量，尿素溶液壓力和流量可通過壓力表和轉(zhuǎn)子流量計直接讀出。

3.4 尿素溶液噴射模塊

圖2 SNCR脫硝系統(tǒng)工藝流程

尿素溶液噴射模塊包括壓縮空氣和尿素溶液兩部分管路，管道及部件選用304不銹鋼材質(zhì)，壓縮空氣和尿素溶液通過軟管接入噴槍。壓縮空氣來自于廠用壓縮空氣站，壓力約為0.6MPa，壓縮空氣分兩路進入噴槍，一路走噴槍內(nèi)管用以霧化尿素溶液，另一路走噴槍外管用以冷卻噴槍。為穩(wěn)定噴射壓力，在尿素溶液支路前設(shè)置了穩(wěn)壓罐，在壓縮空氣支路前設(shè)置了氣缸。系統(tǒng)工作時，壓縮空氣與加壓后的尿素溶液共同進入噴槍內(nèi)管，混合后通過噴嘴霧化噴入爐膛。為方便管路調(diào)節(jié)，在各管路上均安裝了球閥，霧化氣路和液路安裝了止回閥。

4 SNCR脫硝試驗及結(jié)果分析

試驗期間所用煤種為蒙煤，煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)見表1。試驗所用高效低NOx煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)在精確控制時完全能夠?qū)崿F(xiàn)NOx初始排放值低于150mg/m3。因工業(yè)鍋爐負荷變化大、司爐工操作不當(dāng)?shù)葐栴}，供粉穩(wěn)定性難以持續(xù)精準(zhǔn)控制，鍋爐運行過程中可能造成風(fēng)煤比配合偏離最佳參數(shù)，導(dǎo)致NOx排放量有一定波動[11]。因此，在低NOx燃燒的基礎(chǔ)上，適當(dāng)放寬了NOx初始排放濃度范圍，在爐膛內(nèi)部耦合SNCR脫硝技術(shù)，實現(xiàn)NOx低于50mg/m3的超低排放目標(biāo)。

SNCR脫硝效率計算如式(1)所示。

式中，CNOx為NOx初始濃度；C'NOx為SNCR 脫硝后NOx濃度。

4.1 不同氧含量下NOx濃度

根據(jù)生產(chǎn)需要，鍋爐需保持長期較高負荷運行，測試工況選擇80%負荷。在此負荷下，通過調(diào)節(jié)鼓風(fēng)和引風(fēng)量來調(diào)節(jié)燃燒區(qū)空氣量供給，放寬NOx初始排放濃度范圍。圖3 是不同鍋爐出口氧含量下NOx初始值和爐膛溫度變化情況。

圖3 不同氧含量下NOx初始值與爐膛溫度

由圖3可知，在鍋爐出口氧含量為3.8%（體積分?jǐn)?shù)，余同）時，NOx初始值低于150mg/m3，隨著氧含量的增加，NOx濃度快速升高，爐膛溫度也隨之升高。煤粉在高效低NOx液排渣煤粉燃燒器中燃燒時，氧含量和溫度對NOx生成影響顯著，隨著鍋爐出口氧含量增加，燃燒器主燃燒區(qū)的氧含量增加，促進了煤中N 元素和空氣中N2與O2的接觸，加快了NOx生成速度，同時氧含量的增加抑制了燃燒過程中還原性物質(zhì)對NOx的還原反應(yīng)；另一方面，氧含量的增加促使煤粉燃燒速度加快，燃燒強度增強，燃燒室內(nèi)溫度升高，在氧濃度增加和高溫的雙重作用下進一步加快了NOx生成速度，使NOx生成總量增加[12-14]。

4.2 不同尿素溶液噴射量下脫硝效果

選擇鍋爐負荷80%，鍋爐出口氧含量4.35%，NOx初始值265mg/m3的工況，研究不同尿素溶液噴射量下SNCR 脫硝效果。試驗采用10%、15%、20%三種濃度的尿素溶液進行，試驗期間噴射區(qū)爐膛溫度在800～900℃，不同尿素溶液噴射量下SNCR脫硝效果見圖4。

由圖4(a)可知，隨著尿素溶液噴射量由50L/h增至90L/h，NOx濃度由90mg/m3迅速降至20mg/m3，脫硝效率由66%增至92%；由圖4(b)可知，隨著尿素溶液噴射量由40L/h 增至80L/h，NOx濃度由78mg/m3迅速降至10mg/m3，脫硝效率由71%增至96%；由圖4(c)可知，隨著尿素溶液噴射量由40L/h增至100L/h，NOx濃度由60mg/m3迅速降至10mg/m3，脫硝效率由77%增至96%。上述結(jié)果表明，隨著尿素溶液噴射量的增加，NOx濃度迅速降低，脫硝效率迅速增大。

根據(jù)尿素溶液脫硝反應(yīng)機理[15]，得到主要反應(yīng)方程式如式(2)～式(4)。

表1 煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)

圖4 不同尿素溶液噴射量下SNCR脫硝效果

隨著尿素溶液噴射量的增大氨氮比增大，噴入爐膛的尿素量增加，加快了尿素分解反應(yīng)式(2)的進行，生成的NH3濃度增大，從反應(yīng)平衡的角度，提高NH3的濃度會使得反應(yīng)式(3)和式(4)的平衡向右移動，NOx還原率增加；從反應(yīng)動力學(xué)的角度，提高NH3的濃度會加快反應(yīng)式(3)和式(4)的速度，從而獲得很高的脫硝效率。但氨氮比過高，未反應(yīng)的NH3存在于煙氣中，必然會造成氨逃逸量過大，還會增大脫硝成本，為減少氨逃逸及節(jié)省成本，尿素溶液噴射量不宜過大。由圖4 可知，20%濃度、45L/h 噴射量時，NOx濃度為40mg/m3，脫硝效率為85%，此時氨氮比為4.23；15%濃度、60L/h 噴射量時，NOx濃度為35mg/m3，脫硝效率為87%，此時氨氮比為4.14；10%濃度、80L/h噴射量時，NOx濃度為30mg/m3，脫硝效率為89%，此時氨氮比為3.6。以上都能滿足NOx低于50mg/m3的排放要求，且尿素溶液噴射量較為適宜。

4.3 不同氧含量下脫硝效果

在80%鍋爐負荷下對不同氧含量下的脫硝效果進行研究，試驗過程中噴射區(qū)溫度在850～950℃，圖5為不同氧含量下SNCR脫硝效果。

圖5 不同氧含量下SNCR脫硝效果

由圖5(a)可知，氧含量在4.74%以下，10%、15%、20%三種濃度尿素溶液噴射后，NOx濃度分別 在39mg/m3、41mg/m3、44mg/m3以 下，均 低 于50mg/m3的超低排放要求；氧含量大于4.74%后NOx濃度大于50mg/m3。圖5(b)表明3種濃度尿素溶液噴射下的脫硝效率均在80%以上，且隨著氧濃度的增加脫硝效率出現(xiàn)下降趨勢。脫硝效率下降主要是因為隨著氧含量的增加NOx初始值迅速增大。由圖3可知，氧含量為4.74%時，NOx濃度高達305mg/m3，已經(jīng)超過了運行過程中NOx濃度的波動上限。因此，在80%鍋爐負荷運行時，3種濃度尿素溶液均能達到50mg/m3以下的脫硝效果。

不同氧含量下3 種濃度尿素溶液脫硝效果表明，10%濃度、80L/h 工況下NOx濃度最低、脫硝效率最高，15%濃度、60L/h 工況下次之，20%濃度、45L/h工況下效果最差。且氧含量為4.74%時，20%、45L/h，15%、60L/h，10%、80L/h 三種濃度尿素溶液脫硝的氨氮比依次為3.65、3.59、3.22，10%、80L/h 尿素溶液以最小的氨氮比獲得了最佳脫硝效果。出現(xiàn)上述現(xiàn)象應(yīng)是噴射量大所導(dǎo)致，隨著尿素溶液濃度減小，尿素溶液噴射量增大，噴槍噴射壓力增大，使霧化液滴顆粒更細，同時更高的噴射壓力也給尿素溶液提供了更大的噴射動量，噴入爐膛后能更加快速、充分的與煙氣混合，從而增大了還原劑與NO 接觸并反應(yīng)的機率，脫硝效率提高[16]。

在80%鍋爐負荷試驗工況下，尿素溶液的噴射會一定程度地造成爐膛煙氣溫度的下降，降低鍋爐熱效率，但80L/h尿素溶液噴射量對鍋爐熱效率的影響小于0.66%，60L/h、45L/h 尿素溶液噴射量對鍋爐熱效率的影響會更小，SNCR 脫硝不會影響鍋爐的正常運行。

4.4 不同鍋爐負荷下NOx濃度

在工業(yè)生產(chǎn)中，需要根據(jù)生產(chǎn)需要調(diào)節(jié)鍋爐負荷，圖6 表示不同鍋爐負荷下NOx、CO 和爐膛溫度。

由圖6(a)可知，在不同鍋爐負荷下，CO 濃度均低于2000mg/m3，達到了很好的燃燒效果。圖6(b)表明，隨著鍋爐負荷的增大，爐膛溫度快速升高，NOx初始值隨著鍋爐負荷的增大明顯升高。鍋爐負荷在36%時，NOx濃度為164mg/m3，處于較低的排放水平，主要是因為，鍋爐負荷低時煤粉耗量少，入爐燃料總氮相對較少，燃料型NOx生成量少；同時低負荷時燃燒器溫度較低，很大程度上抑制了熱力型NOx的生成。隨著鍋爐負荷增大，煤粉耗量增大，入爐燃料總氮量增加，燃料型NOx的生成量增大，且負荷增大時燃燒溫度升高，很大程度上促進了熱力型NOx的生成，因此NOx排放總量增大[4]。

4.5 不同鍋爐負荷下脫硝效果

采用3種濃度尿素溶液對不同鍋爐負荷下的脫硝效果進行研究，SNCR脫硝效果如圖7所示。

由圖7 可知，3 種濃度尿素溶液噴射下，不同鍋爐負荷下的NOx排放濃度均低于50mg/m3，脫硝效率均大于80%，且隨著鍋爐負荷的降低，NOx濃度減小，脫硝效率增大。3種濃度尿素溶液脫硝效果對比發(fā)現(xiàn)，10%濃度、80L/h 尿素溶液噴射下的NOx濃度最小，脫硝效率最大，變化趨勢與上文討論相同，尿素溶液噴射量的增大有利于增強脫硝效果。

圖6 不同鍋爐負荷下NOx與CO含量、爐膛溫度的關(guān)系

圖7 不同鍋爐負荷下SNCR脫硝效果

5 結(jié)論

（1）80%鍋爐負荷下，隨著尿素溶液噴射量的增大，NOx濃度減小，脫硝效率增大。20%濃度、45L/h 噴射量時，NOx濃度為40mg/m3，脫硝效率為85%；15%濃度、60L/h 噴射量時，NOx濃度為35mg/m3，脫硝效率為87%；10%濃度、80L/h噴射量時NOx濃度為30mg/m3，脫硝效率為89%；均可滿足NOx低于50 mg/m3的排放要求。

（2）80%鍋爐負荷下，不同氧含量下SNCR 脫硝均能達到超低排放要求，SNCR 脫硝效率均在80%以上，且隨著氧含量的增加脫硝效率出現(xiàn)下降趨勢。10%濃度、80L/h 工況下NOx濃度最低、脫硝效率最高，且氧含量為4.74%時，20%、45L/h，15%、60L/h，10%、80L/h 三種濃度尿素溶液脫硝氨氮比依次為3.65、3.59、3.22，10%、80L/h 尿素溶液以最小的氨氮比獲得了最佳脫硝效果。提高尿素溶液噴射量可增強霧化效果，強化尿素溶液與煙氣的混合程度，在最少尿素耗量下得到最大的脫硝效果。

（3）三種濃度尿素溶液噴射下，不同鍋爐負荷下的NOx排放濃度均低于50mg/m3，脫硝效率均大于80%，且隨著鍋爐負荷的降低，NOx濃度減小，脫硝效率增大。

（4）提出的“低NOx燃燒+SNCR脫硝”耦合技術(shù)方案是可行的，在低NOx燃燒的基礎(chǔ)上，不同試驗工況下SNCR脫硝效率均可達到80%以上，完全能夠達到煙氣中NOx低于50mg/m3的超低排放要求。