热态燃烧装置炉内温度和组分分布及SNCR脱硝实验研究

葛 健，李静婷，刘 辉，刘沛奇，吴少华

(1.中国机械设备工程股份有限公司，北京 100055;2.中国石油天然气管道局，河北 廊坊 065000;3.哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引言

SNCR技术是一种经济实用的NOx脱除技术，20世纪70年代中期首先在日本的燃气、燃油电厂中得到应用，并逐步推广到欧盟和美国。到目前为止，世界上燃煤电厂SNCR工艺的总装机容量大约在2 GW以上［1］。SNCR脱硝反应存在“温度窗口”，在较低的温度下，反应速率非常慢，造成大量氨的漏失。在高温情况下，氨氧化生成附加的NOX。对于氨来说理想的温度是850～1 050℃，对于尿素来说理想的温度范围是900～1 100℃。氨氮化学当量比对SNCR脱硝效率影响较大，提高n(NH3)/n(NO)摩尔比可以提高脱硝效率，但氨逃逸增加。

在热态燃烧试验装置(CRF)上进行SNCR脱硝实验，首先测量CRF炉膛内的温度场分布，以确定还原剂的喷入位置，进而研究温度对该过程的影响。同时测量了CRF炉内的O2、CO和NO分布，分析NO、CO、O2等组分与还原剂的相互作用过程，试验结果为SNCR的工业化应用提供借鉴。

1 试验装置

1.1 选择性非催化过程脱硝试验装置

该实验装置由热态燃烧试验装置(CRF)(见图1)、还原剂喷射系统、测温设备、烟气成分测量设备等部分组成。其中CRF是一个中试规模的试验台，可模拟电站锅炉炉膛内的燃烧状况，来研究温度、流动、结焦、污染物排放等过程。

图1 SNCR脱硝试验系统图Fig.1 Experiment System of SNCR Process

1.2 抽气热电偶

在CRF每一层都有温度测点，采用B型热电偶测量炉膛温度。但是采用普通热电偶直接测量烟气温度，则会受到温度较低的炉壁的影响。热电偶工作端与低温壁面间产生热辐射，结果使所测温度偏低。SNCR过程对温度的变化十分敏感，所以要采用抽气式热电偶对普通热电偶的测量值进行修正［2］。

图2 抽气热电偶结构示意图Fig.2 Scheme of Gas－ Extraction Thermocouple

图3 温度场测点图Fig.3 Scheme of Temperature Field Test

1.3 水冷取样枪

在CRF侧孔插入取样枪，由于为水冷取样枪，烟气进入枪内，温度急剧冷却，各种组分间的反应立刻停止。所以能够保证测量该点的真实烟气成分。炉膛截面测点的选择与温度场的测点相同。

图4 水冷取样枪Fig.4 Water－ Cooled Sampling Gun

2 试验结果及分析

2.1 CRF温度场测量结果及分析

由图5可以看出，M4炉膛中间截面的中心处烟气温度较高，越接近边壁烟气温度越低。尤其从距离炉膛中心150 mm处到距离炉膛中心200 mm处，烟气温度降低较快。说明该部分受M1、M2和M3炉膛产生的高温烟气影响还比较大，在炉膛径向上烟气温度梯度也较大。M5中间截面从炉膛中心到距炉膛中心150 mm处温度梯度较小，说明在M5燃烧已基本完成，烟气温度分布也已经比较均匀了。对于SNCR过程而言，适合反应的“温度窗口”较为狭窄，在实际工业应用中还原剂多是以液体的形式，通过雾化喷嘴将还原剂喷入到高温炉膛中。M4炉膛中间截面的温度虽然也适宜SNCR，但考虑到还原剂在炉内有一定的运行距离与烟气混合发生还原反应，所以在M5炉膛中间截面喷入更加适合SNCR过程。

图5 CRF炉内温度分布Fig.5 Distribution of Temperature in CRF

2.2 CRF不同炉膛中间截面O2浓度分布

由图6可以看出，在炉膛中心处，M1的氧浓度最低，M2的氧浓度略高于M1，M3和M4的氧浓度基本相等但高于M2，M5的氧浓度最高。在M1炉膛中心，煤粉浓度较高并且燃烧进行的还相当不充分。较高的煤粉浓度消耗大量的氧气，造成该处较低的氧气浓度。在M2炉膛中心，炉膛内的燃烧已经进行到了中间阶段。煤粉已经被大量的燃烧，相对于该处的煤粉含碳量，O2已经有了一定的剩余，O2浓度也就有所提高了。在M3炉膛中心，燃烧反应已进入尾声，煤粉中的大部分碳已经与O2反应生成CO2和CO，所以该处O2浓度相比于M2炉膛中心截面又有所提高。在M4炉膛中间截面的中心，燃烧已经基本完成，O2浓度与M3炉膛中心相差不大。在M5炉膛中间截面的中心，燃烧已经完全完成，整个截面上每种组分的分布已经比较均匀，所以在此位置O2浓度较M4又有所提高。

O2既可以参加还原剂和NO的还原反应，又会直接将NH3氧化成NO，所以O2量的变化可能会对脱硝效率产生影响。Alzueta［3］等人通过机理试验发现NO最大的脱除效率是在O2含量0.5%到1%之间发生的，继续增加O2量对脱硝效率没有影响。只有M1炉膛中间截面的中心点位置O2浓度在0.5%以下，但考虑到此时温度已不适合SNCR过程，所以在M5炉膛中间截面喷入还原剂O2含量对试验结果不会发生影响。

2.3 CRF不同炉膛中间截面CO浓度分布

图6 不同炉膛截面O2浓度分布Fig.6 Distribution of O2Concentration in Different Section

很多学者研究发现，在SNCR过程中OH的产生对于整个还原NO的反应非常关键［4－9］。CO既可以与OH反应生成CO2和H2O，又可以与HO2发生反应生产OH，所以了解炉内CO的分布情况，对于深入研究SNCR过程中各组分的作用规律非常有意义。

图7 不同炉膛截面CO浓度分布Fig.7 Distribution of CO Concentration in Different Section

从图7可以看出，在M1炉膛中间截面由于燃烧刚开始，燃料浓度很高，CO大量生成。在M2炉膛中间截面，燃烧仍很剧烈，但已有一定量的CO被氧化成了CO2。到了M3炉膛中间截面，大部分燃烧已完成，在M2炉膛生成的CO又被大量消耗。在M4炉膛中间截面燃烧已基本完成，CO浓度进一步减少。在M5炉膛中间截面，燃烧已基本全部完成，CO浓度值沿炉膛径向分布均匀，CO浓度也基本达到了比较稳定的值。

由于M4、M5炉膛燃烧过程已经基本完成，炉膛内的CO的生成和氧化过程已经接近尾声，所以在M5炉膛中间截面喷入还原剂由于CO存在对SNCR过程造成的影响已经很小了。

2.4 CRF不同炉膛中间截面NO浓度分布

由图8可以看出，在M1炉膛中间截面的中心处，NO浓度很低。M1炉膛处于富燃料状态下，产生大量的 CHi可以大量的还原生成 NO［10－13］，而且较高的CO浓度会较大的抑制NO的生成，所以即使该处有较高的温度，但是NO浓度仍然比较低。在M2炉膛中间截面，虽然还处于燃烧阶段，但在此处O2量已比较充足所以NO大量生成。自M2中间截面沿炉膛轴向向下，NO的生成和还原还在大量进行。到了M5中间截面燃烧已基本完全结束，NO分布也比较均匀了。

从图8可以看出，M4和M5炉膛NO的生成和还原已基本完成，NO在炉内的分布也较为均匀了，有利于从M5炉膛中间截面喷入还原剂进行SNCR反应。

图8 不同炉膛截面的NO浓度分布Fig.8 Distribution of NO Concentration in Different Section

2.5 以氨水为还原剂的SNCR试验

SNCR试验是通过两相流喷嘴，在M5炉膛中间截面将还原剂喷入到CRF炉内。试验所使用氨水的浓度为10%。从图9可以看出，喷入点温度为800℃时脱硝效率最低，870℃时其次，在850℃喷入时脱硝效率最高。在喷入点温度较低的情况下，还原剂与NO的反应速度很慢，而在CRF炉膛中停留时间有限，所以脱硝效率不高。在温度较高点喷入，氨的分解、氧化过程加剧，能参与到NO还原反应的还原剂的量变少，脱硝效果变差。

从图9可以看出随着n(NH3)/n(NO)摩尔比的增加，脱硝效率逐渐提高。n(NH3)/n(NO)摩尔比在1到2.0之间变化时，脱硝效率增加明显，因为还原剂的浓度增加，会使反应进行的更加充分，而且较多还原剂的喷入会使还原剂还原NO的几率增大，提高脱硝效率。当n(NH3)/n(NO)摩尔比在2.0到2.5之间变化时，n(NH)/n(NO)摩尔比对脱硝效率的影响变小了。因为随着n(NH3)/n(NO)摩尔比的增加，反应逐渐趋于饱和，未反应的NO很少，反应变得越来越困难。而且SNCR过程本身也有还原剂被氧化成NO的可能，未与氮氧化物反应的还原剂很可能在比较高的温度下氧化成NO，所以化学当量比增加到一定程度后脱硝效果的增加就不明显了。

图9 使用氨水的SNCR试验Fig.9 SNCR experiment by using ammonia

以氨水为还原剂的SNCR试验效率较高，试验结果也与理论结果接近，说明炉内温度、组分测量较为准确，其测量结果为SNCR试验提供了所需的初始数据。

3 结论

(1)通过水冷取样枪和抽气热电偶可以测量CRF炉内的温度场和O2、CO和NO分布，测量结果可以为SNCR试验提供初始的炉内数据。

(2)通过炉内温度场和组分的测量表明，M5炉膛中间截面燃烧已经基本完成，温度分布较为均匀，O2、CO和NO浓度分布也趋于均匀，适合还原剂喷入。

(3)采用氨水的SNCR试验表明，在850℃喷入时脱硝效率最高，n(NH3)/n(NO)摩尔比在1到2.0之间变化时，脱硝效率增加明显，继续增加n(NH3)/n(NO)摩尔比脱硝效率增加变小。以氨水为还原剂的脱硝试验表明炉内温度场及组分测量较为准确，炉内温度场和组分测量结果可以为SNCR工业化过程提供借鉴和理论指导。

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