添加剂提高炉内SNCR中温脱硝效率的研究

张林(先正达南通作物保护有限公司，江苏 南通 226000)

0 引言

选择性非催化还原(SNCR)技术作为一种简单经济的NOx控制技术，建设周期短且改造相对容易，适用于我国新建锅炉及现有锅炉改造。由于SNCR技术要求的温度较高且对温度条件较为敏感，当锅炉低负荷运行时，还原剂喷射区域的温度范围偏离了SNCR最佳的脱硝温度窗口，脱硝效率明显下降，使其不能满足NOX排放标准。因此，改善中温条件下SNCR脱硝效率是SNCR技术向中小锅炉推广的关键问题之一。研究表明在SNCR反应系统中加入少量的添加剂能够显著的影响SNCR反应特性，改变其温度窗口，并对氨泄漏、N2O、CO等二次污染物的排放也有一定的影响[1-5]。文章在已有的CFB中试燃煤试验装置上进行气体添加剂提高SNCR中温脱硝效率试验研究，考察不同气体添加剂(甲烷和丙烷)在不同反应温度下的SNCR脱硝效率，以期指导和优化SNCR的运行。

1 装置及试验条件

1.1 流化床煤燃烧中试试验装置

热输入功率为50 kW的循环流化床煤燃烧中试装置。整个试验装置系统由罗茨风机、气体预热器、风室、布风板、炉膛、高温旋风分离器、料腿、返料器、烟气冷却系统、布袋除尘器、引风机等组成。为进行CFB-SNCR低温添加剂脱硝试验，在炉膛上部增设了两层还原剂/添加剂喷射装置。燃烧室净高5 200 mm，分为密相区，过渡区和稀相区，外壁配有三段电加热系统，用于减少散热损失并调整炉内温度[1]。

1.2 SNCR氨气/添加剂喷射系统

在该50 kWCFB燃煤试验台上，根据正常运行时炉温分布情况，选取炉膛顶部作为氨气以及添加剂的喷入点，进行脱硝试验和添加剂效果验证。氨气与甲烷/丙烷添加剂均采用5V%的标准钢瓶气。氨气和气体添加剂在混合器中进行预混，为增大还原剂气体进入炉膛的穿透能力，采用氮气携载后喷入烟道，还原剂入炉喷射管为扁平型射流口，实现与炉内烟气良好的混合效果。为减小还原剂气体与炉膛烟气混合对验证试验结果的影响，试验中通过调整氮气流量实现每个工况还原剂喷入炉膛的射流速度相对于烟道内烟气流速为定值。烟气成分取样点位于烟气冷却器出口布袋除尘器之前的测温点。取样烟气经过特制的取样旋风分离器并过滤后，由傅里叶变换红外光谱分析仪Antaris IGS取样枪输送到分析仪预处理器，经过调压计量后进入分析仪，对烟气各组分浓度进行实时在线检测，并自动保存测试结果。整个取样管路由电加热带加热并保温至165 ℃，满足烟气分析仪的测试要求[2]。

1.3 实验工况

根据气体添加剂筛选实验结果，选用甲烷和丙烷为50 kW CFB燃煤试验台SNCR添加剂脱硝中试效果验证试验添加剂，甲烷主要用于还原剂入口烟气温度高于750 ℃的工况，而丙烷则用于还原剂入口烟气温度低于700 ℃的工况，氨氮比统一为1.5。试验工况包括：(1) 850 ℃，甲烷添加量0.2、0.4、0.6、0.8和1.0；(2)700 ℃，丙烷0.2、0.3、0.4、0.6和甲烷0.8；(3)650 ℃，丙烷0.2、0.3、0.5、0.8和1.2；(4)800 ℃，甲 烷0.2、0.4、0.6、0.8和1.0；(5)750 ℃，甲烷0.2、0.4、0.6、0.8和1.0。

2 试验结果与讨论

2.1 循环流化床中试装置运行情况

研究表明，NO的生成主要在炉膛的密相区，随着炉膛高度的增加，NO浓度逐渐下降。循环流化床中NOx的来源主要是燃料N，它们在热解过程中，首先生成NH3、HCN等气相前驱物，之后被O和OH等基团氧化为NO。密相区温度通过影响燃料N向NO的转化进而影响燃煤烟气中NOx浓度；在添加剂脱硝验证试验的各工况中，床温基本维持稳定，还原剂喷射点处烟气温度在试验工况设定的温度范围内只做小幅度波动，说明CFB燃烧运行状况已稳定，可以正常进行SNCR试验[3]。

2.2 不同温度下最佳气体添加剂的筛选

图1、图2为不同温度下NOx排放浓度和脱除效率曲线。可以看出，无气体添加剂时，温度低于750 ℃的工况中，氨气对于NOx的脱除效率不足20%。在720 ℃的添加剂脱硝效果试验中，首先进行了甲烷添加剂的效果验证，甲烷添加量为0.8时，脱硝效率仅为22%，而丙烷添加量分别为0.2、0.3、0.4、0.6时，脱硝效率均在50%左右。温度为760 ℃时，分别添加丙烷和甲烷均能使脱硝效率从20%以下提高到50%～60%。温度在800 ℃和850 ℃时，添加甲烷，脱硝效率均在60%～80%之间。温度为650 ℃时，添加丙烷，仅能使脱硝效率提高到20%[4]，主要原因在于温度是影响SNCR脱硝效率的关键因素，添加丙烷虽然在一定程度上增加了烟气中OH、O等活性基团浓度，但基元反应速率受反应温度和反应物浓度的共同影响，低温导致各基元反应速率减缓，最终导致氨气还原NO的总包反应速率下降，650 ℃时添加剂的加入对氨气还原NO的反应并未产生效果。在对烟气成分的检测中，均未检测到氨逃逸，原因在于燃煤烟气中存在粉煤灰等固体颗粒，对未反应的氨气有较强的吸附作用[4]。

2.3 气体添加剂最佳添加比的筛选

气体添加剂对SNCR脱硝过程的促进作用主要体现在添加剂在氧化过程中产生了OH、O、H等能够加速氨气转化成NH2进而还原NO的活性基团，添加效果的差异源于添加剂自身的氧化反应速率的快慢，而对于同一种添加剂，不同添加量对脱硝效率的影响也不同。图3为不同添加量对脱硝效率影响的曲线图。从图中可以看出，温度在650 ℃时，脱硝效率随丙烷添加量的增加呈现先增大后减小的趋势，最高脱硝效率仅为20%，对应的最佳丙烷添加量为0.5；随着温度的升高，添加丙烷和甲烷均可使脱硝效率从20%以下提高到50%以上；烟气温度720 ℃，丙烷添加量为0.4时，可以使脱硝效率增至58%，继续增大添加量，脱硝效率变化不大；温度为760 ℃时，甲烷最佳添加量为0.8，可以实现最佳脱硝效率60%；而温度高于800 ℃时，添加甲烷对脱硝效率促进作用不明显，甚至呈现抑制脱硝效率的趋势，这是由于高温条件下，添加剂的加入，其氧化产生的OH、O、H等活性基团的过量，加速了NH3向NH2的转化，NH2浓度得到积累，一部分转化成NH，进一步被氧化成NO，造成氨气的选择性下降，脱硝效率下降[5]。

图1 不同温度下NOx排放浓度

图2 不同温度下NOx脱除效率

图3 不同添加量下NOx脱除效率

3 结语

50kWCFB燃煤中试试验装置SNCR脱硝试验结果表明，气体添加剂对SNCR脱硝效果的促进作用显著，甲烷和丙烷分别适用于高温段(大于750 ℃)和低温段(小于750 ℃)SNCR脱硝气体添加剂。在烟气温度为650 ℃时，丙烷最佳添加量为0.5，可实现20%的脱硝效率；720 ℃时，丙烷添加量为0.4，脱硝效率即可突破50%，在此温度甲烷添加剂对脱硝效果并未表现出明显的促进作用；烟气温度为760 ℃时，添加甲烷的最佳脱硝效率为60%，所需添加量为0.8。