「CFB專刊」循環流化床噴射混合還原劑的脫硝反應試驗研究

2020-12-13 全國能源信息平臺

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隨著大氣汙染形勢日趨嚴峻，NOx排放法規日益嚴格。選擇性非催化還原技術(SNCR)是流化床鍋爐中廣泛應用的低成本煙氣脫硝技術，具有佔地面積小、無需催化劑、設施簡單等優點。但流化床負荷變化、爐內溫度改變時，SNCR狹窄的反應溫度區間(850～1 100 ℃)容易使其失效。此外，SNCR在實際鍋爐中的脫硝效率有限，僅有50%，難以滿足低負荷運行時的流化床鍋爐工況。

添加劑如氫氣、碳氫化合物和CO可以改善SNCR反應條件，但以往研究大多針對單一的添加劑，並未使用包含上述有效氣體添加劑的工業副產品，如煤氣化氣、焦爐煤氣作為整體添加劑。此類研究大多在一維反應器中進行，鮮見在具有循環物料、爐內流場相對複雜的循環流化床系統上進行相關試驗。

本文在自行搭建的循環流化床熱態試驗系統上，針對反應溫度、氨氮摩爾比、添加劑濃度、添加劑噴射位置等影響因素，對比了氨水以及合成氣與氨水構成的混合還原劑的脫硝效果。

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試驗系統

本文在自行搭建的循環流化床熱態試驗系統上進行試驗。使用的還原劑為氨水與合成氣添加劑構成的混合還原劑，合成氣的有效氣體成分參照典型工業煤氣化氣、焦爐煤氣的成分。

圖1 循環流化床試驗臺系統示意

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試驗結果

噴入合成氣的濃度是合成氣中除去N2的有效成分，分別是240×10-6和120×10-6。合成氣添加劑與氨存在很強的相互協同、促進作用。此外，添加合成氣後，氨從被氧化轉變為大量還原NOx，說明合成氣提高了氨還原劑的選擇性。實際鍋爐運行中，添加合成氣不僅能提高脫硝效率，還可以節約氨用量、降低氨逃逸，達到節省成本、延長鍋爐設備壽命的目的。

圖2 840 ℃下添加不同濃度合成氣時NOx排放量和脫硝效率隨NSR的變化

適當提高合成氣的用量將有助於脫硝反應的進行，因此噴射240×10-6合成氣的脫硝效果優於120×10-6合成氣。綜上所述，合成氣的作用一方面體現在與氨的協同、促進作用，可有效提高脫硝效率；另一方面，SNCR技術的缺點是反應溫度窗口狹窄，而合成氣的參與可以明顯拓寬SNCR的反應窗口。

圖3 搭配最佳脫硝效率NSR時，添加不同濃度合成氣的NOx排放量

在NOx過量，氨還原劑不足的情況下，合成氣的噴射位置對脫硝效率的影響不大；但當氨過量時(NSR>1.0)，將合成氣加入至煙氣管道中，能增強氨的選擇性，從而進一步降低NOx的排放量。實際鍋爐中，為保證脫硝效率，使用的氨通常是過量的，NSR=1.2～2.5，在負荷較低工況下，將合成氣噴射至溫度較低的煙氣管道中效果更好。

圖4 不同合成氣噴射位置NOx排放量隨NSR的變化

獨立噴射氨水與合成氣能達到更高的脫硝效率，在各溫度下，NOx排放量比預混低60 mg/m3左右。一方面，說明在良好運行的流化床系統上，傳質過程足夠劇烈，能快速有效混合獨立噴入的氨水、合成氣與煙氣；另一方面，獨立噴射脫硝效率更高可能是因為還原劑氨水噴入後，由於水的汽化吸熱，造成局部溫度降低，一定程度上抑制了NOx生成和氨的氧化。有學者研究表明，在SNCR反應體系中，加入水蒸氣能略微提高脫硝效率。而預混還原氣中使用的是氨氣。

圖5 合成氣添加劑與氨還原劑混合方式不同時NOx排放量

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結論

1）合成氣與氨水構成的混合還原劑可大幅提高低溫區的脫硝效率，並促使脫硝反應在較低溫度下進行。840 ℃時，脫硝效率從0提升至44%～62%。

2）在NOx過量，氨還原劑不足的情況下，合成氣的噴射位置對脫硝效率影響不大；但當氨過量時(NSR>1.0)，將合成氣噴射至分離器前溫度較低的煙氣管道中，能增強氨的選擇性，進一步降低NOx排放量。

3）獨立噴射氨水與合成氣，使其在爐內混合的脫硝效果比氨氣與合成氣預混的噴射方式好。在各溫度下，NOx排放量比預混低60 mg/m3左右。

4）合成氣添加劑與氨存在很強的相互協同、促進作用。合成氣可以提高氨還原劑的選擇性。實際鍋爐運行中，添加合成氣不僅能提高脫硝效率，還可以節約氨用量、降低氨逃逸。

引文格式

林晨,張曜,于娟,等.循環流化床噴射混合還原劑的脫硝反應試驗研究[J].潔淨煤技術，2020,26(3):114-119.

LIN Chen,ZHANG Yao,YU Juan,et al.Experimental study on denitration reaction of injecting mixed reductant in circulating fluidized bed[J].Clean Coal Technology，2020,26(3):114-119.

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精彩回顧

END

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