1脫硝效率影響因素分析
還原劑種類、反應溫度、反應時間、還原劑混合、氨氮比是影響循環(huán)流化床鍋爐SNCR脫硝效率的重要因素。因此從這4個方面探討對SNCR脫硝效率的影響。
SNCR脫硝系統(tǒng)的反應條件是溫度880～1100℃之間，反應時間大于0.4s。分離器區(qū)域煙氣溫度在850～950℃之間，區(qū)域內(nèi)溫度基本保持不變。經(jīng)過實測和流場計算，煙氣在分離器的平均滯留時間大于1s，超過反應停留時間0.6s，具備充分反應的條件，因此循環(huán)流化床鍋爐旋風分離器進口煙道是最合適的還原劑注射點。氨氮比與氨逃逸量是正比關系，即氨氮比增大時，脫硝效率提高，但氨逃逸量增大，并且脫硝效率的提高速率隨氨氮比的增大而降低，因此提高氨氮比并不能從根本上解決SNCR脫硝效率偏低的問題。以下重點分析不同還原劑對脫硝效率及爐效的影響。
2SNCR脫硝還原劑分析
脫硝的還原劑均是含氮的物質，目前廣泛的有液氨、氨水、尿素3種。
液氨，分子式NH3，易溶于水，爆炸極限為16%～25%，有毒，對人體有腐蝕性，應存儲在專用庫房，大量存放需要獲得安監(jiān)和門許可。作為還原劑優(yōu)點:以氣體形式噴入，對爐后煙氣流速和排煙溫度影響最小，不會產(chǎn)生濕壁現(xiàn)象，對澆筑料無損傷;以液體的形式儲存，占用體積小。缺點:有毒、可燃、可爆，存儲和使用安全防護高，存儲罐和輸運管道需要特別處理。
氨水即氨的水溶液，分子式NH3˙H2O，容易揮發(fā)逸出，有一定的毒性。其腐蝕性較強，儲運、使用時有一定的操作安全要求，工業(yè)用氨水通常為20%或25%濃度。作為還原劑優(yōu)點:儲存、輸送和處理都比液氨簡單;噴射剛性、穿透能力比氨氣強。缺點:含有大量的稀釋水，儲運量和輸送系統(tǒng)比氨系統(tǒng)龐大。氨水還原NO的化學原理與液氨相同。
尿素，分子式(NH4)2CO，吸濕性強，含氮量在46%以上，常壓下熔點為132.6℃，超過熔點則分解。作為還原劑優(yōu)點:無毒性，腐蝕性弱，儲運方便，使用簡單，不會燃燒和爆炸;溶液的揮發(fā)性比氨水小，穿透性好;合適溫度范圍是950～1150℃，適于煤粉鍋爐脫硝系統(tǒng)使用。缺點:尿素水解的中間產(chǎn)物尿素—甲銨溶液具有很強的腐蝕性，對大多數(shù)金屬有強烈腐蝕作用;脫硝反應溫度窗口(脫硝適合的反應區(qū)溫度)比氨水高50～100℃。
3還原劑對SNCR脫硝效率的影響
以氨為還原劑的反應表達式如下:
在有氧的條件下4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O在無氧(或者缺氧)的條件下8NH3+6NO2→7N2+12H2O該反應沒有產(chǎn)生副產(chǎn)物，對氧氣量的需求較大，循環(huán)流化床鍋爐出口的過量空氣系數(shù)為1.2左右，可以滿足該反應條件要求。以尿素為還原劑的反應如下:(NH4)2C0→2NH2+CONH2+NO→N2+H2OCO+NO→N2+CO2此反應存在CO和氨的排放控制問題。不同還原劑對應不同溫度窗口，SNCR脫硝效率對反應溫度非常敏感，當反應偏離溫度窗口，反應速度慢，還原劑的逃逸量增加，降低脫硝效率。國外試驗表明，溫度區(qū)間位于800～950℃之間時，選用液氨或氨水脫硝效率要高于尿素;1000℃以上是尿素的溫度窗口，此時尿素的脫硝效率高于氨。
循環(huán)流化床鍋爐旋風分離器進口煙道的煙氣溫度在800～950℃之間，氨(氨水)作為還原劑，理論脫硝效率可以達到85%。尿素溶液含水量大，通常經(jīng)歷液滴蒸發(fā)、破碎、高溫熱解生成氨氣，完成還原反應過程，這些過程增加反應周期，縮短有效反應時間。氨水含水量也大，系統(tǒng)噴射的液滴經(jīng)過蒸發(fā)釋放氨和還原反應過程。氨系統(tǒng)直接向分離器噴射稀釋后的氨氣，氣態(tài)的氨直接參加還原反應。
從反應過程看，流化床鍋爐運行條件下，液氨系統(tǒng)有效反應時間最短，氨水系統(tǒng)次之，尿素系統(tǒng)最差。
4還原劑對燃燒效率的影響
1)氨逃逸。因參與反應的過程不同，相同“N”量噴入的情況下，氨逃逸量依次是尿素系統(tǒng)、氨水系統(tǒng)、液氨系統(tǒng)。液氨作為還原劑，在獲得較高脫硝效率的前提下，對后續(xù)鍋爐設備的影響最小，降低尾部受熱面的飛灰沉積堵塞及腐蝕幾率。
2)排煙溫度的影響。采用液氨作為還原劑的工藝，還原劑NH3由氨供應系統(tǒng)提供至反應區(qū)域的混合器中，與稀釋空氣混合并被稀釋至安全濃度(5%體積濃度以下)后，通過氨注射管道噴入旋風分離器的入口煙道中。還原劑NH3噴入爐膛后，就直接選擇性地脫除了煙氣中的NOx。經(jīng)計算，噴入氨空氣混合氣體約為5000m3/h，占鍋爐總煙氣量的0.4%，對鍋爐排煙溫度的影響可以忽略不計。
采用氨水方案，氨水霧化后，進入爐膛后被迅速加熱形成氨氣，與煙氣中的NOx發(fā)生反應。SNCR脫硝向爐內(nèi)噴入濃度約為20%左右的氨水溶液，在99%BMCR時噴入溶液量約為3.5t/h。經(jīng)鍋爐性能計算，排煙溫度溫升約為0.8℃。
采用尿素方案與此相似，噴入鍋爐的尿素溶液濃度為10%左右，在99%BMCR時噴入溶液量約為5t/h。經(jīng)過鍋爐性能計算，排煙溫度溫升約為1.1℃。
3)對鍋爐效率的影響。采用液氨方案是向煙氣噴入氨空氣混合氣體，考慮干空氣的焓增和噴入空氣中水分的蒸發(fā)吸熱，鍋爐排煙熱損失q2有所增加，但增加的量非常小。經(jīng)過計算，對鍋爐效率的影響僅有0.02%。采用氨水或者尿素作為還原劑，q2損失隨之增加0.2%左右。
5還原劑對投資和運營的影響
CFB鍋爐在采用液氨系統(tǒng)、氨水系統(tǒng)、尿素系統(tǒng)時，其初投資成本以及運行費用不同，其中運行費用主要為還原劑費用、電耗以及水耗。
在脫硝劑的成本中，運輸成本占到了很大一部分。氨水的消耗量，但其中有效的部分只有五分之一，其余都是水，帶來了額外的運輸和儲存、運行成本。
尿素是3種還原劑中昂貴的一種。雖然尿素的售價低于液氨，但其分子中包括CO等無效組分，在達到相同脫硝要求的情況下，其消耗量遠大于液氨耗量，而且需要耗能打開化學鍵才能生成NH3。
液氨制氨工藝簡單，其系統(tǒng)初投資少，運行費用低。但儲存超過一定限值時，構成重大危險源。因此，在系統(tǒng)設計、施工和運行等方面必須遵循各種安全規(guī)范要求。
3種還原劑在SNCR脫硝方面的電耗費用基本相同，水耗費用方面尿素還原劑比液氨、氨水還原劑多15萬元左右。
通過綜合比較，選擇液氨(氨水)作為還原劑比尿素還原劑節(jié)約1249萬元。
6結論
由于循環(huán)流化床鍋爐特殊的結構形式，分離器自然條件滿足SNCR脫硝反應所需的溫度、時間及混合要求。提高氨氮比可以保證較高的脫硝效率，但并不能大幅度提高脫硝效率。因此，通過反應溫度、反應時間、氨氮比已經(jīng)無法提高循環(huán)流化床鍋爐脫硝效率。
采用液氨作為脫硝還原劑，不影響鍋爐效率，爐后設備影響小，工程投入少，運行費用低，最重要的是適合的溫度窗口使脫硝效率可達80%，滿足國家新的排放限值要求。在當?shù)卣S可下宜選用液氨作為還原劑，其次推薦氨水。
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