生物質振動爐排鍋爐SNCR脫硝反應溫度窗口位置確定方法研究

安忠義,江文豪,何長征

(1.中圣科技(江蘇)股份有限公司,南京 211100;2. 中冶華天工程技術有限公司,南京 210019;3. 南京博沃科技發展有限公司,南京 210001)

生物質振動爐排鍋爐因其獨特的結構優勢,近年來在生物質直燃發電領域得到了推廣應用,并積累了豐富的設計和運行經驗[1-7]。目前,生物質振動爐排鍋爐主要采用SNCR(選擇性非催化還原)脫硝技術來控制NOx排放[8-9]。對于生物質鍋爐而言,其脫硝反應存在一個合適煙氣溫度區間,稱為“溫度窗口”,在溫度窗口以外,脫硝效率將隨煙溫的偏離快速降低。

在實際運行過程中,爐內溫度會隨鍋爐負荷、燃料來源、受熱面換熱效率等多種因素的變化而改變,尤其是燃料的變化,很容易導致脫硝反應的最佳溫度窗口位置發生變化,甚至大幅偏離原始設計位置。此外,由于爐排周期性振動的緣故,爐內煙溫與NOx生成還額外呈現分鐘級別的周期性波動,加之還原劑與煙氣混合的均勻性無法保證,極易造成脫硝效率受到影響,很多電廠只能依靠大幅提高氨氮摩爾比來實現NOx達標排放,這無疑是極不經濟的。因此,如何獲取溫度窗口位置,指導脫硝系統改造或者運行調整,使得還原劑噴射位置與最佳溫度窗口位置重合,提高脫硝反應效率,是相關技術人員比較關心的問題。

目前,已有學者對燃煤循環流化床鍋爐和垃圾焚燒爐的SNCR溫度窗口進行研究[10-11],但是對于生物質振動爐排鍋爐的SNCR溫度窗口還未見報道。振動爐排鍋爐特有的周期性波動,導致其SNCR溫度窗口很難通過現有方法來簡單確定。為此,本文提出一種基于多維評價指標的生物質振動爐排鍋爐SNCR溫度窗口位置確定方法,并將其應用于某熱電廠生物質振動爐排鍋爐的測試分析,以期為SNCR噴氨改造與操作調整提供依據,具有一定的實用意義。

1 SNCR脫硝反應溫度窗口位置確定方法

1.1 溫度窗口相關評價指標

對于生物質振動爐排鍋爐而言,爐排的周期性振動,導致煙溫也呈現明顯的周期性震蕩,煙溫極易突破SNCR脫硝反應溫度窗口限值,很難在全時段均處于脫硝反應溫度區間以內。因此,單看煙溫是否超限這種簡易評價方案已不再適用于該類鍋爐。

結合生物質振動爐排鍋爐的煙溫波動特征和NOx生成特性,并考慮SNCR脫硝系統的運行特點,本文提出如下幾項評價指標：

1)反映煙溫與溫度窗口限值相對關系的指標k1

(1)

式中：ta為鍋爐某一位置處連續監測煙溫的平均值,℃;tlow為SNCR脫硝反應溫度窗口下限,℃(缺省值為850);tup為SNCR脫硝反應溫度窗口上限,℃(缺省值為1 100)。

2)反映煙溫重合時率的指標k2

(2)

式中：nt為連續監測的瞬時煙溫數據中處于SNCR脫硝反應溫度窗口范圍內的數量;N為測試期間鍋爐某一位置處連續等間隔監測煙溫數據的總數量。

3)反映煙溫超限余量的指標k3

(3)

式中：talm為根據脫硝反應要求設定的煙溫報警值,℃。

1.2 溫度窗口判定準則

上述3項評價指標對應的溫度窗口判定準則如表1所示。

表1 溫度窗口判定準則

2 全爐膛煙氣溫度分布測試

2.1 鍋爐概況及測試方案

某熱電廠135 t/h生物質振動爐排鍋爐以棉稈、樹枝木片、三合板為燃料,燃用比例為 1.5∶8.0∶0.5。凈化處理前的污染物濃度分別為SO2≤ 650 mg/m3、NOx≤ 260 mg/m3、粉塵≤ 13 000 mg/m3(標準狀況下),為此分別設置了相應的煙氣凈化系統,其中脫硝系統采用SNCR脫硝技術,布置于爐膛前后拱喉口附近及其上方位置(對應于圖1中的第3、4、5層測孔,共24只噴槍)。

圖1 煙溫測點示意圖

為了獲取全空間動態煙溫,分別在爐內不同高度位置和不同水平截面位置進行煙溫測試,測點分布如圖1所示,具體信息如表2所示。

表2 煙溫測孔信息

2.2 煙溫測試結果

在典型負荷下,對生物質鍋爐全爐膛3個區域：爐膛、燃燒室、喉部,分別進行3個、2個、1個高度位置的動態煙溫連續測試,結果如圖2所示。

圖2 典型負荷下爐內各位置處的煙溫曲線

由圖2可知：

1)爐膛上部和爐膛下部的煙溫明顯低于其他位置,基本上都在850 ℃以下,平均溫度僅770 ℃左右;而爐膛中部、喉部、燃燒室區域的煙溫較高,主要分布在830 ℃～980 ℃之間。

2)煙溫波動性方面,爐膛中部和喉部的煙溫波動較小,煙溫相對平穩;相較而言,爐膛上部、爐膛下部、燃燒室區域的煙溫波動較大,尤其是爐膛上部和燃燒室下部,煙溫峰谷差值已超過200 ℃。

3 SNCR脫硝反應溫度窗口位置分析

在典型負荷下,根據上述6個高度位置的全爐膛煙溫測試數據,對各位置處進行SNCR脫硝反應溫度窗口評價指標計算,結果如表3所示。

表3 全爐膛區域不同位置處溫度窗口評價指標結果

結合表1列出的判定準則和表3所示的評價指標計算結果可知,同時滿足00.8、k3>0這三個條件的區域包括爐膛中部、喉部、燃燒室上部和燃燒室下部,這些位置理論上均可作為SNCR脫硝反應溫度窗口可選位置。

進一步分析可知：

1)爐膛作為設計時的SNCR脫硝反應主要布置區域,整體煙溫過低,且滿足相關指標要求的區域范圍較小(僅爐膛中部滿足),導致脫硝反應區域過窄,因此爐膛不建議作為SNCR脫硝反應溫度窗口位置。

2)喉部與燃燒室區域均滿足煙溫動態特性參數要求,且由于兩區域相連,脫硝反應范圍較大,比較適合作為SNCR脫硝反應溫度窗口的實際布置區域。實際上,將燃燒室與喉部區域設為溫度窗口位置具有顯著優點,包括：整體煙溫高,可明顯提高SNCR脫硝反應速率;燃燒室位于鍋爐底部,使得還原劑與煙氣的混合時間點提前,有利于增加脫硝反應時間;燃燒室內氣流擾動很大,可改善還原劑與煙氣的混合效果,提高脫硝反應效率。因此,建議將該鍋爐的SNCR脫硝反應的噴槍位置調整至喉部區域和燃燒室區域。

4 結語

對于生物質振動爐排鍋爐而言,由于燃料特性復雜多變與爐排周期性振動等原因,爐內煙溫及其分布會發生明顯改變和周期性波動,進而使得脫硝反應溫度窗口的實際位置出現大幅移動,因此有必要對SNCR脫硝反應溫度窗口進行追蹤與更新。

本文從脫硝反應煙溫區間的需求出發,結合生物質振動爐排鍋爐的煙溫分布數據特征,構建了一套SNCR溫度窗口位置的評價指標,給出了相應的評判準則,并將其應用于某熱電廠生物質振動爐排鍋爐的測試分析,結果可為該鍋爐的噴氨改造提供實質性依據。此外,本文方法還可用于生物質振動爐排鍋爐煙氣脫硝系統的在線診斷,實時獲取溫度窗口動態位置,進而為運行調整提供在線指導,具有較好的實用價值。