生物质振动炉排锅炉SNCR脱硝反应温度窗口位置确定方法研究

安忠义,江文豪,何长征

(1.中圣科技(江苏)股份有限公司,南京 211100;2. 中冶华天工程技术有限公司,南京 210019;3. 南京博沃科技发展有限公司,南京 210001)

生物质振动炉排锅炉因其独特的结构优势,近年来在生物质直燃发电领域得到了推广应用,并积累了丰富的设计和运行经验[1-7]。目前,生物质振动炉排锅炉主要采用SNCR(选择性非催化还原)脱硝技术来控制NOx排放[8-9]。对于生物质锅炉而言,其脱硝反应存在一个合适烟气温度区间,称为“温度窗口”,在温度窗口以外,脱硝效率将随烟温的偏离快速降低。

在实际运行过程中,炉内温度会随锅炉负荷、燃料来源、受热面换热效率等多种因素的变化而改变,尤其是燃料的变化,很容易导致脱硝反应的最佳温度窗口位置发生变化,甚至大幅偏离原始设计位置。此外,由于炉排周期性振动的缘故,炉内烟温与NOx生成还额外呈现分钟级别的周期性波动,加之还原剂与烟气混合的均匀性无法保证,极易造成脱硝效率受到影响,很多电厂只能依靠大幅提高氨氮摩尔比来实现NOx达标排放,这无疑是极不经济的。因此,如何获取温度窗口位置,指导脱硝系统改造或者运行调整,使得还原剂喷射位置与最佳温度窗口位置重合,提高脱硝反应效率,是相关技术人员比较关心的问题。

目前,已有学者对燃煤循环流化床锅炉和垃圾焚烧炉的SNCR温度窗口进行研究[10-11],但是对于生物质振动炉排锅炉的SNCR温度窗口还未见报道。振动炉排锅炉特有的周期性波动,导致其SNCR温度窗口很难通过现有方法来简单确定。为此,本文提出一种基于多维评价指标的生物质振动炉排锅炉SNCR温度窗口位置确定方法,并将其应用于某热电厂生物质振动炉排锅炉的测试分析,以期为SNCR喷氨改造与操作调整提供依据,具有一定的实用意义。

1 SNCR脱硝反应温度窗口位置确定方法

1.1 温度窗口相关评价指标

对于生物质振动炉排锅炉而言,炉排的周期性振动,导致烟温也呈现明显的周期性震荡,烟温极易突破SNCR脱硝反应温度窗口限值,很难在全时段均处于脱硝反应温度区间以内。因此,单看烟温是否超限这种简易评价方案已不再适用于该类锅炉。

结合生物质振动炉排锅炉的烟温波动特征和NOx生成特性,并考虑SNCR脱硝系统的运行特点,本文提出如下几项评价指标：

1)反映烟温与温度窗口限值相对关系的指标k1

(1)

式中：ta为锅炉某一位置处连续监测烟温的平均值,℃;tlow为SNCR脱硝反应温度窗口下限,℃(缺省值为850);tup为SNCR脱硝反应温度窗口上限,℃(缺省值为1 100)。

2)反映烟温重合时率的指标k2

(2)

式中：nt为连续监测的瞬时烟温数据中处于SNCR脱硝反应温度窗口范围内的数量;N为测试期间锅炉某一位置处连续等间隔监测烟温数据的总数量。

3)反映烟温超限余量的指标k3

(3)

式中：talm为根据脱硝反应要求设定的烟温报警值,℃。

1.2 温度窗口判定准则

上述3项评价指标对应的温度窗口判定准则如表1所示。

表1 温度窗口判定准则

2 全炉膛烟气温度分布测试

2.1 锅炉概况及测试方案

某热电厂135 t/h生物质振动炉排锅炉以棉秆、树枝木片、三合板为燃料,燃用比例为 1.5∶8.0∶0.5。净化处理前的污染物浓度分别为SO2≤ 650 mg/m3、NOx≤ 260 mg/m3、粉尘≤ 13 000 mg/m3(标准状况下),为此分别设置了相应的烟气净化系统,其中脱硝系统采用SNCR脱硝技术,布置于炉膛前后拱喉口附近及其上方位置(对应于图1中的第3、4、5层测孔,共24只喷枪)。

图1 烟温测点示意图

为了获取全空间动态烟温,分别在炉内不同高度位置和不同水平截面位置进行烟温测试,测点分布如图1所示,具体信息如表2所示。

表2 烟温测孔信息

2.2 烟温测试结果

在典型负荷下,对生物质锅炉全炉膛3个区域：炉膛、燃烧室、喉部,分别进行3个、2个、1个高度位置的动态烟温连续测试,结果如图2所示。

图2 典型负荷下炉内各位置处的烟温曲线

由图2可知：

1)炉膛上部和炉膛下部的烟温明显低于其他位置,基本上都在850 ℃以下,平均温度仅770 ℃左右;而炉膛中部、喉部、燃烧室区域的烟温较高,主要分布在830 ℃～980 ℃之间。

2)烟温波动性方面,炉膛中部和喉部的烟温波动较小,烟温相对平稳;相较而言,炉膛上部、炉膛下部、燃烧室区域的烟温波动较大,尤其是炉膛上部和燃烧室下部,烟温峰谷差值已超过200 ℃。

3 SNCR脱硝反应温度窗口位置分析

在典型负荷下,根据上述6个高度位置的全炉膛烟温测试数据,对各位置处进行SNCR脱硝反应温度窗口评价指标计算,结果如表3所示。

表3 全炉膛区域不同位置处温度窗口评价指标结果

结合表1列出的判定准则和表3所示的评价指标计算结果可知,同时满足00.8、k3>0这三个条件的区域包括炉膛中部、喉部、燃烧室上部和燃烧室下部,这些位置理论上均可作为SNCR脱硝反应温度窗口可选位置。

进一步分析可知：

1)炉膛作为设计时的SNCR脱硝反应主要布置区域,整体烟温过低,且满足相关指标要求的区域范围较小(仅炉膛中部满足),导致脱硝反应区域过窄,因此炉膛不建议作为SNCR脱硝反应温度窗口位置。

2)喉部与燃烧室区域均满足烟温动态特性参数要求,且由于两区域相连,脱硝反应范围较大,比较适合作为SNCR脱硝反应温度窗口的实际布置区域。实际上,将燃烧室与喉部区域设为温度窗口位置具有显著优点,包括：整体烟温高,可明显提高SNCR脱硝反应速率;燃烧室位于锅炉底部,使得还原剂与烟气的混合时间点提前,有利于增加脱硝反应时间;燃烧室内气流扰动很大,可改善还原剂与烟气的混合效果,提高脱硝反应效率。因此,建议将该锅炉的SNCR脱硝反应的喷枪位置调整至喉部区域和燃烧室区域。

4 结语

对于生物质振动炉排锅炉而言,由于燃料特性复杂多变与炉排周期性振动等原因,炉内烟温及其分布会发生明显改变和周期性波动,进而使得脱硝反应温度窗口的实际位置出现大幅移动,因此有必要对SNCR脱硝反应温度窗口进行追踪与更新。

本文从脱硝反应烟温区间的需求出发,结合生物质振动炉排锅炉的烟温分布数据特征,构建了一套SNCR温度窗口位置的评价指标,给出了相应的评判准则,并将其应用于某热电厂生物质振动炉排锅炉的测试分析,结果可为该锅炉的喷氨改造提供实质性依据。此外,本文方法还可用于生物质振动炉排锅炉烟气脱硝系统的在线诊断,实时获取温度窗口动态位置,进而为运行调整提供在线指导,具有较好的实用价值。