脱硫脱硝 解析:水泥窑炉SNCR脱硝反应机制及运行 [复制链接]

2469 0
京东
选择性非催化还原反应(SNCR)是目前我国水泥生产企业广泛采用的脱硝技术。通过将氨水、尿素等还原剂以一定速度喷入分解炉中合适的温度窗口,将烟气中的NOx还原为N2,从而降低NOx排放量。尽管几乎所有水泥生产线NOx排放浓度都能达到国家标准要求,但还原剂用量差别非常大,如国内5000t/d熟料生产线氨水用量从200-300 L/h到1800-2000 L/h不等。还原剂用量不一、出口NOx浓度差异大,这除了与窑炉燃烧产生的初始NOx水平有关外,还与SNCR自身脱硝效率有更大关系。本文针对水泥窑炉SNCR反应机制进行探讨,以求降低还原剂用量,实现SNCR的优化运行。
7 p0 ~; T; [- ?+ n; l8 V* \! K" E6 n* c9 J
; H7 s  ~% U' Y( j% d
1. 还原剂与烟气中NOx的混合效果% C+ W2 v" K# U
0 [5 l* u0 X6 j- g8 B
对于任何气相化学反应,反应物之间混合情况直接影响反应速率。沃托兰廷、伯利休斯等研究表明,在还原剂喷入位置等条件相同时,水泥生产线规模越大,SNCR脱硝效率越低;原因在于规模越小的生产线设备尺寸越小,喷入的还原剂与烟气中NOx混合情况较好,脱硝效率较高,反之,脱硝效率较低。对于规模一定的生产线,还原剂与NOx的混合问题主要表现在以下两方面。3 i8 _9 N. d% N7 Y7 ~, Z6 Z
" t) P5 ~' ]. b( @3 B: ~
第一,喷入的氨水无法及时到达分解炉中心,只能与分解炉周边烟气中的NOx发生反应。本文作者曾利用CFD对某5000t/d生产线分解炉内燃烧与分解反应进行模拟,在此基础上对还原剂喷入分解炉后的颗粒轨迹进行计算分析,结果如图1所示,其中颜色越深表明颗粒运动时间越长。
+ F, T# \! s& P+ c/ N1 H" P$ s1 s. O  N' @$ |
环保之家.JPG
$ @/ v. t. H; E
7 W3 A7 N7 ]. u# N图1 还原剂喷入分解炉后的运动轨迹5 {4 I. U8 P4 l, l* b, p
' x+ V+ X) p# z! D0 D% y4 h& {4 E& I
如图1所示,虽然还原剂以20m/s的速度喷入分解炉,但迅速被炉内大量烟气带走,无法及时与分解炉中部大量烟气接触,导致分解炉边部还原剂浓度过高,而中部还原剂浓度过低,大大降低了SNCR脱硝效率。上述现象在水泥生产企业得到证实,如有些企业氨水喷枪损坏后,喷入的氨水雾化效果变差,但由于之前喷入的氨水与烟气中NOx混合情况就比较差(如图1所示),喷枪雾化效果变差并没有引起氨水用量的显著增加;另外,增加喷枪数量理论可以获得还原剂与烟气更好的混合效果,但实际应用表明增加喷枪并没有明显降低还原剂用量。与此同时,有些企业通过将位于分解炉出口的喷枪转移到C5预热器出口,由于此处烟气中NOx分布均匀且截面积较小,从而提高了SNCR脱硝效率。
% {% P$ N* ]7 ^
& h+ ^$ Y* ^' z- G3 r第二,同一截面不同还原剂喷枪喷入位置的NOx分布不均。由于分解炉内具有喷腾、旋流等效应,导致分解炉烟气存在一定程度的分层现象,同一截面不同位置NOx浓度差异较大。应用CFD对某5000t/d生产线还原剂喷入位置的NOx浓度进行计算,结果如图2所示。
* a# P- J0 O) y" ?3 V: W
7 W( R+ c8 l* h/ C6 Y6 u2 ? 环保之家1.JPG , E: G7 ~. B. `; Z2 n
/ m0 w, N9 _1 z8 y& r8 K3 j, x/ q
图2还原剂喷入位置截面NOx体积浓度分数(%)及截面均分方法% e# L- U, ~8 r
: s1 X$ D! p! l0 r
由图2可知,NOx在同一截面的分布存在显著差异。将该截面均匀分为四等分,分别记为左前、左后、右前、右后,如图2所示。截面每部分NOx浓度平均值如表1所示。
9 Z. ^2 S. |8 t! X7 D! ~8 j
% C: @& \! z/ i8 h# R表1 还原剂喷入位置截面不同部位NOx浓度平均值
$ y( R$ A" _6 v+ u3 ^$ B" Z
位置
左前
左后
右前
右后
NOx浓度/ppm
906
968
801
950
0 q( C. ^  [) L, U3 ]
' o! Z- \, }; D3 ?/ N' Z( t% h
由表1可知,左后部分NO平均浓度最大,右前部分NO平均浓度最小,两者差别达到近170 ppm。我们对某5000t/d生产线分解炉(TDF)在还原剂喷入位置(鹅颈管出口)的实际测试表明,同一高度不同位置NOx浓度差超过了200 ppm。由于目前所有喷枪的还原剂喷入量一般相同,这使得NOx浓度较高的区域氨氮摩尔比(NSR)较低,而NOx浓度较低的区域NSR较高,从而降低了SNCR的脱硝效率。) ^1 t( o- H, ]8 Y& W) \/ _% Z* `
5 G/ `9 Q& n+ m0 I0 J
(1)CO会影响SNCR脱硝反应温度2 [$ g. ^5 V$ c8 ^& |* }

+ x  _, g9 W2 F0 w' I
/ H) B( e8 G- `, u: B$ XCO的存在显著降低了SNCR反应温度窗口,且CO浓度越高,SNCR反应温度窗口越低。当CO浓度为100 ppm时,SNCR反应最佳温度约为950℃;当CO浓度增加到1000 ppm时,SNCR反应最佳温度约为850℃;当CO浓度达到5000 ppm时,SNCR反应最佳温度只有750℃。该现象也在我国水泥生产企业得到证实。
& Q) u& F+ k; A7 K$ y* O- a2 z4 P* o+ O7 I
环保之家2.JPG ' N( o* P6 f! p2 L8 R
4 ]3 l- Z3 c0 b4 X

. t: B8 V5 s! Q* i3 s' xCO浓度对SNCR反应效率的影响
  _3 u% l6 Y8 }. N: z6 i$ q6 s6 n* K* D; Z& s7 Y/ v
(初始NOx=500ppm,还原剂为氨水,NSR=1.5)! ^: O# D& V) S# N8 ^# K7 K

3 D2 R) p7 J1 z; _( V2 g) ?(2)CO浓度会降低SNCR脱硝效率
7 b3 ]5 W% B: o5 l3 Q" ?" G) i' ]6 {0 z
诸多研究表明,NH3与NOx反应之前,必须先生成NH2;触发NH3生成NH2的反应有多个,其中最重要的是NH3与OH的反应。OH来源于燃烧后的烟气,其同时也是CO氧化的反应物。由此,NH3和CO形成了对OH的竞争关系,如下所示。
8 S; L' J$ r4 |4 `+ W/ ^5 y% R4 P  \+ ?& W1 P
NH3+OH→NH2+H2O                    (4)   ' y8 N/ z! s5 E8 [* m/ Q
6 P$ f  J1 T7 {6 E6 V$ H! U2 `
CO+OH→CO2+H                         (5)  ( ]/ l( R7 {- X0 j/ B! c# U
3 J6 U2 a& x# i$ U5 n6 I' C; |
简单来看,CO的存在会和NH3争夺OH,从而减少了NH2的生成,降低SNCR反应效率。但是,CO为什么又能降低SNCR反应温度窗口呢?这主要是由于上述反应产生的H会继续进行如下反应:
8 A9 S: E" ]  |* A7 y
1 \, }( i; J# M+ M( N, R6 pH+O2→OH+O                             ! y( |& S1 i9 x! x* H/ V8 C- V- B
$ k8 M) h3 |5 k; F3 W* F3 ?$ p
O+H2O→2OH                               S/ C# x" S1 Q. L- S' v" q

, T$ [" x: z7 {& v! d: P当O2充足时,OH含量不仅没有因为反应(5)而减少,反而因为后续的链式反应而增加;除此,反应(5)是放热反应,有利于提高局部温度。OH含量的增加和反应(5)放出的热量,使得反应(4)在较低温度下得以较快进行,所以SNCR反应温度窗口降低。然而,OH含量的增加使得整体反应速率都加快,O含量也增加,O的增加促使更多NH2发生氧化反应生成NO,从而降低了SNCR脱硝效率,这也是建设SNCR系统时需要保证还原剂喷入位置CO浓度小于300  ppm的原因。除此,由于对OH的竞争关系,NH3的喷入会增加烟气中CO的含量。7 M% X$ |& a8 L; L4 t

: e2 P/ J6 k1 g+ w/ \德国Bauverlag公司对三条使用PREPOL-MSC的分解炉进行了SNCR脱硝实验。该分解炉具有分级燃烧特点,部分燃料直接喂入窑尾烟室,以削减窑内NOx;为了增强燃烧后烟气与氧气的混合,在三次风管上方安装有扰流室,以保证完全燃烧。实验时,将氨水分别喷入分解炉三个部分,即仍处于燃烧状态的还原区域(930-990℃)、三次风管与扰流室之间的氧化区域(890℃)、扰流室与末级预热器之间的氧化区域(850-870℃)。结果表明,喷入氨水的位置越远离燃烧区域,脱硝效率越高。+ O1 E1 S) @% V9 M
) u! q" X/ a* o
(3)结论
( `, y/ {' _! a( m1 v& G# B; B# a' n% N+ r
氨水喷枪移动到C5预热器出口后,部分企业氨水用量明显减少,部分企业变化不明显,这除了与反应时间有关外,更多取决于分解炉内CO的浓度。如果分解炉CO浓度并不高,将喷枪移到C5预热器出口,SNCR脱硝效率会因为C5出口温度较低而下降;如果分解炉CO浓度较高,将喷枪移到C5预热器出口具有以下优势,一方面避免分解炉喷入位置CO含量较高而导致实际温度超过SNCR温度窗口,另一方面移动到C5出口后,CO浓度有所降低,这有利于SNCR脱硝反应的进行。来源:水泥,2018年第2期。3 J4 }  ]% n" r+ j+ {' F9 V$ U

( Q. G" U0 _( I' c6 n' ]  V6 B

© 声明:本文仅表作者或发布者个人观点,与环保之家[2TECH.CN]无关。其原创性及陈述文字、内容、数据及图片均未经证实,对本文及其全部或部分内容、图片、文字的真实性、完整性、及时性本站不作任何保证或承诺,仅做参考并自行核实。如有侵权,请联系我们处理,在此深表歉意。

举报 使用道具 回复

您需要登录后才可以回帖 登录 | 中文注册

本版积分规则

浏览过的版块

更多

客服中心

2121-416-824 周一至周五10:30-16:30
快速回复 返回顶部 返回列表
现在加入我们,拥有环保之家一站式通行证!马上 中文注册 账号登陆