李茂東，楊波，王小聰，劉桂才，馬曉茜，廖艷芬

(1. 廣州特種承壓設(shè)備檢測(cè)研究院，廣東 廣州 510100； 2. 廣東省能源高效清潔利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華南理工大學(xué))，廣東 廣州 510640)

SNCR還原劑對(duì)垃圾焚燒爐熱效率的影響

李茂東1，楊波1，王小聰1，劉桂才2，馬曉茜2，廖艷芬2

(1. 廣州特種承壓設(shè)備檢測(cè)研究院，廣東 廣州 510100； 2. 廣東省能源高效清潔利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華南理工大學(xué))，廣東 廣州 510640)

摘要：在垃圾焚燒爐中應(yīng)用選擇性非催化還原(selective non-catalytic reduction，SNCR)脫硝技術(shù)，可有效降低鍋爐的NOx排放，但還原劑溶液的噴入會(huì)影響鍋爐熱效率，且不同種類(lèi)、濃度的還原劑對(duì)鍋爐熱效率的影響不同?；阱仩t的熱平衡分析，以某750 t/d垃圾焚燒電廠為對(duì)象，分析尿素和氨水分別作為還原劑時(shí)SNCR脫硝系統(tǒng)對(duì)鍋爐效率的影響，以及系統(tǒng)設(shè)備帶來(lái)的能耗。結(jié)果表明，采用10%氨水作為還原劑時(shí)，SNCR使鍋爐效率降低0.100 1%，系統(tǒng)電耗約為21.79 kW，與尿素相比，對(duì)鍋爐效率的影響較小，SNCR系統(tǒng)設(shè)備能耗較低。

關(guān)鍵詞：垃圾焚燒爐；選擇性非催化還原；還原劑；鍋爐效率；熱平衡

隨著節(jié)能減排政策的推進(jìn)，國(guó)家對(duì)火力發(fā)電廠的NOx排放提出了新要求，垃圾焚燒爐的NOx排放要求也在不斷提高。2014年國(guó)家發(fā)布了新標(biāo)準(zhǔn)GB18485—2014《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》，代替了2001年版的標(biāo)準(zhǔn)，氮氧化物的排放限值由每日平均400 mg/m3改至250 mg/m3，由此對(duì)垃圾焚燒爐內(nèi)的煙氣脫硝技術(shù)提出了新要求。

選擇性非催化還原(selective non-catalytic reduction，SNCR)脫硝技術(shù)的原理是在一定溫度窗口內(nèi)將還原劑噴入爐膛，將煙氣中的氮氧化物還原成無(wú)害的氮?dú)夂退麄€(gè)過(guò)程不需要催化劑。SNCR脫硝技術(shù)中，一般采用尿素或氨作為還原劑，由于不采用催化劑，反應(yīng)須有較高的反應(yīng)溫度，爐膛溫度一般為850～1 100 ℃[1]。工程實(shí)例中，SNCR的脫硝效率一般在30%～75%之間[2]，是在垃圾焚燒爐中應(yīng)用較多的一種脫硝工藝。SNCR技術(shù)因?yàn)槠浣?jīng)濟(jì)適用的優(yōu)點(diǎn)，已在燃煤電站鍋爐中得到了廣泛的應(yīng)用。但從應(yīng)用情況來(lái)看，仍然存在氨分布不均、水冷壁腐蝕等問(wèn)題[3-4]，為此也采取了相應(yīng)的措施。在垃圾焚燒爐SNCR技術(shù)的研究上，J.M?ller等[5]通過(guò)生命周期的方法評(píng)價(jià)了其應(yīng)用。梁增英[1]和Liang Z[6-7]結(jié)合數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究了垃圾焚燒爐SNCR技術(shù)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。在脫硝還原劑的研究方面，已有關(guān)于燃煤電站[8]與工業(yè)鍋爐[9]的SNCR技術(shù)的研究，但是仍未有關(guān)于垃圾焚燒爐SNCR技術(shù)中脫硝還原劑選擇的研究。因此，本文針對(duì)SNCR脫硝還原劑對(duì)垃圾焚燒爐熱效率的影響進(jìn)行分析與探討。

垃圾焚燒爐SNCR工藝中多采用尿素或氨水作為還原劑，還原劑噴入爐膛必然對(duì)焚燒爐的性能產(chǎn)生一定的影響[6, 9-10]。本文基于熱平衡分析的方法，結(jié)合某750 t/d垃圾焚燒電廠，定量分析尿素和氨水兩種還原劑在SNCR脫硝系統(tǒng)中對(duì)鍋爐效率的影響以及脫硝系統(tǒng)設(shè)備帶來(lái)的電耗。

1SNCR還原劑熱平衡分析法

SNCR脫硝系統(tǒng)中，還原劑的引入將影響焚燒爐的有效利用熱量，并對(duì)煙氣含量造成一定的影響。SNCR過(guò)程中的脫硝還原反應(yīng)是一個(gè)放熱過(guò)程，但是溶液的注入會(huì)吸收大量的熱量；同時(shí)還原劑溶液的汽化和反應(yīng)生成物的產(chǎn)生導(dǎo)致排煙煙氣的容積增大，增大了焚燒爐的排煙損失，對(duì)鍋爐熱效率造成一定的影響[9]。因此，SNCR脫硝系統(tǒng)的引入主要在以下三方面影響焚燒爐的熱效率：還原劑注入爐膛吸收鍋爐燃燒熱、脫硝反應(yīng)過(guò)程放出熱量以及排煙煙氣容積增大帶來(lái)排煙損失增大。

1.1脫硝反應(yīng)放熱量

SNCR中氨水、尿素兩種還原劑與氮氧化物的反應(yīng)式(1)—(4)如下：

(1)

2CO(NH2)2+3NO2→7/2N2+2CO2+4H2O;

(2)

(3)

(4)

其中，式(1)與式(2)為尿素與煙氣中NOx的還原反應(yīng)，式(3)與式(4)為氨水與煙氣中NOx的還原反應(yīng)，兩個(gè)反應(yīng)均為放熱反應(yīng)。在實(shí)際的垃圾焚燒爐中生成的氮氧化物中，NO的體積分?jǐn)?shù)約為95%，NO2的體積分?jǐn)?shù)約為5%[1]。

尿素、氨水與煙氣中NO反應(yīng)的放熱量分別為：

式中：Qhr1、Qhr2分別為尿素、氨水與NO反應(yīng)的放熱量，kJ/h；Q1—Q4分別為反應(yīng)式(1)—(4)的反應(yīng)熱，kJ/mol；qm1、qm2分別為尿素、氨水的溶質(zhì)質(zhì)量流量，kg/h。Q1—Q4可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)生成焓得到，分別為 1 447.54 kJ/mol、1 185.12 kJ/mol、1 627.52 kJ/mol、1 231.06 kJ/mol。

SNCR脫硝反應(yīng)放熱量對(duì)焚燒爐熱效率的變化值

(7)

式中：Qhr為尿素或氨水溶液在脫硝反應(yīng)過(guò)程中的放熱量，kJ/h；Qnet為焚燒垃圾的低位熱值，kJ/kg；B為燃料消耗量，kg/h；負(fù)號(hào)表示放熱時(shí)熱效率增大。

1.2還原劑溶液吸熱量

在SNCR脫硝系統(tǒng)中，還原劑溶液注入焚燒爐膛中，吸收爐膛中垃圾焚燒的產(chǎn)熱。假設(shè)在SNCR脫硝的還原反應(yīng)是在還原劑溶液達(dá)到排煙溫度后進(jìn)行的，則還原劑溶液的吸熱量可分為溶質(zhì)的吸熱量和溶劑水的吸熱量。還原劑溶液注入爐膛的吸熱量

(8)

(9)

(10)

其中：Qha,w為還原劑溶液中水的吸熱量，kJ/h；Qha,s為還原劑溶液中溶質(zhì)(尿素或氨水)的吸熱量，kJ/h；qw、qs分別為水和溶質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/h；hpy、h0分別為排煙溫度和常溫下水的比焓，kJ/kg；Qhs為溶液析出還原劑過(guò)程的吸熱量，kJ/kg；tpy、t0分別為排煙溫度和常溫，℃；cp為尿素在t0～tpy溫度區(qū)間內(nèi)的平均定壓比熱容，kJ/(kg·℃)。

注入的還原劑溶液升溫吸熱造成的焚燒爐熱效率降低值

(11)

1.3排煙焓增大

SNCR中在垃圾焚燒爐中注入的還原劑同時(shí)還會(huì)影響到焚燒爐的排煙熱損失。鍋爐的排煙焓的計(jì)算式為[9]

(12)

其中

(13)

(14)

(15)

式中：ΔVw、ΔVN和ΔVC分別為引入SNCR后煙氣中水、氮?dú)狻⒍趸俭w積的增加值，m3/kg；

對(duì)于尿素溶液，

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

式中：vw、vN和vC分別為排煙中水蒸氣、氮?dú)夂投趸嫉谋热?，m3/kg。

排煙熱損失帶來(lái)的焚燒爐熱效率的降低值Δηp

(19)

式中，q4為焚燒爐的燃料未完全燃燒熱損失。

假設(shè)SNCR脫硝系統(tǒng)的引入不影響焚燒爐的固體不完全燃燒熱損失、氣體不完全燃燒熱損失、散熱損失、其他熱損失，則SNCR脫硝系統(tǒng)的引入導(dǎo)致焚燒爐熱效率的降低值

(20)

2垃圾焚燒爐實(shí)例分析

本文選擇廣東省內(nèi)某750 t/d垃圾焚燒電廠作為研究對(duì)象，該電廠的部分設(shè)計(jì)指標(biāo)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1某750 t/d垃圾焚燒爐技術(shù)參數(shù)

參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值日處理垃圾能力/(t·d-1)750鍋爐給水溫度/℃130額定蒸發(fā)量/(t·h-1)62.5大氣環(huán)境溫度/℃25主蒸汽壓力/MPa4.1排煙溫度/℃190額定設(shè)計(jì)蒸汽溫度/℃400垃圾低位發(fā)熱量/(kJ·kg-1)6800

該垃圾焚燒電廠采用的還原劑為25%濃度(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以下有關(guān)還原劑濃度均指質(zhì)量分?jǐn)?shù))氨水經(jīng)稀釋而成的10%氨水，為綜合分析SNCR還原劑對(duì)鍋爐熱效率的影響，本文以氨水和尿素兩種還原劑作為研究對(duì)象進(jìn)行對(duì)比分析。SNCR脫硝還原劑的消耗包含兩部分：脫硝反應(yīng)消耗部分和未反應(yīng)隨煙氣排出部分。經(jīng)過(guò)脫硝還原反應(yīng)的化學(xué)式配比計(jì)算，可獲得尿素和氨水溶質(zhì)的消耗量分別為21.70 kg/h和12.17 kg/h，其中脫硝反應(yīng)消耗部分分別為19.20 kg/h和10.75 kg/h。

(7)不銹鋼板。不銹鋼板，用于防銹、防腐蝕、防磁化，可選的牌號(hào)較多，選擇時(shí)要考慮焊接性能強(qiáng)的鋼板。由于不銹鋼板價(jià)格偏高，應(yīng)在必要部位使用。對(duì)于選煤廠的磁選機(jī)溜槽等對(duì)磁性有特殊要求的部位可以考慮鋪設(shè)該襯板，由于空間限制，要求溜槽角度較低的部位鋪設(shè)該襯板效果良好。

2.1脫硝反應(yīng)放熱

脫硝反應(yīng)過(guò)程放熱量見(jiàn)表2。

表2脫硝反應(yīng)帶來(lái)的鍋爐效率變化值

項(xiàng)目10%尿素10%氨水還原劑溶質(zhì)流量/(kg·h-1)19.2010.75與NO反應(yīng)熱/(kJ·moL-1)1447.541627.52與NO2反應(yīng)熱/(kg·moL-1)1185.121231.06反應(yīng)放熱量/(kJ·h-1)229524.3254218.3Δηr/%-0.1164-0.1289

由表2可看出，雖然尿素的流量較大，但在脫硝的反應(yīng)方程式中，在脫除等量NOx時(shí)，氨與NOx反應(yīng)放熱量較大，在爐膛中反應(yīng)放熱較多。

2.2還原劑溶液吸熱

為便于比較尿素、氨水兩種還原劑，還原劑溶液的初始溫度都定為20 ℃，垃圾焚燒爐的排煙溫度均為190 ℃。根據(jù)常見(jiàn)物質(zhì)的熱力性質(zhì)表，20 ℃、190 ℃時(shí)水的比焓分別為84.01 kJ/kg和2 875.48 kJ/kg；假設(shè)尿素在140 ℃時(shí)汽化，20～140 ℃汽化過(guò)程中的吸熱量為4 162.5 kJ/kg，140～190 ℃的平均定壓比熱容為2.08 kJ/(kg·K)；氨在20 ℃下的汽化吸熱量為1 336.97 kJ/kg，20～190 ℃的平均定壓比熱容為2.234 kJ/(kg·K)。根據(jù)式(8)—(11)即可得出還原劑溶液注入爐膛的吸熱量及其帶來(lái)的焚燒爐熱效率變化，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3還原劑溶液吸熱帶來(lái)的鍋爐效率變化值

項(xiàng)目10%尿素10%氨水還原劑溶液中水的流量/(kg·h-1)195.29109.51還原劑溶液中水吸熱量/(kJ·h-1)573219350863還原劑溶質(zhì)流量/(kg·h-1)21.7012.17還原劑溶質(zhì)吸熱量/(kJ·h-1)9258921253溶液總吸熱量/(kJ·h-1)665808372116Δηa/%0.33760.1887

由表3可知，還原劑溶液中水吸收的熱量占溶液吸熱量的絕大部分，由于氨水作為還原劑時(shí)消耗的溶液質(zhì)量流量較小，溶液中水的質(zhì)量流量相應(yīng)較小，所吸收的熱量也較少，對(duì)焚燒爐熱效率的影響也因此較小。同時(shí)，由于還原劑溶液中水是主要部分，且水的比熱較大，相應(yīng)地，吸熱量也較大，因此水是主要影響因素。

2.3排煙焓增大

由常見(jiàn)氣體的焓溫表[11]，可查得0.1 MPa、190 ℃時(shí)，煙氣中H2O、N2、CO2的焓分別為289.07 kJ/m3、246.89 kJ/m3、338.72 kJ/m3。三種氣體的比容分別為2.126 m3/kg、1.346 m3/kg和0.974 m3/kg，根據(jù)式(12)—(19)即可獲得排煙焓的增加及對(duì)鍋爐效率的影響(見(jiàn)表4)。

從表4可看出，由于SNCR脫硝系統(tǒng)引入后對(duì)排煙焓影響最大的是H2O，而尿素溶液作為還原劑注入爐膛后，隨還原劑注入的H2O的流量明顯大于氨水，因此導(dǎo)致排煙焓的增加量也相應(yīng)比氨水大，對(duì)焚燒爐熱效率的影響較大。SNCR脫硝系統(tǒng)引入后兩種還原劑對(duì)焚燒爐熱效率的影響見(jiàn)表5。

表4　排煙焓的增大帶來(lái)的鍋爐效率變化值

表5SNCR帶來(lái)的焚燒爐熱效率變化值%

項(xiàng)目10%尿素溶液10%氨水Δηr-0.1164-0.1289Δηa0.33760.1887Δηp0.06870.0403Δη0.28990.1001

從表5可看出，采用10%尿素溶液作為SNCR脫硝的還原劑時(shí)，焚燒爐的熱效率降低0.289 9%，其中還原劑溶液在爐膛的吸熱對(duì)熱效率的影響最大；而采用氨水作為脫硝還原劑時(shí)，焚燒爐的熱效率降低0.100 1%。相比10%尿素溶液，氨水作為還原劑對(duì)焚燒爐熱效率的影響較小。因此，從對(duì)焚燒爐熱效率影響的角度分析，采用10%氨水作為脫硝還原劑效果較好。

3SNCR系統(tǒng)設(shè)備能耗

本文所研究的垃圾焚燒爐SNCR脫硝系統(tǒng)包含以下模塊：氨儲(chǔ)罐模塊、儲(chǔ)罐加注模塊、氨輸送模塊、軟水輸送模塊、氨水軟水混合稀釋模塊、氨噴射模塊和控制單元模塊。能耗設(shè)備主要有卸氨泵、還原劑循環(huán)泵、稀釋水泵和空氣壓縮機(jī)。同時(shí)，由于還原劑噴入爐膛使煙氣體積增大，需增大引風(fēng)機(jī)出力。各能耗設(shè)備的技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表6。

表6　SNCR系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)

上述泵的功耗

(22)

式中：Pp為泵的功率，W；qV為泵的工作流量，m3/h；H為泵的揚(yáng)程，m；ηp為泵效率；ρ為流體的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2。

引風(fēng)機(jī)的功耗增加

(23)

式中：Δq為SNCR系統(tǒng)噴入還原劑后增加的煙氣流量，m3/h；p為引風(fēng)機(jī)的全壓；ηp為引風(fēng)機(jī)的效率。

根據(jù)該電廠運(yùn)行情況，SNCR系統(tǒng)壓縮空氣消耗量為1.77 m3/kg。采用尿素和氨水作為還原劑時(shí)SNCR系統(tǒng)設(shè)備的能耗見(jiàn)表7。

表7SNCR系統(tǒng)設(shè)備能耗

設(shè)備尿素工作流量/(m3·h-1)功耗/kW氨水工作流量/(m3·h-1)功耗/kW卸氨泵0.08680.00560.1210.004還原劑循環(huán)泵0.08680.0230.1210.019稀釋水泵0.6980.2380.6980.250空氣壓縮機(jī)384.3037.677215.5021.157引風(fēng)機(jī)(增加值)322.10(標(biāo)準(zhǔn)情況)0.724179.51(標(biāo)準(zhǔn)情況)0.404

由表7可看出，SNCR系統(tǒng)用電主要集中在空氣壓縮機(jī)，其他能耗設(shè)備耗電較少，采用10%尿素和10%氨水作為還原劑時(shí)系統(tǒng)總電耗分別為38.67 kW和21.79 kW。由于采用氨水時(shí)溶液流量較小，因此SNCR系統(tǒng)的能耗也相應(yīng)較低。

4還原劑濃度的影響

表8為在10%、15%和20%三種濃度下，采用尿素和氨水兩種還原劑對(duì)鍋爐效率的影響以及SNCR的系統(tǒng)設(shè)備電耗。

表8　不同還原劑濃度下鍋爐效率變化值與設(shè)備電耗

由表8可知，對(duì)于尿素和氨水兩種還原劑，隨著還原劑濃度的提高，SNCR對(duì)鍋爐效率的影響將降低，甚至出現(xiàn)鍋爐效率提高的情況；SNCR系統(tǒng)設(shè)備的電耗也相應(yīng)減少。這是由于還原劑濃度提高后，噴入爐膛的水量較少，因此對(duì)鍋爐效率的影響和設(shè)備電耗都將降低。但在實(shí)際運(yùn)行中，需綜合考慮SNCR系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與安全性，過(guò)高的氨水濃度將會(huì)帶來(lái)一定的安全隱患，因此，對(duì)于還原劑濃度的選擇需謹(jǐn)慎考慮。

5結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)在垃圾焚燒爐中應(yīng)用SNCR脫硝技術(shù)對(duì)鍋爐效率的影響和SNCR系統(tǒng)設(shè)備的電耗，并討論了還原劑類(lèi)型、濃度等因素的影響。得出以下結(jié)論：

a)SNCR脫硝對(duì)鍋爐效率的影響主要有三項(xiàng)，即還原劑注入爐膛吸收鍋爐燃燒熱、脫硝反應(yīng)過(guò)程放出熱量，排煙煙氣容積增大帶來(lái)排煙損失增大。采用尿素和氨水作為還原劑時(shí)將分別降低鍋爐效率，氨水對(duì)鍋爐效率的影響較小。

b)采用10%尿素和10%氨水兩種還原劑時(shí)SNCR系統(tǒng)電耗分別為38.67 kW和21.79 kW。氨水由于其用量較少，所需電耗較低。

c)還原劑濃度對(duì)SNCR系統(tǒng)電耗及鍋爐效率有一定的影響，高濃度的還原劑效果較好，但需注意其安全性。

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Influence of SNCR Reductant on Heat Efficiency of Waste Incineration

LI Maodong1, YANG Bo1, WANG Xiaocong1, LIU Guicai2, MA Xiaoqian2, LIAO Yanfen2

(1.Guangzhou Special Pressure Equipment Inspection and Research Institute, Guangzhou, Guangdong 510100, China; 2.Guangdong Province Key Laboratory of Efficient and Clean Energy Utilization, Guangzhou, Guangdong 510640, China)

Abstract：Application of selective non-catalytic reduction (SNCR) denitration technology for waste incineration is able to effectively reduce NOx emission of the boiler, but injection of reductant may affect heat efficiency of the boiler and different kinds of reductant with different concentration have different influence on heat efficiency. Therefore, on the basis of heat balance analysis for the boiler and taking some 750 t/d waste incineration power plant for a research object, this paper analyzes influence on boiler efficiency by SNCR denitration system when respectively taking urea and ammonia as reductant and energy consumption caused by system equipments. Result indicate that when using 10% ammonia as the reductant, SNCR may cause boiler efficiency reduce 0.100 1% and power consumption of the system is about 21.79 kW. Compared with influence of urea, affect of ammonia on boiler efficiency is smaller and energy consumption is lower.

Key words：waste incinerator; selective non-catalytic reduction (SNCR); reductant; boiler efficiency; heat balance

收稿日期：2015-12-14

基金項(xiàng)目：國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目(201410159)；廣東省能源高效清潔利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(2013A061401005)

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.05.002

中圖分類(lèi)號(hào)：X701

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1007-290X(2016)05-0006-05

作者簡(jiǎn)介：

李茂東(1972)，男，遼寧葫蘆島人。高級(jí)工程師，工學(xué)碩士，主要研究方向是特種承壓設(shè)備的安全節(jié)能。

楊波(1983)，男，湖南益陽(yáng)人。高級(jí)工程師，工學(xué)博士，主要研究方向是特種承壓設(shè)備的系統(tǒng)性風(fēng)險(xiǎn)。

王小聰(1982)，男，福建漳浦人。高級(jí)工程師，工學(xué)碩士，主要研究方向是特種承壓設(shè)備的安全節(jié)能。

(編輯查黎)