CN103041686A - 一种烟气再循环和氨剂喷射NOx脱除装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种烟气再循环和氨剂喷射NOx脱除装置及方法。本发明的目的是提供一种烟气再循环和氨剂喷射NOx脱除装置及方法，通过雾化喷枪安装位置的改造，提高还原剂的穿透深度，使得还原剂与烟气良好混合，最终达到提高SNCR脱硝效率的目的。本发明的技术方案是：烟气再循环和氨剂喷射NOx脱除装置，包括炉膛、位于该炉膛侧壁上的一组二次风管，以及位于该炉膛底部的一次风管，其特征在于：所述二次风管的二次风喷口处安装有还原剂雾化喷枪。本发明适用于环境保护技术领域，可应用于锅炉脱硝。

Description

一种烟气再循环和氨剂喷射NOx脱除装置及方法

技术领域

本发明涉及一种NOx脱除装置及降低烟气中NOx排放量的方法，特别是一种利用烟气再循环和还原剂喷射降低循环流化床锅炉烟气中NOx排放的装置和方法，主要适用于环境保护技术领域，可应用于锅炉脱硝。

背景技术

烟气再循环是目前降低NOx排放的技术之一。它是在锅炉的空气预热器前抽取一部分低温烟气，或直接送入炉膛，或与一次风、二次风混合后送入炉内，这样不但可以降低燃烧温度，而且也稀释了氧浓度，使燃烧速度和炉内温度降低，因而热力型NOx减少。烟气再循环法的效果与燃料种类及烟气再循环率(再循环烟气量与不采用烟气再循环时的烟气量之比)有关。存在的问题是受燃烧稳定性的限制，一般再循环烟气率为15%～20%，NOx脱除率在20～30%。

在向烟气中喷氨而不采用催化剂的条件下，NH₃还原NOx的反应只能在950～1050℃的温度范围内进行，因此，这种方法又称为选择性非催化还原脱硝法（简称SNCR）。因为反应温度为950～1050℃，所以NH₃的喷射点位置选择至关重要。温度太高，NH₃容易氧化，生成新的NOx；温度太低，NH₃无法高效分解，降低脱硝效果，而且增加尾部氨的逃逸。

当氨和烟气中的NOx接触时，就会发生下面的还原反应：

4NH₃+4NO+O₂→6H₂O+4N₂

4NH₃+2NO₂+O₂→6H₂O+3N₂

4NH₃+6NO→6H₂O+5N₂

8NH₃+6NO₂→12H₂O+7N₂

由于上述反应所需的温度范围为950～1050℃，在锅炉负荷变化时其在炉膛内的位置会发生变化，因此常在炉墙上开设多层氨喷射口，以使喷入炉内的氨均能混入温度为950～1050℃的烟气内。为了扩大950～1050℃这一温度范围，以达到最佳的反应效果，也有采用特殊的添加剂如钠盐，和喷氨同时使用。在采用SNCR脱硝技术时，除了喷射点必须选择在950～1050℃的温度范围内之外，喷入的氨和烟气良好的混合，也是保证脱硝还原反应得以充分进行，并使用最小限度的氨消耗量达到最大限度降低NOx排放值的重要条件。如果喷入的氨在炉膛内未能充分反应，则未反应的氨就会“泄漏”到锅炉的尾部受热面，这不仅会使烟气中的飞灰容易沉积在受热面上，而且烟气中的氨在遇到SO₃时，会生成硫酸铵。而硫酸铵是粘性的，很容易堵塞空气预热器，并有腐蚀的危险。因此，如何使氨和烟气充分的混合是采用这一方法的重要问题。混合不佳，会造成反应盲区，脱硝效果下降，而且氨的逃逸增加。一般SNCR能够达到的NOx脱除率为30%～60%。

SNCR脱硝投资少，运行费用也低，但反应温度范围狭窄，要有良好的混合及反应空间和反应时间的条件。当要达到较高的NOx脱除率时，可能会造成NH₃泄漏量过大等问题。一般SNCR能够达到的NOx脱除率为30%～60%，因此它的使用受到一定的限制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题提供一种烟气再循环和氨剂喷射NOx脱除装置及方法，通过雾化喷枪安装位置的改造，提高还原剂的穿透深度，使得还原剂与烟气良好混合，最终达到提高SNCR脱硝效率的目的。

本发明要解决的另一个技术问题是：协同烟气再循环和SNCR脱硝，在保持循环流化床锅炉流化速度的前提下，造成还原气氛和降低燃烧温度，减少NOx生成，并最终达到降低NOx排放的目的。

本发明所采用的技术方案是：烟气再循环和氨剂喷射NOx脱除装置，包括炉膛、位于该炉膛侧壁上的一组二次风管，以及位于该炉膛底部的一次风管，其特征在于：所述二次风管的二次风喷口处安装有还原剂雾化喷枪。

所述还原剂雾化喷枪的喷嘴位于二次风管喷口的内侧。

所述二次风管采用下倾式布置结构，其出风方向与水平面的夹角为10-20度。

所述还原剂雾化喷枪的喷射方向与二次风管喷口的出风方向相同。

所述二次风管的个数为4的倍数，分上下两层布置，且上下两层二次风管之间的间距为1-2m；上下层二次风的风量比为3：2～2：1。

两层二次风管的数量相同，且位于同一层的二次风管两两相对布置。

上下两层二次风管交错布置。

所述一次风管上连接有用于将锅炉烟气输送至一次风管、与一次风混合的再循环烟气管道。

降低循环流化床锅炉烟气中NOx的方法，其特征在于步骤如下：

a、在一次风中混合一定比例的、由炉膛输出并经除尘分离后的含有NOx的再循环烟气，重新喷入炉膛内，以降低一次风中的氧浓度和炉膛内的燃烧温度，并生成还原性物质，将NOx还原为N₂；

b、从二次风管向炉膛内喷入二次风，同时从还原剂雾化喷枪喷入还原剂，利用二次风的流速和穿透能力，将还原剂雾化，并穿透炉膛内部，实现选择性非催化脱硝。

所述再循环烟气与一次风的配比为1：1～1：2；一次风和二次风的比例为1：1～3：2。

本发明的有益效果是：1、将还原剂喷枪布置于二次风管的喷口处，可以借助二次风的动量，使还原剂与烟气充分混合，从而提高脱硝效率。2、还原剂雾化喷枪的喷嘴位于二次风管喷口的内侧，避免了含尘烟气对喷枪的直接冲刷，几乎不存在磨损问题，从而大大提高了喷枪的使用寿命。3、二次风温度一般为200度以下，喷入二次风的同时，可以对喷枪进行吹扫冷却，起到了很好的保护作用，提高了喷枪使用寿命。4、二次风喷口采用下倾式布置方式，下倾角一般为10~20度，可有效地抑制细小颗粒的流动，延长其在炉膛内的流动时间，利于细小碳粒的燃尽，减小固体不完全燃烧的热损失。5、喷枪下倾10～20度的布置方式，使还原剂喷雾呈“U”型，可延长还原剂在SNCR温度窗口的停留时间，并进一步提高混合效果。6、二次风管布置在两个相对的面上，且位于同一层的二次风管两两相对布置，从而大大增加了二次风在流化床内的穿透深度，使锅炉燃烧更加充分稳定。7、上下两层二次风管交错布置，更好的优化了还原剂的分布。8、本发明协同烟气再循环和SNCR脱硝，利用本发明方法处理后，脱硝效率较之现有技术得到了进一步提高。

附图说明

图1是本发明炉膛上二次风管的布置结构示意图（局部剖示）。

图2是图1的俯视图。

图3是本发明中二次风管内还原剂雾化喷枪布置结构图。

图4是本发明NOx脱除工艺流程图。

具体实施方式

由于高温烟气粘度大，而还原剂雾化喷枪由于流量较小，喷射动量有限，难以穿透烟气，导致雾化后的还原剂与烟气混合不够充分，脱硝效率低下。因此，本实施例在现有技术的基础上进行针对性改进，其具体结构如图1-图3所示，主要包括炉膛1、布置于炉膛1侧壁上的一组二次风管2（起补充燃烧和输送床料的作用），以及位于炉膛1底部的一次风管5；其中二次风管2的二次风喷口处安装有还原剂雾化喷枪3，该喷枪的入口端分别接还原剂和压缩空气。实际使用中可以利用二次风风量大、动量高、刚性强的特点，将还原剂雾化颗粒高速吹入炉膛1内，大大提高还原剂的穿透深度，从而很大程度地改善还原剂与烟气的混合情况，提高脱硝效率。

由于炉膛1内的固体颗粒浓度大，且炉膛1内烟气温度约900℃左右，如果将还原剂雾化喷枪3布置在炉膛1内部，不仅磨损问题十分突出，而且高温对还原剂雾化喷枪3的寿命也有较大影响。本例中，还原剂雾化喷枪3的喷嘴位于二次风管2喷口的内侧，一方面避免含尘烟气对还原剂雾化喷枪3的直接冲刷，几乎不存在磨损问题，可大大提高喷枪的使用寿命；另一方面可以利用二次风（温度一般为200度以下）对位于喷口内的还原剂雾化喷枪3进行吹扫冷却，因此起到了很好的保护作用，提高了喷枪使用寿命。

所述二次风管2采用下倾式布置结构，其出风方向与水平面的夹角为10-20度，可有效地抑制细小颗粒的流动，延长其在炉膛1内的流动时间，利于细小碳粒的燃尽，减小固体不完全燃烧的热损失。所述还原剂雾化喷枪3的喷射方向与二次风管2喷口的出风方向相同，即同样下倾10-20度布置，使还原剂喷雾呈“U”型，可延长还原剂在SNCR温度窗口的停留时间，并进一步提高还原剂与烟气的混合效果。

所述二次风管2的个数为4的整数倍，一般为4、8或12个，本例中，所述二次风管2共有四个，分上下两层布置，每层设置两个，上下两层二次风管2之间的间距为1-2m，通过风量的分配，再次形成分级送风，下层为还原区，上层为燃尽区，进一步降低NOx的生成，上下层二次风的风量比为3：2～2：1。为了更好的优化还原剂的分布，上下两层二次风管2采用交错布置；本例中所述交错布置，指的是某一层中两个二次风管2的连线，与另一层中两个二次风管2的连线，在水平面上的投影呈交叉布置，交叉点与炉膛1竖向轴线在水平面上的投影重合。

为了进一步增加二次风在炉膛1内的穿透深度，使锅炉燃烧充分稳定，位于同一层的两个二次风管2布置在炉膛1两个相对的面上，即两个二次风管2的轴线位于同一平面上；这种布置方式适合流化床为矩形的锅炉，不论锅炉容量的大小都可采用此种布置方式。本例中，四个二次风管2分别位于矩形炉膛的四个面上，位于相对面上的两个二次风管2高度相同，且相对布置。

所述一次风管5上连接有一根再循环烟气管道7，该再循环烟气管道一端与锅炉烟气排放端连通，另一端与一次风管5连通，同时在再循环烟气管道7上安装一再循环风机8，利用该再循环风机将锅炉烟气输送至一次风管5，与一次风混合后送入炉膛1内；通过控制再循环风机8和位于一次风管5进风端的一次风机11的功率，来调节再循环烟气和一次风的比例。

利用前述NOx脱除装置降低循环流化床锅炉烟气中NOx（氮的氧化物）的方法，其步骤如下：

a、保证床料流化和炉内床温的前提下，在一次风中混合一定比例的含有NOx的再循环烟气（取炉膛1排出并经分离后的部分烟气），从底部喷入炉膛1内，以减少一次风中的氧浓度，降低炉膛燃烧温度，并生成还原性物质，将NOx还原为N₂；

b、从二次风管2向炉膛1内吹入二次风，同时从还原剂雾化喷枪3喷入还原剂，利用二次风的高流速和强穿透能力，将还原剂雾化，并穿透炉膛内部，实现SNCR脱硝；本例中采用的还原剂为氨。

考虑到循环流化床烟气中含有浓度较高的粉尘，若再循环烟气直接从锅炉尾部烟道6中的空气预热器引出，那么烟气中的高浓度粉尘会对再循环风机8产生严重的磨损，所以本例中，再循环烟气从除尘器4尾部引入，即再烟气管道7一端与一次风管5连通，另一端与除尘器4的输出端连通。一般来说除尘器4尾部烟气温度仍有150℃左右，与空气预热器出口风温接近。再循环烟气与一次风混合后，维持原有的流化风速，但其中氧浓度已经显著下降。由于是富燃料燃烧，燃烧速度和炉内温度降低，因而热力型NOx减少。同时，在密相床内形成还原性气氛，生成CO/CN/NH/HCN等还原性物质，这些还原性物质有助于NOx还原成N₂。但是，为了保证炉膛1温度维持在正常的水平，需要控制烟气中的含氧量不至于太低，所以本发明中再循环烟气与一次风的配比优选为1：1～1：2。

把燃烧需要的空气分成一、二次风从不同位置分别送入流化床燃烧室，在密相床内形成还原性气氛，实现分段燃烧，可大大降低热力型NOx的形成，这是CFB锅炉的主要优点之一。但分成一、二次风的目的还不仅仅如此，一次风比（一次风量占总风量的份额）直接决定着密相床的燃烧份额，同样的条件下，一次风比大，必然导致高的密相床燃烧份额，此时就要求有较多的温度低的循环物料返回密相床，带走燃烧释放热量，以维持密相床温度，如循环物料量不够，就会导致流化床温度过高，无法多加煤，负荷上不去，这一用来冷却床层的物料可能来自分离器搜集下来的经过冷却的循环灰，或来自沿炉膛周围膜式壁落下的循环灰，灰在下落过程中与膜式壁接触受到冷却。

从密相床的燃烧和热平衡上看，一次风比越小，对循环灰的物料平衡要求越低，但实际上一次风比的选取还受燃料粒度及性质等因素的制约，一次风比小，要求燃料中不能被吹起进入悬浮段燃烧的大颗粒比例也要小，否则大颗粒因得不到充足的氧气燃烧不完全，排放的床灰中含炭量极高，一次风比一般选择在50％左右，对无烟煤则可达60％以上。所以本发明中一次风和二次风的比例优选为1：1～3：2。

下面结合图4对本实施例脱硝工艺进行具体说明：炉膛1内燃烧产生的含有NOx的烟气，经高温旋风分离器9将烟气中夹杂的颗粒分离出来，分离后的烟气进入锅炉尾部烟道6（自上而下依次布置高温过热器、低温过热器、省煤器、空气预热器），然后进入除尘器4除尘，经除尘后的部分烟气直接通过烟囱10排出，另一部分烟气在再循环风机8作用下被引至一次风管5，与一次风混合后从炉膛1底部吹入，以减少一次风中的氧浓度，降低炉膛燃烧温度，并生成还原性物质，将NOx还原为N₂；同时，从二次风管2向炉膛1内吹入二次风，从还原剂雾化喷枪3喷入氨剂，利用二次风的高流速和强穿透能力，将氨剂雾化，并穿透炉膛1内部，实现SNCR脱硝。燃烧产生的烟气再次经高温旋风分离器9分离后输出，如此循环即可。

本发明应用于75t/h循环流化床锅炉，NOx初始排放浓度为350mg/Nm³，经本发明技术改造后，NOx排放浓度<100mg/Nm³，NOx脱除率>71.4%。

Claims (10)

1.一种烟气再循环和氨剂喷射NOx脱除装置，包括炉膛（1），位于该炉膛侧壁上的一组二次风管（2），以及位于该炉膛底部的一次风管（5），其特征在于：所述二次风管（2）的二次风喷口处安装有还原剂雾化喷枪（3）。

2.根据权利要求1所述的烟气再循环和氨剂喷射NOx脱除装置，其特征在于：所述还原剂雾化喷枪（3）的喷嘴位于二次风管（2）喷口的内侧。

3.根据权利要求1或2所述的烟气再循环和氨剂喷射NOx脱除装置，其特征在于：所述二次风管（2）采用下倾式布置结构，其出风方向与水平面的夹角为10-20度。

4.根据权利要求3所述的烟气再循环和氨剂喷射NOx脱除装置，其特征在于：所述还原剂雾化喷枪（3）的喷射方向与二次风管（2）喷口的出风方向相同。

5.根据权利要求1或2所述的烟气再循环和氨剂喷射NOx脱除装置，其特征在于：所述二次风管（2）的个数为4的倍数，分上下两层布置，且上下两层二次风管（2）之间的间距为1-2m；上下层二次风的风量比为3：2～2：1。

6.根据权利要求5所述的烟气再循环和氨剂喷射NOx脱除装置，其特征在于：两层二次风管（2）的数量相同，且位于同一层的二次风管（2）两两相对布置。

7.根据权利要求6所述的烟气再循环和氨剂喷射NOx脱除装置，其特征在于：上下两层二次风管（2）交错布置。

8.根据权利要求1或2所述的烟气再循环和氨剂喷射NOx脱除装置，其特征在于：所述一次风管（5）上连接有用于将锅炉烟气输送至一次风管（5）、与一次风混合的再循环烟气管道（7）。

9.利用权利要求1所述装置降低循环流化床锅炉烟气中NOx的方法，其特征在于步骤如下：

a、在一次风中混合一定比例的、由炉膛（1）输出并经除尘后的含有NOx的再循环烟气，重新喷入炉膛（1）内，以降低一次风中的氧浓度和炉膛内的燃烧温度，并生成还原性物质，将NOx还原为N₂；

b、从二次风管（2）喷入二次风，同时从还原剂雾化喷枪（3）喷入还原剂，利用二次风的流速和穿透能力，将还原剂雾化，并穿透炉膛内部，实现选择性非催化脱硝。

10.根据权利要求9所述的降低循环流化床锅炉烟气中NOx的方法，其特征在于：所述再循环烟气与一次风的配比为1：1～1：2；一次风和二次风的比例为1：1～3：2。

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