摘要： 選擇性非催化還原脫硝法(SNCR)投運后,電廠煙囪出現(xiàn)冒“白煙”現(xiàn)象.通過分析白煙的成分,確定白煙成分為氯化銨.使用氨逃逸激光光譜分析儀與煙氣自動監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合的試驗方法,分析得到NH3 Cl生成的特點,制定SNCR噴氨控制策略,從而有效抑制白煙的生成.
0引言
選擇性非催化還原脫硝法(SNCR)是目前在運垃圾焚燒發(fā)電廠的主流。通過優(yōu)化鍋爐燃燒參數(shù)控制SNCR，可以保證垃圾焚燒發(fā)電廠煙氣排放中氮氧化物(NO，)的排放滿足GB 18485--2014(生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準》相關(guān)要求。隨著SNCR在垃圾焚燒發(fā)電廠應(yīng)用的案例越來越多，經(jīng)常有在其投運過程中出現(xiàn)煙囪冒“白煙”的案例。
1垃圾焚燒發(fā)電煙氣組分與污染物去除
因為城市生活垃圾來源非常復(fù)雜，對比傳統(tǒng)的燃煤或燃氣電廠而言，垃圾焚燒發(fā)電煙氣組分也比較復(fù)雜。其煙氣含有的主要污染物有酸性氣體、煙塵、重金屬等，其中煙氣中的的酸性氣體主要由硫氧化物SO2)、氮氧化物(NOx)、氯化氫(HCl)組成。煙氣中的SO2、HCl可以通過傳統(tǒng)的半干法、干法或者濕法工藝去除，而煙氣中的NO。多通過選擇性非催化還原脫硝法(SNCR)去除。SNCR是指無催化劑的作用下，在適合脫硝反應(yīng)的“溫度窗口”內(nèi)噴入還原劑，將煙氣中的氮氧化物還原為無害的氮氣和水。該技術(shù)一般采用氨、尿素或氫氨酸等還原劑。還原劑只和煙氣中的NOx反應(yīng)，一般不與氧反應(yīng)。由于該工藝不用催化劑，因此必須在高溫區(qū)加入還原劑。還原劑噴人850～1100℃的爐膛，迅速熱分解成NH3，與煙氣中的NOx反應(yīng)生成N2和水。在實際運行過程中SNCR的反應(yīng)效率多在40％一50％，勢必存在一定量的氨逃逸。
2“白煙"形成原因
由于垃圾焚燒電廠煙氣中硫氧化物、氯濃度較高，且在SNCR工作過程中存在一定量的氨逃逸，易生成硫酸銨與氯化銨。對比兩者的物化特性，白煙更符合氯化銨的性質(zhì)表現(xiàn)。
氯化銨(NH4C1)煙氣中HCl來源于含氯的塑料。HCl在溫度低于120℃的區(qū)域，易與NH3發(fā)生化合反應(yīng)，形成白色固體氯化銨飛霧，其反應(yīng)機理如下：
NH3+HCl—NH4Cl(s)。
因煙氣在整個煙氣凈化系統(tǒng)中的最低溫度也保持在140℃以上，所以只有當(dāng)煙氣從煙囪出口排出與大氣接觸發(fā)生熱交換溫度降低時，氯化銨才會生成，形成白煙。
3氨逃逸的測量及儀器
由于氯化銨的物化特性及垃圾焚燒電廠的工作條件，實驗無法直接對氯化銨進行測量?？紤]到垃圾焚燒過程中氯離子的濃度相對比較穩(wěn)定，可以通過氨逃逸激光光譜分析儀比對煙氣中氨的光譜變化，從而對煙氣中的氨濃度進行監(jiān)控。氨逃逸激光光譜分析儀采用一種高分辨率的光譜吸收技術(shù)：激光穿過煙氣時，通過快速調(diào)制激光頻率并使其掃過被測的氨氣吸收譜線的定頻率范圍，然后采用相敏檢測技術(shù)測量被氣體吸收后透射譜線中的諧波分量來分析煙氣中氨氣情況(如圖1所示)。
實驗如果不考慮白煙問題，SNCR按照設(shè)計值運行，電廠NOx排放的質(zhì)量濃度<200 mg／m3時，NO。轉(zhuǎn)化效率可以達到50％以上。此過程中由于噴人爐膛內(nèi)的氨(NH，)在爐膛內(nèi)與煙氣不能進行充分混合，造成NH，的相對過剩，而產(chǎn)生氨逃逸，最終在煙囪出口區(qū)域與煙氣中的氯離子形成氯化銨，生成白煙。
經(jīng)觀測，可以將白煙分為三個級別：極淡、淡煙、濃煙。從氨逃逸激光光譜分析儀檢測結(jié)果得出：極淡煙對應(yīng)的氨逃逸質(zhì)量濃度為<0.38 mg／m3；淡煙對應(yīng)的氨逃逸質(zhì)量濃度為0.38 mg／m3～0.76 mg／m3；濃煙對應(yīng)的氨逃逸質(zhì)量濃度為>0.76 mg／m3。
4 SNCR調(diào)節(jié)試驗
經(jīng)試驗分析得出SNCR噴氨量受到鍋爐進風(fēng)量和爐膛溫度制約，進風(fēng)量、爐膛溫度不理想或發(fā)生突變且SNCR噴氨量不進行隨動調(diào)節(jié)時，煙囪就會有白煙產(chǎn)生。經(jīng)試驗研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)爐膛溫度低于850℃時，無論噴氨量如何調(diào)節(jié)都會有白煙生成，而且在此溫度下SNCR脫硝效果非常差；當(dāng)溫度低于860℃，NOx的轉(zhuǎn)化效率小于50％(如圖2所示)。
鍋爐工況可分為穩(wěn)態(tài)工況和瞬態(tài)工況。穩(wěn)態(tài)工況中鍋爐的風(fēng)量、爐膛溫度、SNCR噴氨量、煙氣中NO，排放以及煙氣中氨逃逸的濃度相對穩(wěn)定。試驗可以確定爐膛溫升幅度和風(fēng)量增加幅度。根據(jù)CEMS(continuous emission monitoring system，煙氣在線分析系統(tǒng))反饋的煙氣中NO：排放量結(jié)合SNCR的反應(yīng)效率計算SNCR的噴氨量；通過氨逃逸分析儀測得的氨逃逸濃度，在保證NO。排放滿足標(biāo)準(氨逃逸濃度<0．76ms／m3)的情況下，確定鍋爐不同穩(wěn)態(tài)工況下的SNCR控制策略；繪制爐膛溫升、風(fēng)量以及SNCR噴氨量的三維等高線圖(MAP圖)；通過試驗驗證優(yōu)化SNCR噴氨MAP圖，爭取使氨逃逸濃度<0.38 mg／m3。由于CEMS安裝在引風(fēng)機之后的煙囪人口處，煙氣從鍋爐第一煙道至CEMS需要一段時間，為保證試驗數(shù)據(jù)的準確性，文中試驗規(guī)定的穩(wěn)態(tài)工況至少要維持10 min。
由于試驗?zāi)壳暗募夹g(shù)條件無法分析鍋爐內(nèi)部溫度場和流場的分布、變化情況，所以主要采用試驗驗證法研究鍋爐瞬態(tài)工況下鍋爐風(fēng)量與爐膛溫度的關(guān)系：當(dāng)鍋爐爐膛溫度較低，可以通過增加風(fēng)量促進燃燒以提高爐膛溫度；當(dāng)爐膛溫度過高，則可以通過降低風(fēng)量抑制燃燒降低爐膛溫度(試驗未考慮溫度與風(fēng)量出現(xiàn)背反關(guān)系的極端情況)。以風(fēng)量為主要的研究因素可以將瞬態(tài)工況的變化分成比原穩(wěn)態(tài)工況風(fēng)量增加和降低兩個方向。而鍋爐進風(fēng)量無論突然增加還是突然降低，都會擾亂SNCR反應(yīng)區(qū)流場，造成SNCR反應(yīng)時間變短或者單位體積內(nèi)氨量的突然增加。瞬態(tài)工況下SNCR系統(tǒng)應(yīng)采取保守噴氨的控制策略，同時研究風(fēng)量隨時間及NOx排放的變化情況，確定SNCR噴氨量與風(fēng)量變化之間的關(guān)系，對SNCR的噴氨策略進行優(yōu)化。
因為煙氣中NOx排放與SNCR噴氨量及SNCR白煙存在背反關(guān)系，即要保證NOx低排放就要多噴氨，這勢必會增加白煙產(chǎn)生的幾率；若為了保證煙囪不冒白煙而少噴氨，電廠煙氣中的NOx，就會有超標(biāo)排放的可能。所以SNCR控制策略第一原則為在保證煙氣中NOx排放達標(biāo)(質(zhì)量分數(shù)小于250 rng／m3)的情況下，控制SNCR的噴氨量，從而抑制白煙的生成。
5 SNCR運行效果
通過試驗數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在SNCR運行過程中NO；排放僅在極少數(shù)情況下瞬時值排放超過250mg／m3。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，SNCR控制程序減白煙效果明顯，由原來的長時間排放濃煙(白煙排放時間占全天時間的70％～80％)，到現(xiàn)在絕大多數(shù)情況下無白煙(不可見)、偶爾排放淡煙并在極少數(shù)的極端情況下才會有濃煙排出(可見白煙排放時間占全天時間的5％～10％)。
試驗中發(fā)現(xiàn)氨逃逸數(shù)據(jù)在某些情況下急劇升高，經(jīng)測算甚至高于該時刻爐膛內(nèi)噴氨總值。經(jīng)排查，部分原因為煙氣濕度大，部分水汽覆于儀器光電吸收端鏡頭片上形成霧滴，煙氣中的NH3，溶解于霧滴中，導(dǎo)致激光穿過鏡頭的過程中對NH3，生成錯誤數(shù)據(jù)；部分原因懷疑為垃圾中混有含NH3，的物質(zhì)在燃燒過程中釋放出來。
在穩(wěn)態(tài)工況下，電廠CEMS系統(tǒng)對SNCR系統(tǒng)有很好的反饋作用，可以有效地幫助SNCR確定噴氨量，從而抑制煙氣中的NOx排放量；在瞬態(tài)工況中由于煙氣從爐膛至CEMS需要一定的時間，CEMS反饋的NO。排放值信號對SNCR噴氨量的控制意義不大，建議瞬態(tài)工況過程中SNCR采用開環(huán)控制方式。同時，煙氣對氨逃逸儀器有明顯的腐蝕，在后續(xù)試驗過程中，試驗儀器的維護必須考慮。
6結(jié)論
(1)垃圾焚燒廠煙氣中含有NOx，脫除NOx需要在爐膛噴入氨或者尿素，少部分氨未參與反應(yīng)，逃逸后在后續(xù)煙道和煙氣凈化系統(tǒng)中被吸收，負荷變化時偶爾會有少量的氨通過煙囪進人大氣，一般進入大氣的氨質(zhì)量濃度小于0.76 mg／m3。
(2)垃圾焚燒煙氣中氯的成分較多，在煙囪出口溫度低于120 oC的區(qū)域逃逸的氨易與煙氣中的氯反應(yīng)產(chǎn)生氯化銨，產(chǎn)生可見白煙。但產(chǎn)生的氯化銨濃度很小。
(3)在不考慮氨逃逸及白煙的情況下，SNCR運行可以保證脫硝效率≥50％，NO，排放量低于200mg／m3。
(4)通過調(diào)試與長期的試運行，目前SNCR控制程序所執(zhí)行的控制策略可以保證電廠煙氣中NOx排放滿足現(xiàn)行最新的國家標(biāo)準(<250 mg／m3)的情況下，有效降低白煙的產(chǎn)生濃度和排放時間。
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