淺談混合法煙氣脫硝技術(shù)的應(yīng)用及存在的問(wèn)題

宋衛(wèi)娜

中國(guó)水利電力物資有限公司，北京西城 100045

1.概述

降低氮排放的主要措施有兩種：一是控制燃燒過(guò)程中NOx的生成；二是對(duì)生成的NOx進(jìn)行處理，即煙氣脫硝技術(shù)，主要包括SCR和SNCR，根本區(qū)別是NOx的還原反應(yīng)有無(wú)催化劑。

SCR是在催化劑的作用下，以NH3為還原劑，與NOx反應(yīng)生成N2和H2O，脫硝效率可達(dá)80%～95%。這種工藝對(duì)氨逃逸率要求較高（小于3ppm），適用各種容量的鍋爐，便于檢修和維護(hù)。但催化劑會(huì)促進(jìn)煙氣中SO2轉(zhuǎn)化為SO3并與NH3反應(yīng)生成NH4HSO4，造成空預(yù)器堵塞及傳熱原件腐蝕，催化元件約增加1000Pa風(fēng)煙系統(tǒng)阻力，改造時(shí)需對(duì)空預(yù)器、引風(fēng)機(jī)及鍋爐鋼結(jié)構(gòu)做出改動(dòng)。而且催化劑須定期更換，整體投資和運(yùn)行費(fèi)用較高。

SNCR是直接利用鍋爐爐膛作為反應(yīng)器，改造可在大修期間完成，基本不影響鍋爐及輔機(jī)。其反應(yīng)控制以爐膛內(nèi)NOx濃度為基礎(chǔ)來(lái)去除，反應(yīng)時(shí)間快，氨逃逸率控制范圍寬（小于10ppm～15ppm），但反應(yīng)劑在爐膛內(nèi)的分布受限，反應(yīng)條件難以控制，脫硝效率較低（25%～45%左右），常用于中小鍋爐。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，SNCR系統(tǒng)開(kāi)始引進(jìn)CFD模擬技術(shù)。Fuel Tech公司在此基礎(chǔ)上將CFD與CKM（化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型）相結(jié)合，開(kāi)發(fā)了新型噴射器用以解決還原劑均勻分布的問(wèn)題。從90年代中后期開(kāi)始，SNCR系統(tǒng)逐漸開(kāi)始在大型鍋爐上應(yīng)用。

2.混合法煙氣脫硝技術(shù)的原理及應(yīng)用

SNCR/SCR混合法是將SCR還原劑的噴射點(diǎn)移動(dòng)到爐膛出口，煙氣在出口處先進(jìn)行一次NOx脫除，再利用沒(méi)有參加反應(yīng)的氨氣在反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行催化反應(yīng)。該技術(shù)利用兩個(gè)溫度窗進(jìn)行NOx脫除，取消了SCR工藝的噴氨格柵/靜態(tài)混合器，減小了煙氣系統(tǒng)阻力和催化劑體積。

SNCR/SCR混合法于上世紀(jì)70年代首次在日本一座燃油裝置上進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)證明方法具有可行性。爐膛出口噴入過(guò)量的還原劑，除參與NOx的脫除外，還為尾部的SCR催化劑提供充足的氨，但是難以控制氨的分布以適應(yīng)NOx分布的改變。

隨著大型高速計(jì)算機(jī)的誕生和鍋爐流體動(dòng)力學(xué)/化學(xué)動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型的發(fā)展，使得準(zhǔn)確計(jì)算、設(shè)計(jì)和調(diào)節(jié)還原劑噴射點(diǎn)以改善NH3/NOx在反應(yīng)器中分布的均勻性具備了條件。目前，SNCR/SCR混合法可以達(dá)到40%～80%的脫硝效率，氨逃逸小于5ppm。

3.混合法工藝的改造及運(yùn)行情況

3.1 脫硝系統(tǒng)改造情況概述

北京某熱電廠采用哈爾濱鍋爐廠HG-410/9.8-YM15型，單汽包、四角切圓、固態(tài)排渣、平衡通風(fēng)、單爐膛露天Π型布置、熱風(fēng)送粉燃煤鍋爐。2006年，電廠采用煤粉再燃和低氧分級(jí)燃燒技術(shù)控制爐內(nèi)NOx的生成，將氮排放降低到350mg/Nm3以下。2007年，北京市污染物排放標(biāo)準(zhǔn)中燃煤鍋爐NOx排放標(biāo)準(zhǔn)提高到100mg/Nm3，受鍋爐尾部煙道空間條件的限制，電廠采用SNCR/SCR混合工藝進(jìn)行改造。

首先實(shí)施了SNCR改造，采用尿素溶液作為還原劑，49只鍋爐噴射器分四層布置在爐膛燃燒區(qū)域上部和爐膛出口處。根據(jù)爐膛CFD和熱力計(jì)算結(jié)果，前墻和側(cè)墻噴槍分別布置在32m、28.5m、26m、23.5m標(biāo)高處，后墻噴槍布置在27.95m、26m和23.5m標(biāo)高處。鍋爐高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，投運(yùn)上兩層噴槍?zhuān)坏拓?fù)荷運(yùn)行時(shí)，投運(yùn)下兩層噴槍?zhuān)煌＿\(yùn)噴槍可退出爐膛以避免受熱損壞。為使噴入的尿素溶液能在最佳溫度條件下參與反應(yīng)，投運(yùn)后電廠還進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整。通過(guò)在不同負(fù)荷工況下，投運(yùn)不同層的噴槍?zhuān)Ｕ襄仩tNOx排放低于180mg/Nm3。

2009年，電廠在SNCR改造的基礎(chǔ)上進(jìn)行了SCR改造。即在爐內(nèi)SNCR噴射點(diǎn)噴入過(guò)量尿素溶液，利用其在爐膛高溫下熱解產(chǎn)生的NH3作為SCR裝置的還原劑。受煙氣擾動(dòng)影響， NOx及NH3在進(jìn)入催化劑前分布不均，從而使煙氣在部分催化劑區(qū)域反應(yīng)不充分，導(dǎo)致整體脫硝效率降低。電廠在鍋爐轉(zhuǎn)向室安裝了五個(gè)噴嘴蒸汽擾動(dòng)裝置，作為尾部煙道流場(chǎng)的擾動(dòng)汽源，但運(yùn)行后效果一般，且耗氣量較大。

為摸索最佳聯(lián)合運(yùn)行方式，電廠對(duì)SNCR/SCR脫硝裝置進(jìn)行了優(yōu)化試驗(yàn)。通過(guò)在不同負(fù)荷工況下，改變投入不同蒸汽擾動(dòng)層、尿素噴入量及噴入層的噴槍等方式，總結(jié)出不同工況下NOx、NH3的分布規(guī)律、應(yīng)投入尿素流量及最佳噴槍投運(yùn)方式，從而將NOx排放控制在50～100mg/m3。

3.2 運(yùn)行中的問(wèn)題及原因分析

（1）水冷壁腐蝕泄漏

運(yùn)行期間，鍋爐A/B側(cè)水冷壁均發(fā)生過(guò)腐蝕。據(jù)國(guó)外運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，造成此現(xiàn)象的主要原因?yàn)槟蛩馗g。尿素溶液在霧化情況下噴出，不會(huì)對(duì)水冷壁管造成腐蝕；如果霧化不好，或噴槍位置達(dá)不到要求，易形成液滴從噴槍套筒下流，從而侵蝕正下方的水冷壁管，造成其短時(shí)間內(nèi)腐蝕泄漏。此外，噴槍自身泄漏也會(huì)造成水冷壁腐蝕。

（2）冷灰斗堵塞

自SNCR系統(tǒng)投運(yùn)后，冷灰斗多次發(fā)生渣垢堵塞，嚴(yán)重時(shí)曾由于下渣口封死而被迫停爐清灰。據(jù)觀察，最初冷灰斗與密封水接觸邊緣會(huì)生成一種白色物質(zhì)，并隨運(yùn)行時(shí)間增加逐漸形成堆積。堆積的白色物質(zhì)與下落的灰渣混合后體積增大，造成灰斗豎井通流面積逐漸減小，從而導(dǎo)致燃燒后的灰渣下落受阻。部分灰渣下落到灰斗后又與堆積物結(jié)合，增加了堆積物的生長(zhǎng)速度。往復(fù)作用后，冷灰斗豎井的下渣口被堆積物封死，導(dǎo)致燃燒后的大渣無(wú)法通過(guò)渣水系統(tǒng)被運(yùn)走。當(dāng)大渣的堆積到一定高度后，鍋爐便需要停爐清灰。

經(jīng)取樣觀察，堆積物下層渣垢致密牢固，呈灰白色、層狀、較硬，中間呈灰色，上層呈灰黑色，自上而下越來(lái)越堅(jiān)硬、致密。對(duì)垢樣進(jìn)行化學(xué)分析和物相分析后得出其主要成份為CaSO4和Ca(SO4)(H2O)2。因?yàn)槿剂媳旧碛惺沂煞?，即使鍋爐不投運(yùn)SNCR，煤粉自身燃燒也會(huì)有CaSO4生成。CaCO3被帶到爐膛上部的高溫區(qū)域時(shí)，受熱分解的CaO 和CO2均能與SO2反應(yīng)。其反應(yīng)如下：

上述反應(yīng)在沒(méi)有外界干擾的情況下，效率較低。但SNCR投運(yùn)后，稀釋的尿素溶液從霧化噴嘴中噴出，對(duì)爐膛內(nèi)的煙氣造成沖擊和混合，加速了煙氣中飛灰的碰撞。由于尿素溶液與爐膛溫度相比相對(duì)較低，霧化的液滴在與煙氣混合過(guò)程中出現(xiàn)汽化，瞬間降低了接觸煙氣的溫度，也增加了CaO、SO2的碰撞機(jī)會(huì)，為CaSO4的生成提供了條件和途徑。而且碰撞機(jī)會(huì)的增大使飛灰間大顆粒形成機(jī)會(huì)增多，致使更多的鈣的生成物下落。因此冷灰斗內(nèi)噴氨后CaSO4的生成比以前增多。CaSO4在水中溶解度極低，在灰渣水中呈現(xiàn)結(jié)晶體狀，即CaSO4與Ca(SO4)(H2O)2的混合物。結(jié)晶體附著在冷灰斗表面，增加其黏附能力，致使更多的灰渣與灰斗形成貼附。長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，灰斗便形成了較厚的白色與灰黑色相間隔的堆積物。

（3）尾部煙道設(shè)備腐蝕

投運(yùn)后一年內(nèi)，空預(yù)器、煙道、電除塵一電場(chǎng)芒刺均發(fā)生不同程度的腐蝕。經(jīng)分析，原因仍是煙氣擾動(dòng)造成的NOx及NH3分布不均。通過(guò)催化劑時(shí)，煙氣分布濃度低的地方NH3逃逸會(huì)增加，而SCR裝置會(huì)促使SO2向SO3轉(zhuǎn)換，與逃逸的NH3反應(yīng)生產(chǎn)硫酸氫氨，從而對(duì)下游設(shè)備造成腐蝕。

4.結(jié)束語(yǔ)

SNCR/SCR混合法技術(shù)減少了催化劑用量，降低SO2/SO3轉(zhuǎn)化所引起的腐蝕和ABS阻塞的問(wèn)題，減小催化劑對(duì)煤的敏感度問(wèn)題，尿素溶液直接噴射進(jìn)入鍋爐后，取消了尿素?zé)峤?、尿素水解等還原劑分解系統(tǒng)，降低工程造價(jià)，降低安全隱患。但實(shí)際應(yīng)用中，該工藝仍存在煙氣NOx排放不平衡、尿素溶液易引發(fā)腐蝕等問(wèn)題，需在設(shè)計(jì)階段利用流場(chǎng)混合技術(shù)，進(jìn)一步改善NH3/NOx在反應(yīng)器中分布的均勻性。

[1]王方群.國(guó)內(nèi)燃煤電廠煙氣脫硝發(fā)展現(xiàn)狀及建議.中國(guó)環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2007年1月.

[2]楊忠燦.燃煤鍋爐的選擇性催化還原煙氣脫硝技術(shù).廣東電力，2006年12月.

[3]王智.燃煤電站鍋爐及SCR脫硝中SO3的生成及危害.東北電力技術(shù)，2005年.