SNCR-SCR聯(lián)合脫硝工藝影響因素探析

郭靜娟

(中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司西北分公司，陜西 西安 710065)

0 引言

SNCR-SCR聯(lián)合脫硝工藝系統(tǒng)由SNCR脫硝反應(yīng)區(qū)和SCR脫硝反應(yīng)區(qū)組成。SNCR區(qū)將尿素或者氨水直接噴入爐膛內(nèi)滿足溫度窗口區(qū)域，脫除部分的NOX；產(chǎn)生的逃逸氨隨著煙氣一起進(jìn)入后端的SCR區(qū)，在催化劑的作用下，再次與NOX反應(yīng)，進(jìn)而脫除NOX。SNCR-SCR聯(lián)合脫硝工藝集合了選擇性非催化還原法(SNCR)投資低和選擇性催化還原法(SCR)脫硝效率高的優(yōu)點(diǎn)，解決了W型火焰爐和小型鍋爐NOX生成濃度高、單一依靠SCR或SNCR工藝無法實(shí)現(xiàn)超低排放的難題。

1 系統(tǒng)存在的主要問題

SNCR-SCR聯(lián)合脫硝工藝如圖1所示。

圖1 SNCR-SCR聯(lián)合脫硝工藝示意

SNCR-SCR聯(lián)合脫硝工藝優(yōu)勢顯著，但是難以控制氨逃逸濃度。若氨逃逸濃度與還原劑噴射量不呈線性關(guān)系，還原劑消耗量過大，會造成一系列的問題，對機(jī)組正常運(yùn)行產(chǎn)生一定影響。

(1) 為滿足NOX達(dá)標(biāo)排放的要求，脫硝系統(tǒng)過量噴氨，導(dǎo)致氨水消耗量與氨逃逸率遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)值。個別電廠還原劑消耗量超出設(shè)計(jì)值1.5倍以上；氨逃逸率平均37.95—45.54 mg/Nm3，是設(shè)計(jì)值(7.59 mg/Nm3)的5—6倍，其值最高可達(dá)75.9 mg/Nm3。

(2) NOX超排現(xiàn)象頻繁發(fā)生，因環(huán)保超標(biāo)已影響機(jī)組帶負(fù)荷，尤其在冬季情況更嚴(yán)重。為滿足NOX排放不超標(biāo)，機(jī)組過量噴氨，導(dǎo)致空氣預(yù)熱器嚴(yán)重堵塞。

(3) 鍋爐尾部煙道低溫段空氣預(yù)熱器堵塞嚴(yán)重(堵塞率達(dá)40 %—50 %)，引風(fēng)機(jī)葉片積灰嚴(yán)重，水平振動超標(biāo)嚴(yán)重，增壓風(fēng)機(jī)動葉積灰卡澀，無法調(diào)節(jié)等問題，導(dǎo)致鍋爐帶負(fù)荷能力受限，甚至造成鍋爐被迫停運(yùn)。

(4) 煙氣中氨含量較大，除塵器極線極板粘灰嚴(yán)重(見圖2)，二次電流低，影響除塵效率。

2 影響因素分析

在工業(yè)應(yīng)用中，SNCR脫硝反應(yīng)所需的停留時間長短與鍋爐爐膛尺寸、沿程煙氣的體積流量、還原劑在煙氣中混合均勻度等因素有關(guān)。在爐內(nèi)，滿足SNCR反應(yīng)溫度的空間位置是非常有限的，還原劑噴射位置一般布置在煤粉鍋爐的折焰角附近，該處受到高溫過熱屏的影響，煙氣溫度變化大，對應(yīng)SNCR溫度窗口的反應(yīng)時間比較難滿足，所以還原劑NH3和煙氣及時快速的混合是保證SNCR效率的關(guān)鍵。

圖2 除塵器極線極板積灰

造成SNCR-SCR效率偏低和聯(lián)合裝置噴氨量偏高的主要因素為：煙氣溫度不合適，還原劑與煙氣混合程度差，煙氣氣氛的影響，代表性點(diǎn)位選取不合理，催化劑的結(jié)構(gòu)及用量等。

2.1 煙氣溫度不合適

煙氣溫度是影響SNCR脫硝效率的重要因素之一，低氮燃燒器改造后爐內(nèi)煙氣溫度還會更低。對SNCR裝置來說，煙氣溫度在850—1 050 ℃范圍內(nèi)，還原劑（氨水）與氮氧化物反應(yīng)生成氮?dú)夂退Ｈ舴磻?yīng)窗口溫度在850—1 050 ℃范圍外，脫硝SNCR還原反應(yīng)將會減弱。SNCR脫硝效率與溫度關(guān)系如圖 3 所示 (ψ(NO)=0.06 %，ψ(O2)=4.5 %，t=0.5 s)。

圖3 SNCR脫硝效率與溫度關(guān)系

2.2 還原劑與煙氣混合程度差

SNCR還原反應(yīng)條件惡化，噴槍射程不夠，爐膛煙氣與NH3混合不充分，部分煙氣未與NH3接觸，氨水易揮發(fā)，制約了還原劑的覆蓋范圍，造成脫硝效率低。因此脫硝系統(tǒng)采用過量噴氨，即提高氨氮摩爾比，以確保NOX達(dá)標(biāo)排放。

相關(guān)研究表明，SNCR技術(shù)在應(yīng)用上脫硝效率低主要是受混合的限制和煙氣溫度大的影響，因此氨與煙氣的混合必須迅速。同時，高的射流動量與煙氣氣流動量比可以提高脫硝的性能，煙氣氣流的湍流程度越大，對混合越有促進(jìn)作用。

2.3 煙氣氣氛的影響

煙氣中的O2，CO，H2O，H2，CHi(烴根)等都會對脫硝反應(yīng)產(chǎn)生一定的影響。對燃煤機(jī)組來說，配煤摻燒對鍋爐燃燒工況影響較大，決定了煙氣中各組分的含量，使得溫度窗口發(fā)生變化，進(jìn)一步影響SNCR系統(tǒng)的脫硝效率。

(1) 在缺氧的情況下，SNCR系統(tǒng)還原反應(yīng)并不會發(fā)生；在有氧的情況下，SNCR系統(tǒng)還原反應(yīng)才能進(jìn)行。氧濃度的上升使得反應(yīng)的溫度窗口向低溫方向移動，進(jìn)而使NOX和N2O的濃度升高，脫硝效率下降。

(2) 在低溫下，當(dāng)水蒸汽的濃度低時，促進(jìn)還原反應(yīng)的進(jìn)行；當(dāng)水蒸汽的濃度高時，則會阻礙反應(yīng)的進(jìn)行。

(3) CO濃度的上升，使SNCR的溫度窗口向低溫方向移動，脫硝反應(yīng)溫度下降，脫硝效率同步降低。

(4) H2和CHi的存在也會使反應(yīng)的溫度窗口向低溫方向移動，而且隨著這些可燃化合物濃度的提高、溫度窗口移動的幅度加大，脫硝效率也會受到影響。

(5) 燃煤低溫發(fā)熱量不宜過高，否則會導(dǎo)致爐溫高，超越窗口溫度，影響脫硝效率。若未按要求上煤，導(dǎo)致爐膛溫度較高，氮氧化物持續(xù)偏高，會使脫硝效率下降。不同燃料、不同容量的鍋爐SNCR裝置脫硝效率如圖4所示。

2.4 代表性點(diǎn)位選取不合理

現(xiàn)有脫硝SNCR-SCR裝置后都設(shè)有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，但是由于煙道截面積較大，煙氣流場不均勻，DCS顯示的爐膛出口氮氧化物濃度與實(shí)際濃度存在一定的偏差，部分電廠還出現(xiàn)數(shù)據(jù)倒掛的現(xiàn)象，即煙囪入口氮氧化物濃度高于脫硝裝置后氮氧化物濃度，究其原因主要在于脫硝出口測點(diǎn)選取位置不合理。

圖4 不同燃料、不同容量的鍋爐SNCR裝置脫硝效率

2.5 催化劑的結(jié)構(gòu)及用量

催化劑都含有少量的氧化釩和氧化鈦，因?yàn)樗鼈兙哂休^高的抗SO3能力，其結(jié)構(gòu)、形狀隨使用環(huán)境而變化。為避免被顆粒堵塞，常使用蜂窩狀、板式催化劑部件；為降低被飛灰堵塞的可能性，反應(yīng)器采用垂直放置方式，使煙氣自上而下流動。此外，脫硝裝置安裝聲波吹灰器和蒸汽吹灰器來防止顆粒的堆積。初始設(shè)計(jì)時，要考慮適當(dāng)放大催化劑的量；同時，還要根據(jù)反應(yīng)器中有效區(qū)域的變化調(diào)整催化劑的安裝位置，對催化劑壽命進(jìn)行管理。圖5是某“2＋1”布置模式的催化劑壽命管理曲線。

圖5 某“2＋1”布置模式的催化劑壽命管理曲線

從圖5可見，“2＋1”布置模式的催化劑活性隨著運(yùn)行時間的增長在逐漸降低，氨的逃逸率隨著運(yùn)行時間的增長逐漸增大。

3 解決措施

為解決SNCR-SCR聯(lián)合脫硝工藝煙氣中氨逃逸率偏高、還原劑消耗過大等問題，建議采取以下措施。

(1) 對SNCR反應(yīng)及其逃逸氨濃度分布特性進(jìn)行研究。在鍋爐不同高度布置SNCR噴槍，研究不同SNCR噴槍組合條件下的SNCR脫硝效率及氨逃逸量，以獲得最佳的組合方案。改變尿素溶液液滴的初始噴射速度和平均粒徑，研究不同尿素溶液的物性參數(shù)對SNCR脫硝效果的影響。比較分析不同工況條件下SNCR過程逃逸氨在轉(zhuǎn)向室和省煤器出口煙道中的分布規(guī)律，提出優(yōu)化混合的措施和方法。

(2) 基于SNCR反應(yīng)后的尾部煙道氨氮濃度分布，以及尿素溶液在高溫氣流中的熱分解特性，在鍋爐轉(zhuǎn)向室側(cè)墻布置補(bǔ)氨噴槍。研究不同補(bǔ)氨噴槍組合條件的轉(zhuǎn)向室出口和省煤器出口的氨濃度分布特性。掌握補(bǔ)充噴氨噴槍的最佳噴射位置，與前部SNCR添加尿素還原劑的匹配耦合，消除單獨(dú)SNCR反應(yīng)使得氨逃逸濃度波動引起的脫硝運(yùn)行部溫度和氨濃度不均勻問題。

(3) 開展SNCR-SCR聯(lián)合脫硝工藝的性能試驗(yàn)。研究不同噴射方案、不同燃燒工況、不同負(fù)荷等條件下的NOX排放特性及SNCR-SCR系統(tǒng)脫硝效果。

(4) 開展SNCR-SCR噴氨優(yōu)化調(diào)整工作。改善出口NOX和氨分布的均勻性，在保證裝置脫硝效果的同時，降低裝置的運(yùn)行成本，緩解因局部噴氨量過高造成的催化劑和空預(yù)器的堵塞問題，提高裝置的可用率。

(5) 催化劑壽命管理工作。催化劑活性隨運(yùn)行時間增長而逐漸降低，在運(yùn)行初期，活性惰化速率最快，后期惰化速率趨緩。為了充分發(fā)揮催化劑的殘余活性，需要根據(jù)情況對催化劑進(jìn)行再生或更換。不同層的催化劑活性降低程度不同，而何時更換哪一層，需要根據(jù)各層催化劑的沖蝕磨損程度與殘余活性的評估結(jié)果確定，以最大限度利用現(xiàn)有催化劑。一般情況下，在催化劑的壽命期內(nèi)，以上2個指標(biāo)均能滿足工程設(shè)計(jì)要求，在其中某一個指標(biāo)不能達(dá)到環(huán)保排放要求時，可通過添加或置換催化劑的方式提高催化效率。

4 結(jié)論

若要解決SNCR-SCR聯(lián)合脫硝工藝煙氣中氨逃逸高、還原劑消耗過大等問題，需要從設(shè)計(jì)優(yōu)化、運(yùn)行調(diào)整等方面考慮，通過合理的工藝布置、運(yùn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)SNCR-SCR聯(lián)合脫硝精細(xì)化運(yùn)行。