SNCR 脫硝技術(shù)在中高溫分離器型循環(huán)流化床鍋爐上的運(yùn)行分析

趙 強(qiáng)，向 軼，冷 健，呂文豪，李雄飛

（1.西安航天動(dòng)力研究所，陜西 西安710100；2.西安航天源動(dòng)力工程有限公司，陜西 西安710100）

國(guó)家發(fā)改委發(fā)布的《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》顯示，在“十三五”期間，燃煤機(jī)組全面實(shí)施超低排放與節(jié)能改造，其中氮氧化物（NOx）的排放濃度上限降至50 mg/m3，火電及非電行業(yè)的環(huán)保壓力進(jìn)一步增加。選擇性非催化還原法（SNCR）是一種工藝成熟的煙氣脫硝技術(shù)，在反應(yīng)溫度800～1 100 ℃下，將氨水或者尿素直接噴入煙氣中，將NOx還原成N2，具有投資少、工期短、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，常用在循環(huán)流化床鍋爐（CFB）上[1]。但SNCR 也有脫硝效率低、還原劑消耗大、存在氨泄漏隱患等缺點(diǎn)[2]，因此通過設(shè)備升級(jí)、 工藝改進(jìn)等措施提升SNCR 技術(shù)的實(shí)用性將有助于企業(yè)降低生產(chǎn)中的污染物排放、 節(jié)省在環(huán)保上的資金投入，以應(yīng)對(duì)越發(fā)嚴(yán)格的環(huán)保督查，具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。本文基于SNCR 脫硝系統(tǒng)在CFB 上的運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析影響脫硝效率的各種因素，提出針對(duì)SNCR 系統(tǒng)和鍋爐系統(tǒng)的整體優(yōu)化策略，為工程實(shí)踐提供參考。

1 運(yùn)行工藝參數(shù)

1.1 鍋爐基礎(chǔ)條件

對(duì)某化工企業(yè)的自備煤電機(jī)組分別進(jìn)行了一期和二期脫硝改造。一期改造的對(duì)象為三臺(tái)130 t/h 循環(huán)流化床鍋爐，運(yùn)行參數(shù)見表1。三臺(tái)鍋爐長(zhǎng)期在中高負(fù)荷下運(yùn)行。燃料為某礦務(wù)局提供的褐煤，煤質(zhì)分析見表2，可以發(fā)現(xiàn)煤中的揮發(fā)分、水分含量高，發(fā)熱量低，屬于典型的劣質(zhì)煤。褐煤具有良好的著火燃燒性能，但容易結(jié)渣，而CFB 特有的低溫燃燒和爐內(nèi)高濃度物料循環(huán)的特點(diǎn)則降低了爐膛結(jié)渣的風(fēng)險(xiǎn)，因此褐煤能在CFB 內(nèi)穩(wěn)定高效地燃燒。

表1 一期改造中CFB 設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 褐煤的煤質(zhì)分析

1.2 SNCR 系統(tǒng)

本文采用SNCR 脫硝工藝，包括氨水稀釋系統(tǒng)、氨水儲(chǔ)存及供應(yīng)系統(tǒng)、計(jì)量分配系統(tǒng)、噴槍系統(tǒng)、電氣儀表系統(tǒng)等，還原劑為20%濃度的原料氨水配制成的10%～15%濃度的稀釋氨水，脫硝效率設(shè)計(jì)值≥40%。三臺(tái)鍋爐的SNCR 噴槍均設(shè)置在爐膛水冷壁上，噴槍為氣力霧化式，采用壓縮空氣對(duì)氨水進(jìn)行霧化。

2 運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

2.1 數(shù)據(jù)記錄

對(duì)一期改造中三臺(tái)全燒褐煤的130 t/h 循環(huán)流化床鍋爐SNCR 煙氣脫硝系統(tǒng)進(jìn)行了168 h 的綜合測(cè)試考評(píng)。煙氣量測(cè)量點(diǎn)、煙氣成分取樣點(diǎn)設(shè)置在三臺(tái)鍋爐的總煙氣取樣口，即為煙氣混合后的綜合值，原煙氣數(shù)據(jù)取自SNCR 系統(tǒng)氨水泵未啟動(dòng)時(shí)，脫硝后煙氣數(shù)據(jù)取自SNCR 系統(tǒng)投運(yùn)后且運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)。測(cè)試考評(píng)期間三臺(tái)鍋爐的脫硝系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)見表3，對(duì)應(yīng)的鍋爐參數(shù)記錄見表4。

2.2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)表3 中的數(shù)據(jù)，本次運(yùn)行中脫硝效率為42.4%～49.6%，屬于SNCR 脫硝的正常水平。為了在脫硝效率和經(jīng)濟(jì)性方面進(jìn)行提升，需要結(jié)合SNCR系統(tǒng)和鍋爐系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)對(duì)運(yùn)行工況進(jìn)行優(yōu)化。

表3 一期改造中的SNCR 系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)

表4 一期改造中的鍋爐參數(shù)記錄

2.2.1 氨氮摩爾比NSR

SNCR 系統(tǒng)的還原劑為氨水，噴入爐膛內(nèi)高溫區(qū)域時(shí)經(jīng)霧化、 蒸發(fā)后形成氣態(tài)NH3與NOx反應(yīng)，因此NH3量與脫硝效率DNOx直接相關(guān)，常用氨氮摩爾比NSR 作為氨水供應(yīng)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)，即NH3與NOx摩爾量比值NH3/NOx，mol/mol。由于NOx中95%以上是NO，故SNCR 脫硝的主要反應(yīng)為：

根據(jù)式（1），理論上NSR=1 時(shí)NH3和NO 剛好完全反應(yīng)，但在實(shí)際項(xiàng)目中由于未充分接觸、存在副反應(yīng)等原因，通常NSR 取值范圍為1～1.85[3]。本次運(yùn)行中NSR 值在2.22～2.72 之間，均高于正常取值范圍，分析其原因，認(rèn)為是中溫分離器型的CFB 內(nèi)適合SNCR 脫硝反應(yīng)的區(qū)域?yàn)闋t膛內(nèi)密相區(qū)，此處循環(huán)灰濃度偏高，使NH3附著在灰表面被帶出爐膛，沒有與NOx接觸；同時(shí)噴射點(diǎn)附近有二次風(fēng)加入，局部氧氣濃度較高，可能使部分NH3被氧化，發(fā)生副反應(yīng)，也會(huì)增加氨水的消耗。因此為了達(dá)到較好的脫硝效果，需要提高氨水的供應(yīng)量。

2.2.2 反應(yīng)溫度

反應(yīng)溫度是SNCR 脫硝反應(yīng)中的關(guān)鍵參數(shù)，通常850～950 ℃是最佳反應(yīng)溫度區(qū)間[4]，低于850 ℃時(shí)NH3與NOx的反應(yīng)速率會(huì)顯著降低，相同時(shí)間內(nèi)被還原的NOx量減少，脫硝效率降低。當(dāng)反應(yīng)溫度過高時(shí)會(huì)發(fā)生NH3被氧化成NOx的副反應(yīng)，主要反應(yīng)式如下[5]：

即反應(yīng)溫度過高會(huì)生成新的NOx，反而降低脫硝效率。根據(jù)表3、表4 中的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)從工況1 到工況3，隨著鍋爐負(fù)荷的增大，三臺(tái)鍋爐的爐膛平均溫度從859 ℃升至984 ℃，不同工況下爐膛平均溫度與DNOx的關(guān)系如圖1 所示。

圖1 爐膛平均溫度與DNOx的關(guān)系

從圖1 看出，工況2 的DNOx最高，對(duì)應(yīng)的爐膛平均溫度為916 ℃；工況1 和工況2 均處于最佳反應(yīng)溫度區(qū)間，溫度升高加快了氨水的蒸發(fā)擴(kuò)散和脫硝的反應(yīng)速率，提高了DNOx。工況3 的爐膛平均溫度為984℃，且2#爐和3#爐的爐膛溫度已經(jīng)超過1 000 ℃，但與工況2 相比DNOx反而略有降低，考慮到工況3 的NSR 值為2.22，已經(jīng)超過正常范圍，即氨水供應(yīng)量是完全足夠的，可以認(rèn)為此時(shí)導(dǎo)致脫硝效率降低的主要原因是反應(yīng)溫度過高將部分NH3氧化成了NOx。

通過對(duì)爐膛平均溫度與DNOx關(guān)系的分析，認(rèn)為當(dāng)反應(yīng)溫度處于850～950 ℃最佳區(qū)間時(shí)，隨著溫度的升高，脫硝效率也有所提高； 但當(dāng)反應(yīng)溫度超過950 ℃時(shí)，脫硝效率隨之降低。吳劍恒[6]的研究結(jié)果也說(shuō)明，在940 ℃左右時(shí)，脫硝效率達(dá)到最大，證實(shí)了這一結(jié)論。因此在實(shí)際操作中，需要將SNCR 脫硝的反應(yīng)溫度盡量控制在最佳區(qū)間。

2.2.3 氨水與煙氣的混合程度

除了氨氮摩爾比、反應(yīng)溫度，NH3還原NOx的化學(xué)反應(yīng)還與兩種反應(yīng)物的接觸情況有關(guān)，即表現(xiàn)為NH3與煙氣的混合程度。由于本文中SNCR 系統(tǒng)的噴槍采用氣力霧化的形式，氨水的裂散程度與壓縮空氣的壓力有關(guān)，為了使氨水在離開噴槍后獲得更好的霧化效果，在設(shè)計(jì)文件中規(guī)定霧化空氣壓力至少大于0.3 MPa，正常運(yùn)行時(shí)保持在0.4～0.6 MPa。

根據(jù)表3 中的數(shù)據(jù)，三個(gè)工況下的霧化空氣壓力在0.41～0.42 MPa，屬于正常范圍，但根據(jù)運(yùn)行情況看，130 t/h 的CFB 爐膛內(nèi)尺寸較大，為6 400 mm×9 000 mm，在0.4 MPa 左右的霧化空氣壓力下氨水噴射力仍然不足，不能完全覆蓋整個(gè)爐膛；同時(shí)氨水的穿透力相對(duì)較弱，爐膛內(nèi)的循環(huán)灰形成的灰幕也會(huì)阻擋氨水的運(yùn)動(dòng)，造成爐膛中央?yún)^(qū)域的NH3濃度偏低，與煙氣混合程度低。同樣，也可以認(rèn)為中溫分離器型CFB 的NSR 值偏高，主要原因之一是循環(huán)灰的影響導(dǎo)致NH3與煙氣混合不夠，還原反應(yīng)不佳，使得氨水供應(yīng)量被迫增大。因此可以通過提高霧化空氣壓力、 調(diào)整噴槍布置位置的方式來(lái)強(qiáng)化氨水與煙氣的混合程度。

2.2.4 反應(yīng)停留時(shí)間

一般來(lái)說(shuō)，在保證NH3與煙氣充分接觸的前提下，NH3在爐膛內(nèi)停留時(shí)間越長(zhǎng)，化學(xué)反應(yīng)的程度就越徹底。根據(jù)文獻(xiàn)[7]可知，NH3至少需要0.3～0.4 s的停留時(shí)間才能對(duì)NOx起到還原作用，當(dāng)停留時(shí)間超過1 s 時(shí)可以達(dá)到很好的脫硝效果。一期中三臺(tái)CFB 的爐膛內(nèi)可以進(jìn)行SNCR 反應(yīng)的有效高度超過6 m，爐內(nèi)煙氣流速4～5 m/s，NH3在爐膛中的停留時(shí)間超過1 s，足以完成還原反應(yīng)。

2.3 優(yōu)化策略

對(duì)一期改造中3×130 t/h 中溫分離器型CFB 的SNCR 運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，認(rèn)為影響該爐型CFB脫硝效率的主要因素是氨水與煙氣的混合程度，以及脫硝反應(yīng)溫度，在此基礎(chǔ)上提出了針對(duì)SNCR 脫硝系統(tǒng)和鍋爐系統(tǒng)的整體優(yōu)化策略：

（1）本文中的三臺(tái)鍋爐都屬于中溫分離器型CFB，受反應(yīng)溫度的限制，氨水噴槍只能布置在爐膛水冷壁上，在實(shí)際運(yùn)行中存在NH3在爐膛截面上分布不均、穿透力不足的現(xiàn)象。為解決這一問題，可以適當(dāng)提高全部或部分噴槍的霧化空氣壓力，使更多的NH3能到達(dá)爐膛中心區(qū)域； 在此基礎(chǔ)上對(duì)氨水霧化情況進(jìn)行仿真模擬，以調(diào)整噴槍的布置點(diǎn)，強(qiáng)化NH3與煙氣的混合。

（2）SNCR 脫硝反應(yīng)需要在合適的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，溫度過低時(shí)反應(yīng)速率慢，脫硝效率低；溫度過高會(huì)使NH3被氧化成新的NOx，對(duì)脫硝效果產(chǎn)生不利影響。因此在設(shè)計(jì)SNCR 系統(tǒng)時(shí)需要根據(jù)爐膛內(nèi)的溫度分布情況，將噴槍布置點(diǎn)設(shè)置在爐膛溫度850～950 ℃的區(qū)域內(nèi)，以獲得最佳的脫硝效果。在運(yùn)行過程中，如因鍋爐負(fù)荷較高導(dǎo)致爐膛溫度高于最佳反應(yīng)溫度范圍，可通過增加二次風(fēng)量、設(shè)置煙氣再循環(huán)等措施適當(dāng)降低爐膛溫度。

3 二期SNCR 脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行情況

在一期改造的SNCR 脫硝系統(tǒng)正常投運(yùn)6 個(gè)月后，對(duì)廠區(qū)另外兩臺(tái)130 t/h+220 t/h 的CFB 進(jìn)行二期SNCR 脫硝改造，兩臺(tái)CFB 的鍋爐參數(shù)見表5，燃料為褐煤?；?.3 節(jié)中的優(yōu)化策略，對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行進(jìn)行了以下改進(jìn)：

表5 二期改造中CFB 設(shè)計(jì)參數(shù)

（1）適當(dāng)提高噴槍的霧化空氣壓力，使其>0.45 MPa；

（2）130 t/h 的4#爐為中溫分離器型，噴槍仍布置在爐膛水冷壁上；但220 t/h 的5#爐為高溫分離器型，爐膛出口設(shè)計(jì)溫度為875 ℃，因此將噴槍布置在爐膛出口后面的旋風(fēng)分離器筒壁上，以強(qiáng)化NH3與煙氣的混合程度。

二期SNCR 脫硝系統(tǒng)建成投運(yùn)后，對(duì)其進(jìn)行了72 h 的性能考核，煙氣量測(cè)量點(diǎn)、煙氣成分取樣點(diǎn)設(shè)置在兩臺(tái)鍋爐的總煙氣取樣口，為煙氣混合后的綜合值，原煙氣數(shù)據(jù)取自SNCR 系統(tǒng)氨水泵停止時(shí)，脫硝后煙氣數(shù)據(jù)取自氨水泵啟動(dòng)后且運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)。測(cè)試考評(píng)期間兩臺(tái)鍋爐的脫硝系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)見表6，對(duì)應(yīng)的鍋爐參數(shù)記錄見表7。

表6 二期改造中的SNCR 系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)

表7 二期改造中的鍋爐參數(shù)記錄

表6、表7 中的數(shù)據(jù)顯示，二期項(xiàng)目中的SNCR脫硝效率達(dá)到了68.1%，兩臺(tái)CFB 總煙氣的NOx排放濃度為91.6 mg/m3，降至100 mg/m3以下，與一期相比效果顯著提升。分析原因如下：

（1）4#爐噴槍的霧化空氣壓力由0.41～0.42 MPa提升至0.48 MPa，提高了霧化氨水的穿透力，NH3能到達(dá)爐膛中心區(qū)域，在爐膛橫截面上分布較為均勻，與煙氣的混合程度較好； 同時(shí)反應(yīng)區(qū)域溫度保持在914 ℃，處于最佳范圍。

（2）5#爐的SNCR 噴槍布置在爐膛出口后部的旋風(fēng)分離器筒壁上，煙氣在進(jìn)入旋風(fēng)分離器后擾動(dòng)強(qiáng)烈，NH3可以與煙氣充分混合；煙氣在旋風(fēng)分離器內(nèi)的停留時(shí)間約1.2 s，足夠進(jìn)行較為徹底的還原反應(yīng)，因此雖然5#爐的反應(yīng)溫度為826 ℃，未達(dá)到最佳溫度范圍，但在混合較充分、停留時(shí)間長(zhǎng)等因素的作用下，也達(dá)到了較為理想的脫硝效果。

4 結(jié)論

本文進(jìn)行了全燒褐煤的CFB 一期和二期脫硝改造，其運(yùn)行數(shù)據(jù)說(shuō)明，對(duì)于中溫分離器型CFB，SNCR 系統(tǒng)的脫硝效率可以達(dá)到49.6%；對(duì)于中溫分離器型CFB 和高溫分離器型CFB 聯(lián)用時(shí)，SNCR 系統(tǒng)的總脫硝效率可以達(dá)到68.1%，符合設(shè)計(jì)要求。得出的結(jié)論可以為工程實(shí)際提供參考，具體如下：

（1）對(duì)于中溫分離器型CFB，噴槍一般布置在爐膛水冷壁上，影響脫硝效率的主要因素是氨水與煙氣的混合程度以及脫硝反應(yīng)溫度，循環(huán)灰對(duì)NH3與煙氣的混合有阻礙作用；

（2）SNCR 脫硝反應(yīng)盡量在850～950 ℃最佳范圍內(nèi)進(jìn)行，以達(dá)到更好的脫硝效果；

（3）高溫分離器型CFB 的SNCR 噴槍應(yīng)布置在旋風(fēng)分離器筒壁上；中溫分離器型CFB 的噴槍布置在爐膛水冷壁上時(shí)，盡量使霧化空氣壓力>0.45 MPa。

總體而言，一期和二期的SNCR 脫硝改造達(dá)到了較好的效果。但限于SNCR 脫硝技術(shù)的整體水平，如需進(jìn)一步NOx降低排放濃度，則還需要再加裝SCR 系統(tǒng)，即采用SNCR 與SCR 聯(lián)合的工藝，以達(dá)到50 mg/m3的超低排放標(biāo)準(zhǔn)。