模塊化SNCR脫硝技術在循環硫化床鍋爐上的應用分析

馬 務

(大唐科技產業集團有限公司,北京 100048)

模塊化SNCR脫硝技術在循環硫化床鍋爐上的應用分析

馬 務

(大唐科技產業集團有限公司,北京 100048)

設計了一套模塊化SNCR脫硝系統，在兩臺循環流化床鍋爐上進行了實際應用，分析了影響脫硝效率的主要因素和調整措施；鍋爐在100%和85%負荷下，氮氧化物的排放分別70和53 mg/Nm3，均在國家規定的100 mg/Nm3以下，脫硝效率分別為53.3%和63.5%，各個工況下，鍋爐煙氣的氨逃逸均在8 mg/Nm3以下。

循環硫化床鍋爐；脫硝效率；選擇性非催化還原技術；模塊化

0 引 言

我國是一個以煤炭為主要能源的國家，煤在一次能源中占75%，其中84%以上是通過燃燒方法利用的。煤燃燒所釋放出的氮氧化物(NOx)，是造成大氣污染的主要污染源之一[1-2]。一方面，NOx會對神經中樞產生影響，并可能破壞大氣層；另一方面，NOx又是形成酸雨的主要因素，造成環境污染和經濟損失。因此，合理、高效、文明地利用有限的煤炭資源，開發低排放燃燒技術和降低NOx排放量是現在急需解決的問題[3-5]。

目前，降低NOx排放量的煙氣脫硝技術主要有選擇性催化還原法(SCR)脫硝技術和非選擇性催化還原法(SCR)脫硝技術。SCR技術的特點是脫除效率高，運行可靠，缺點是系統復雜，投資大，催化劑需定期更換且容易失效，一般用于NOx產量較高的煤粉爐；SNCR技術的特點是設備簡單，投資小，適用于NOx產量較低的CFB鍋爐[6-7]。

1 原理概述

SNCR技術是指在不用催化劑的情況下，將氨氣或尿素等還原劑噴入爐內與NOx進行選擇性反應。還原劑噴入爐膛溫度為800～1 250 ℃的區域，該還原劑與煙氣中的NOx進行反應生成氮氣和水[8-9]，該方法是以爐膛為反應器。

在800～1 250 ℃范圍內，NH3或尿素還原NOx的主要反應為：

氨水為還原劑:

尿素為還原劑:

不同還原劑有不同的反應溫度范圍，此溫度范圍稱為溫度窗口。當反應溫度過高時，由于氨的分解會使NOx還原率降低，另一方面，反應溫度過低時，氨的逃逸增加，也會使NOx還原率降低[10]。

2 系統介紹

2.1 鍋爐參數

某熱電廠有兩臺型號為：DG450/9.81-1型循環流化床鍋爐。鍋爐型式為：高壓自然循環汽包爐。特點為：單爐膛、平衡通風、全鋼架支吊方式。鍋爐采用循環流化床燃燒技術，在燃用設計煤種時，能夠在30%～100%負荷范圍內穩定運行，循環物料的分離采用2個汽冷式旋風分離器。鍋爐設計排煙溫度為130 ℃，鍋爐設計效率91.2%。爐膛出口煙溫760～890 ℃，氮氧化物出口濃度102～176 mg/Nm3(標態、干基、6%O2)。

表1 鍋爐設計燃料特性表

表2 鍋爐煙氣參數表

2.2 脫硝系統

脫硝系統采用尿素作為還原劑，主要分為尿素溶液制備、輸送和噴射三部分。尿素溶液制備系統主要有尿素溶解罐、溶液輸送泵、尿素溶液儲罐及相關管道閥門儀表組成，主要功能是制備50%質量濃度的尿素溶液；尿素溶液輸送系統采取模塊化設計供貨，有稀釋水模塊、高流量循環模塊、背壓模塊、計量模塊和分配模塊組成，其功能是將50%質量濃度的尿素溶液稀釋成5%～10%質量濃度的尿素溶液，并送至鍋爐平臺附近；稀釋后的尿素溶液經霧化后由噴槍送入鍋爐旋風分離器進口煙道。系統流程如下圖1所示。

圖1 脫硝系統流程圖

模塊化設備的優點是功能相似的管路及組件集成為統一模塊，功能集中程度高，流程控制更加清晰，并減少與現場的交叉施工，方便工程應用。

3 運行情況

兩臺爐公用一套尿素溶液制備系統、高流量循環模塊及背壓模塊，每臺爐有一套稀釋水模塊和計量模塊，兩套分配模塊，每個分配模塊對應六支噴槍，每臺爐共12支噴槍，每個噴槍有三條管路，分別是尿素溶液管路、霧化空氣管路和冷卻空氣管路，霧化空氣的作用是將尿素溶液霧化成顆粒狀液滴，便于在分離器內受熱分解，冷卻空氣的作用是壁面噴槍本體溫度過高，影響正常運行。脫硝系統不同負荷下的運行數據見表3。

表3 脫硝系統運行數據表

尿素溶液儲罐里50%質量濃度的溶液由高流量循環模塊以5倍的循環倍率輸送至計量模塊，計量模塊根據鍋爐運行情況，通過電動調節閥控制所需尿素溶液流量，其余的溶液由背壓模塊返回尿素溶液儲罐，稀釋水模塊將系統所用稀釋水輸送至計量模塊稀釋水管路，在計量模塊內與50%尿素溶液混合，配置成5%～10%質量濃度的尿素溶液，最后由分配模塊送至噴槍，溶液經霧化后進入循環流化床鍋爐旋風分離器內，與煙氣進行反應。

鍋爐在不同負荷下的運行數據見表4。

表4 鍋爐運行參數表

可以看出，鍋爐在100%和85%負荷下，氮氧化物的排放分別70和53 mg/Nm3，均在國家規定的100 mg/Nm3以下，脫硝效率分別為53.3%和63.5%，各個工況下，鍋爐煙氣的氨逃逸均在8 mg/Nm3以下。

4 影響因素

4.1 反應溫度

SNCR脫硝反應過程受溫度的影響較大，當反應溫度超過1 000 ℃時，氨氣被氧化成NOx，氧化反應起主導；反應溫度低于1 000 ℃時，氨氣與NOx的還原反應占主導，但反應速率降低，易造成未反應的氨氣逃逸過高。SNCR脫硝反應的過程是上述兩類反應相互競爭、共同作用的結果，選取合適的溫度條件是提高脫硝效率的關鍵，圖2是脫硝效率隨溫度的變化曲線，由圖中可以看出，當反應溫度在850～1 000 ℃時，脫硝效率較高。

圖2 脫硝效率隨反應溫度的變化曲線

4.2 停留時間

停留時間指的是還原劑在爐內完成與煙氣的混合、液滴蒸發、熱解成NH3、NH3轉化成游離基NH2、脫硝化學反應等全部過程所需要的時間。

延長反應區域內的停留時間，有助于反應物質擴散傳遞和化學反應，提高脫硝效率。當合適的反應溫度窗口較窄時，部分還原反應將滯后到較低的溫度區間，較低的反應速率需要更長的停留時間以獲得相同脫硝效率。當停留時間超過1 s時， 易獲得較高的脫硝效果。循環流化床鍋爐煙氣自旋風分離器入口到鍋爐在熱器之間，在該段行程內的時間在2 s以上，可以達到較高的脫硝效率。

4.3 氨氮比

氨氣與NO的理論化學反應當量比為1∶1，但由于部分NH3被氧化成二氧化氮等其他類型的NOx，以及小部分未反應的NH3隨煙氣排入大氣。因此，實際應用中需要更多的還原劑噴入爐膛才能達到較理想的脫硝效率。此外，當原始NOx濃度較低時，脫硝還原化學反應動力降低，為達到相同的脫硝效率，需要噴入爐內更多的還原劑參與反應。圖3是不同氨氮比下，脫硝效率隨反應溫度的變化曲線，可以看出，不同氨氮比下，均有一個使脫硝效率最高的反應溫度，氨氮比越高，脫硝效率越高，氨氮比在2以上時，脫硝效率增加的不明顯；循環流化床鍋爐的氨氮比一般取1.3～2之間。

圖3 不同氨氮比下的脫硝效率

實際運行中，也可以通過對脫硝設備運行參數的調整來達到更高的脫硝效果。當反應區域溫度較低時，可以增大分配模塊霧化空氣管路的壓力，減小尿素溶液液滴的粒徑，使反應易于進行；反之，則可以較小分配模塊霧化空氣管路的壓力，增大尿素溶液液滴的粒徑，增加反應所需的氣化潛熱。

5 結束語

由于SNCR脫硝技術對溫度要求比較高，而循環流化床鍋爐的運行特點可以保證還原劑可以在合適、均勻的溫度區間內與鍋爐煙氣進行反應。在本文所述的循環流化床鍋爐中，SNCR系統的脫硝效率在各個工況下可以達到50%以上，保證NOx排放在100 mg/Nm3的國家標準以內。

[1] 劉洪濤，牛勝利，韓奎華，等. 非催化煙氣還原脫硝法脫硝特性的實驗研究[J]. 動力工程，2009,29(9)：850-853.

[2] 郝吉明，王書肖，陸永琪. 燃煤二氧化硫污染物控制技術手冊[M]. 北京：化學工業出版社，2001.

[3] 段傳和，夏懷祥，等. 選擇性非催化還原法(SNCR)煙氣脫硝[M]. 北京：中國電力出版社，2012.

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[5] 王岳軍，劉學炎. SNCR脫硝技術在循環硫化床中的應用[J]. 環境工程，2013,31(1)：59-62.

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[10] 韓奎華，路春美，王永征，等. 選擇性非催化還原脫硝特性試驗研究[J]. 中國電機工程學報，2008(14)：80-85.

Analysis of the Modular SNCR Denitrification TGechnology in the CFB Boiler

MA Wu

(Datang Technology Industry Group Co., Ltd. Beijing 100048, China)

Designed a modular SNCR denitrification system which was applied on two CFB boiler, analysed the main factors and adjustment measures which influenced the denitrification efficiency. With the 100% and 85% load, the average denitrification efficiency of the system are 53.3% and 63.5%, under variable conditions, the average ammonia escape concentration are 8 mg/Nm3below.

CFB boiler; Denitrification efficiency; Selective Non-Catalytic Reduction; Modular

2015-03-28

2015-04-15

馬 務(1988-)男，大唐科技產業集團有限公司，碩士，從事火電廠污染物控制方向的研究。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.05.008

TK229.4

B

1009-3230(2015)05-0019-04