尿素SNCR+SCR聯合脫硝工藝在煤粉鍋爐上的應用

雷鳴　郭強

摘 要：某熱電廠二期工程裝設3臺WGZ220/9.8-13型高溫高壓固態排渣煤粉鍋爐，自2013年12月起對3臺鍋爐實施了脫硫、脫硝和除塵改造。文章對改造工程中選擇尿素SNCR+SCR聯合脫硝工藝的過程、建設和運行情況等做出回顧和分析，提出在煤粉鍋爐上應用SNCR+SCR聯合脫硝工藝的意見和建議。

關鍵詞：尿素；SNCR+SCR；聯合脫硝；煤粉鍋爐

某熱電廠二期工程裝設3臺WGZ220/9.8-13型高溫高壓固態排渣煤粉鍋爐，額定蒸發量220t/h，于2003年至2004年初相繼投入運行。鍋爐燃料為陜西彬長、黃陵及銅川礦區的煙煤，含硫量不大于1.8%。為滿足《火電廠大氣污染物排放標準》（GB13223-2011）的要求，自2013年12月起對3臺鍋爐實施脫硫、脫硝和除塵改造，2014年6月至9月相繼改造完畢并投入運行。一年多來，3臺鍋爐始終處于穩定運行狀態，各項煙氣排放指標均滿足新建工程的大氣污染物特別排放限值的要求。文章對改造工程中選擇尿素SNCR+SCR聯合脫硝工藝的過程、建設和運行情況等做出回顧和分析，供相關技術人員借鑒。

1 脫硝工藝的選擇

根據當地市政府決策，煙氣NOX排放濃度應控制在100mg/Nm3之內，按所在省環保廳發布的文件規定脫硝還原劑只能選擇尿素，業主確定裝置壽命期按10年考慮。

鍋爐原先未采取任何脫硝措施，根據環保監測情況，確定設計初始NOX排放濃度為750mg/Nm3。考慮到燃煤揮發分較高，首選低氮燃燒改造，借鑒同煤質電廠的改造經驗，確定爐膛出口NOX排放濃度保證值為350mg/m3。

煤粉鍋爐燃燒部位以后的常規脫硝工藝為SCR法，其脫硝反應器需拉出布置在爐后。但本項目爐后與除塵器之間的距離較近，反應器布置極為困難；其次，如采用SCR法，需為每臺鍋爐增設40余米高的鋼架吊掛反應器，工程量和投資很大，業主的資金壓力較大；再次，由于施工場地狹小，采用SCR法必然與緊鄰的電除塵改造出現交叉施工，工期難以安排。

經調研和論證，最終決定采用SNCR+SCR聯合脫硝工藝解決上述難題。該工藝主要流程為：在850～1100℃溫度窗口，將尿素噴入爐膛或煙道，先把部分NOX還原成N2，此過程被稱為選擇性非催化還原（SNCR）；煙氣中剩余的NOX及尿素熱解產生的NH3進入后部煙道，在310℃～420℃溫度窗口和催化劑的作用下進一步完成脫硝還原反應，此過程被稱為選擇性催化還原（SCR）。就本項目而言，由于該工藝增加了SNCR處理環節，不需要設置NH3混合均流區，催化劑用量亦可減為一層，所以經計算反應器可以布置在既有鍋爐鋼架之內，從而解決了場地布置困難和工期不足的問題，經詢價投資可減少1200萬元以上。

2 尿素SNCR+SCR聯合脫硝裝置的建設和運行情況

尿素SNCR+SCR聯合脫硝工藝實施成功的關鍵在于：在鍋爐各種可能運行工況下，SNCR和SCR反應區域的煙氣溫度都能保持在各自溫度窗口的中間值附近。通過對鍋爐設計資料和實際運行工況的分析研究，最終方案為：SNCR反應區域設置在過熱器煙道側，在煙氣溫度不同的位置各設一組尿素噴槍，通過切換噴槍來滿足反應溫度要求；SCR反應區域設置在高溫省煤器后，通過對高溫省煤器進行改造，使該區域的溫度在鍋爐各種可能運行工況下均滿足要求。

運行證明上述方案實施的非常成功，煙氣NOX排放濃度完全控制在100mg/Nm3之內，部分時間在50mg/Nm3之內。前兩臺鍋爐在試運行期間，先后因尿素滴液腐蝕發生爆管事故，經有針對性的調整噴槍伸入位置和采取保護措施后，各爐運行平穩。

3 尿素SNCR+SCR聯合脫硝工藝的技術和經濟分析

3.1 SNCR+SCR聯合脫硝工藝的技術分析

煙道內的脫硝工藝就工作原理來講，都是通過化學反應，將煙氣中的氮氧化物還原為氮氣；其反應的完全程度（亦即脫硝效率）與反應區域的煙氣溫度高低存在密切聯系，當處于溫度窗口的中間值時脫硝效率最高，偏離時脫硝效率下降，如處于溫度窗口之外，則基本上沒有脫硝效果。

對于SCR脫硝工藝，尿素溶液首先在專用的熱解爐中熱解產生氨氣，然后將氨氣與煙氣混合均勻后在SCR反應區域進行還原反應，因此只要該反應區域的煙氣溫度處于溫度窗口的中間值附近，就可以保證脫硝效率。SNCR+SCR聯合脫硝工藝則相對復雜，先后在 SNCR反應區域和SCR反應區域分別進行還原反應，要保證脫硝效率，必須使兩個反應區域的煙氣溫度都處于各自溫度窗口的中間值附近。煙氣溫度理論上和鍋爐負荷相對應，但在實際運行中，受煤質、煤粉細度、氧量和燃燒調整等因素影響，煙氣溫度場分布不可避免會出現偏差，尤其是SNCR反應區域的煙氣溫度變化更為劇烈、頻繁。對SNCR+SCR聯合脫硝工藝而言，很難保證兩個反應區域的煙氣溫度都處于各自溫度窗口的中間值附近；往往這個區域合適了，那個區域又偏離了，現在合適了，轉瞬又偏離了。因此脫硫效率隨之不斷變化，煙氣NOX排放濃度變動幅度較大且頻繁。對SNCR+SCR聯合脫硝工藝而言，當脫硫效率下降，煙氣NOX排放濃度較大時，除了切換尿素噴槍外，沒有其他及時有效的調控手段；煤粉鍋爐的運行操作人員往往只能通過增加尿素噴入量來限制其上升幅度，而難以對反應區域的煙氣溫度直接進行控制。這樣一方面增加了尿素的消耗量（在煙氣NOX排放濃度指標要求較高時尤其如此，與SCR法相比全年尿素消耗量高出一倍左右）；另一方面部分反應不完全的尿素及其熱解產物吸附在飛灰上排出爐外，影響飛灰的品質和經濟價值，并最終進入環境對其產生負面影響。

同時，對于SNCR+SCR聯合脫硝工藝，尿素溶液噴入鍋爐前需要再次用水稀釋，稀釋后的尿素濃度平均在10%左右，其中的水分進入鍋爐后將吸收熱量汽化，這樣就對鍋爐造成了一定的熱損失。SCR法固然也存在類似的問題，但該工藝進入系統的一般是不經稀釋的尿素溶液，尿素濃度在40%左右，水的含量要小得多，相應的熱損失就小得多。與SCR法相比，采用SNCR+SCR聯合脫硝工藝鍋爐效率降低0.6%左右，表現為鍋爐在相同工況下的耗煤量增大。

綜上所述，與SCR法相比，SNCR+SCR聯合脫硝工藝的對負荷變化、煤質變化的適應性相對較差，能耗較大，對環境的影響較為不利。

3.2 SNCR+SCR聯合脫硝工藝的經濟分析

與SCR法相比，SNCR+SCR聯合脫硝工藝一般不需要設置熱解爐和脫硝反應器鋼架，初投資低30%左右。從運行成本來說，SNCR+SCR聯合脫硝工藝的尿素和燃煤的消耗量大，但電耗低，相抵后與SCR法相比運行成本仍明顯偏高。一般來說，對于裝置壽命期較短的鍋爐改造項目、季節性運行的鍋爐、調峰和備用鍋爐，固定資產折舊費在成本費用中的占比較大。而SNCR+SCR聯合脫硝工藝的初投資低，相應的折舊費較低，此時在經濟性上占有一定優勢。

4 意見和建議

對于裝置壽命期較短的煤粉鍋爐改造項目、季節性運行的煤粉鍋爐、調峰和備用煤粉鍋爐，建議根據項目的具體情況，選擇SNCR+SCR聯合脫硝工藝與其他脫硝工藝進行綜合技術和經濟對比分析，確定最佳的脫硝技術方案。根據我們的調研、論證和運行經驗，該工藝如要在煤粉鍋爐上成功應用，應同時具備以下條件：（1）環保要求不能太高，煙氣NOX排放濃度控制指標不應小于100mg/Nm3。（2）鍋爐負荷應穩定，鍋爐在運行中的蒸發量不宜低于額定值的70%。（3）燃煤的煤質應穩定，發熱量的偏差不宜大于設計值的10%，揮發分的偏差不宜大于設計值的20%。

作者簡介：雷鳴（1980-），男，陜西省延長縣人，職稱：工程師，學歷：碩士研究生，主要研究方向：熱力工程、節能環保。