一種新型SNCR脫硝技術工程應用試驗研究

王煒

摘要：為提高SNCR脫硝效率，我們嘗試采用新的SNCR噴槍投退控制方式，即將第一煙道沿豎直方向取3個標高，每層標高橫截面分成3個區域，每個區域設置若干支溫度測點，測量該區域溫度，然后取平均值作為該區域的溫度值，SNCR噴槍跟蹤該溫度值進行投退。同時根據區域大小不同設置噴槍數量，便于噴射的還原劑盡快覆蓋整個煙道。同時，我們還對新的控制方式和傳統控制方式的脫硝效果進行了比較。

關鍵詞：SNCR脫硝? 溫度均值? 分區控制? 脫硝效果比較

1.簡介

國家從可持續發展的角度出發，不斷嚴格限制排入大氣中的氮氧化物，“十二五”規劃要求十二五期間每年氮氧化物排放減少10%，國家標準《生活垃圾焚燒污染控制標準》（GB18485-2014）要求垃圾發電廠煙氣中的氮氧化物排放達到250 mg/Nm（日均值）以下，一線城市更是要求垃圾發電廠煙氣中的氮氧化物排放達到80 mg/Nm（日均值）以下。要達到以上要求，垃圾發電廠必須設置脫硝裝置。

目前垃圾發電廠常用的脫硝技術有選擇性非催化還原法（SNCR）和選擇性催化還原法（SCR）兩種。

與SCR相比，常規SNCR具有：不需要催化劑，舊設備改造少、占地面積小、建設周期短，投資運行費用少等優點，能使煙氣中NOx降低到200 mg/Nm（日均值）以下，滿足國標和歐盟2010/75/EU標準要求。若要求更高，需要設置SCR脫硝裝置。

由于垃圾成分對催化劑影響的原因，垃圾焚燒廠SCR煙氣脫硝裝置不能像火電廠一樣將SCR設置在煙氣溫度350℃左右的煙氣區域，而需要設置在煙道尾部的低溫區（150℃左右），從150℃加熱至350℃經濟成本代價太大，需要采用低溫催化劑。目前市場上成熟的低溫催化劑工作溫度區域位于180～230℃之間，而且低溫催化劑成本很高，垃圾焚燒廠采用SCR裝置由于需要將煙氣溫度提高以及采用成本很高的低溫催化劑，這會導致投資和運行成本大幅增加，因此研究高效SNCR很有必要。

2.SNCR脫硝效率影響因素

研究表明，影響SNCR脫硝效率的影響因素有很多，主要有反應溫度、NH/NOx摩爾比、還原劑種類、煙氣中含氧量等。

研究表明，NH還原NO的反應只能在一定溫區內才能以一個合適的速率進行，我們稱這個溫度范圍為SNCR的反應“溫度窗口”。雖然很多因素會影響溫度窗口的范圍和最佳反應溫度，但一般認為大致在871℃～1034℃。

3.高效SNCR脫硝技術特點

目前，垃圾焚燒行業SNCR工藝是根據某一工況余熱鍋爐沿第一煙道溫度場豎直分布情況，在適合脫硝反應的“溫度窗口”標高處設置固定的SNCR噴槍，通過此噴槍向煙氣中噴入還原劑，來脫除煙氣中的氮氧化物。但由于機組負荷發生變化，原噴槍設置處溫度與設計值會有較大偏差，SNCR的藥劑噴入高度不再是最佳反應溫窗。此外，由于第一煙道寬度大，且爐排爐焚燒時會出現偏燒現象，導致同一高度截面內溫度不同。因此，現有的按照某一固定標高投入整層噴槍的形式脫硝效率較低。

高效SNCR技術是將第一煙道沿豎直方向取3個標高，每層標高橫截面分成3個區域，每個區域設置若干支溫度測點，測量該區域溫度，然后取平均值作為該區域的溫度值，SNCR噴槍跟蹤該溫度值進行投退。同時根據區域大小不同設置噴槍數量，便于噴射的還原劑盡快覆蓋整個煙道。

4.系統介紹

4.1 系統設置

本項目在某2×600t/d垃圾焚燒發電項目的2號線上進行，在2號余熱鍋爐第一煙道25.6m、28.8m、31.85m布置三層噴槍，并在22.4m預留孔位。每層左右兩側各布置1支噴槍，前墻布置5支噴槍，左右兩側各布置2個溫度測點，前墻布置4個溫度測點。具體如下圖所示：

每層中間區域噴槍3.2a、3.2b、3.2c跟蹤溫度測量裝置2.2a、2.2b、2.2c、2.2d測得溫度的平均值，當某層中間區域溫度均值與其他層中間區域溫度均值相比更接近最佳反應溫度，則該層噴槍3.2a、3.2b、3.2c投入使用，其他層噴槍3.2a、3.2b、3.2c退出。

每層左側區域噴槍3.1a、3.1b跟蹤溫度測量裝置2.1a、2.1b測得溫度的平均值，當某層左側區域溫度均值與其他層左側區域溫度均值相比更接近最佳反應溫度，則該層噴槍3.1a和3.1b投入使用，其他層噴槍3.1a和3.1b退出。

每層右側區域噴槍3.3a、3.3b跟蹤溫度測量裝置2.3a、2.3b測得溫度的平均值，當某層右側區域溫度均值與其他層右側區域溫度均值相比更接近最佳反應溫度，則該層噴槍3.3a和3.3b投入使用，其他層噴槍3.3a和3.3b退出。

4.2 系統設備

系統包括氨水溶液和軟水混合分配單元、還原劑噴射系統、壓縮空氣分配單元、其他配件及備品備件，并將系統控制接入DCS，可實現對SNCR系統的遠程操控及監控。

5.試驗數據結果分析

5.1 固定2號爐噴槍試驗數據對比

為減少變量，我們第一次對比在2號爐上進行，對比工況分別為SNCR噴槍投自動、SNCR噴槍退自動固定投噴，并選取1號線單獨運行時的數據進行補充對比。

由于流量計顯示值波動太大，故選取氨水儲罐液位作為氨水耗量的統計指標，每次數據采集都在只有一條線單獨運行的時候進行。

通過上表可知：

（1）1號線的煙氣量均值小于2號線，理論上氨水耗量與煙氣量是成線性關系的。所以我們以1號線為基準，對2號線的兩種試驗工況氨水耗量進行了折算，具體結果如下：

2號爐固定噴槍氨水折算量與實際統計量相差不大（僅為4.6%），但噴槍投自動的氨水折算量與實際統計量相差較大（高達39.4%），因此2號爐噴槍投自動工況下實際統計的氨水耗量可靠性較差。

（2）假設同體積煙氣中的氮氧化物含量相同，忽略其他影響因素，我們以1號線為基準，利用煙氣量對2號線的兩種試驗工況氮氧化物排放濃度進行了折算，具體結果如下：

在上述假設條件下，三個試驗的NOx排放濃度均相差不大，噴槍投自動的SNCR脫硝方式效率未體現出優越性。此外，單純對比2號爐噴槍投自動和不投自動兩種情況下的NOx排放濃度也相差不大（分別為165.47mg/Nm和164.23mg/Nm），噴槍投自動的SNCR脫硝方式效率也未體現出優越性。

5.2 1～9月歷史數據對比

由于上一組對比試驗中出現了氨水耗量統計不準確的可能性，我們調取了進行試驗的生活垃圾焚燒發電項目兩條焚燒線1～8月的歷史數據，具體數據見下表：

根據理論計算和工程實踐經驗，我們判斷上表中2號爐4月、5月、6月氨水耗量臺賬記錄數據是不準確的，故不對以上幾個數據進行分析。

通過上表可知，1～8月期間，雖然每月各條線的氨水耗量不同，但同一個月度中2號爐噸垃圾氨水耗量均略高于1號爐，其中1月份和3月份2號爐噸垃圾氨水耗量比1號爐耗量分別高25.26%和17.54%，7月份和8月份兩臺爐噸垃圾氨水耗量偏差較小，均在3%以內。同時，在有數據可查的7月和8月中，2號爐的氮氧化物排放濃度略低于1號爐，但偏差較小，均在3%以內。

由此可見，通過長時間對比1號爐和2號爐SNCR投自動工況下的數據，2號爐的SNCR自動控制運行方式并未體現出優勢。

通過以上對比，我們初步認定在現有試驗條件下，根據目前采集到的數據，2號爐SNCR采用新的控制方式并未體現出優越性。可能的原因有以下幾點：

（1）2號爐SNCR系統新的自動控制方式的核心控制參數為對應區域的平均溫度值，自動控制系統采用的溫度數據可能與該區域溫度的真實值仍有一定的偏差。

（2）由于不同層高、同一層高的不同區域沒有物理隔斷，所以還原劑噴入爐膛后，可能擴散至其他區域，導致部分還原劑未全部在設計反應區域內反應。根據相關文獻介紹的SNCR反應原理，部分還原劑進入其他區域，可能發生氮氧化物的生成反應。

（3）SNCR脫硝反應機理復雜，影響因素眾多，與反應溫度、NH3/NOx摩爾比、還原劑種類、煙氣中含氧量等都有關系。雖然溫度是其中重要的影響因素，但在新的控制方式下，由于還原劑噴入不同層、不同區域，可能導致某種程度上削弱了溫度對反應效果的影響力。

6.結論

我們認為如果新建項目投產后的實際垃圾熱值與設計垃圾熱值基本一致，且項目實際運行過程中垃圾熱值穩定，運行工況無大幅波動，那么根據余熱鍋爐第一煙道溫度分布情況，固定投噴在最佳反應溫窗布置的SNCR噴槍，它的脫硝效率是最高的，其他任何形式的SNCR投噴方式的脫硝效果都不會超過它。

本次試驗的新型SNCR運行方式，暫未體現出其相較于傳統運行方式的優越性，但考慮到新型SNCR運行方式中諸多控制變量的測定值與實際值一致性存在不確定性，建議修改噴槍切換溫度等設定值，進行長期觀察試驗，以獲得更多且更準確的運行數據。

參考文獻：

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