某350MW循環(huán)流化床超低負荷下SNCR脫硝性能分析

李寧，丁雪松，徐雨紅，趙新建，王毅斌，楊祖旺

（1.華電國際電力股份有限公司朔州熱電分公司，山西 朔州 036000；2.西安交通大學能源與動力工程學院；3.西安格瑞電力科技有限公司，陜西 西安 710049）

2020年我國提出，2030年非化石能源占一次能源消費比重將達到25%左右，且預計“十四五”期間，全國年度新增光伏裝機容量有望超過4000萬kW，年度新增風電裝機有望達到2500萬kW，提高新能源并網比例是大勢所趨，更多火電機組將參與電網調峰工作。為了鼓勵火電機組提升深度調峰能力和運行靈活性，電網深度調峰補償非常豐厚。目前循環(huán)流化床主要采用選擇性非催化還原（SNCR）技術脫硝，脫硝效率可達到50%～80%。然而，由于SNCR反應效率受制于鍋爐床溫，在低負荷工況下存在脫硝效率偏低、氨逃逸率高等問題。本文對比分析了某350MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐超低負荷下氮氧化物不能實現超低排放的原因。

1 機組概況

某350MW超臨界變壓運行直流爐、循環(huán)流化床燃燒方式，一次中間再熱。表1為2020年11～12月入爐煤的煤質與粒徑分布統(tǒng)計數據。可以看到，入爐煤中仍有20%左右的煤粒粒徑大于10mm，不符合原煤二級破碎機出口煤的入爐粒度要求。圖1是實際機組運行中32天實際機組運行DCS圖像中NOx排放值。可以看到，在120MW（34%負荷）和300MW（86%）間變化時，NOx超標情況經常出現，說明機組在變負荷下靈活性以及低負荷下脫硝系統(tǒng)性能不佳。

圖1 實際機組運行中NOx排放值

表1 2020年11～12月入爐煤的煤質與粒徑分布

2 SNCR脫硝性能分析

2.1 SNCR

SNCR煙氣脫硝系統(tǒng)一般由尿素溶液制備系統(tǒng)、溶液稀釋系統(tǒng)、計量分配系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)等組成。該機組尿素噴槍呈交錯布置。表2為機組在83%、64%、51%、41%負荷下的脫硝相關參數。雖然出口煙氣NOx均小于50mg/Nm3，但尿素耗量較大，尤其是41%負荷下。鍋爐目前可以在30%～40%負荷下穩(wěn)定燃燒，但40%負荷下即使增加尿素噴入量，仍不能達到NOx＜50mg/Nm3的要求，無法實現超低負荷深度調峰，嚴重影響機組的經濟性。

表2 不同負荷下脫硝系統(tǒng)相關參數

2.2 存在問題及分析

目前機組存在以下問題：該機組不投運SNCR，負荷高于50%時，爐膛出口NOx小于150mg/Nm3，投運后可滿足爐膛出口NOx小于50mg/Nm3，但尿素耗量偏大；機組在30%～40%負荷下，但當機組負荷小于40%時，投運SNCR也不能保證爐膛出口NOx小于50mg/Nm3；在升降負荷時風量增減不及時，也存在NOx排放＞50mg/Nm3現象。

結合實際運行數據，原因可能如下：

（1）機組鍋爐二次風配風方式不合理，密相區(qū)供給二次風比例較高，爐內未實現密相區(qū)低氧低氮燃燒。

（2）兩層二次風大角度噴入密相區(qū)，風溫較低，過早同一次風混合，密相區(qū)氧濃度過高。

（3）低負荷、低煙氣流速下尿素溶液霧化效果較差，霧化液滴同煙氣混合均勻性較低，存在局部空間混合短路，嚴重影響SNCR的脫硝效率。

（4）低負荷下爐內床溫過低，爐膛出口溫度約820℃，偏離SNCR最佳反應溫度區(qū)間，反應時間短，脫硝效率低。

3 影響尿素熱解脫硝效率的因素分析及應對策略

3.1 影響脫硝效率因素

SNCR脫硝效率主要同反應溫度、反應時間、氨氮摩爾比、還原劑噴射點等相關。當溫度大于800℃，噴氨對NOx濃度影響最明顯。以尿素為還原劑的SNCR脫硝系統(tǒng)，其“溫度窗口”為850～1050℃。在730～950℃氨作為反應劑的脫硝效率高于尿素作為反應劑的脫硝效率，950℃以上尿素作為反應劑的脫硝效率高于氨作為反應劑的脫硝效率。韓丁等認為，在900～920℃，NH3初期消耗不高，脫硝效率最高。NH3反應時間＞1s時脫硝效率最佳。旋風分離器進口布置噴槍，還原劑的停留時間最長，保證了反應所需時間。此外，氨氮摩爾比根據實際經驗，一般控制在1.0～2.0最佳，超過2.5時雖然會造成氨逃逸增加，引起新的污染問題。

3.2 解決策略

（1）現有密相區(qū)供給二次風比例較高，未能實現低氧低氮燃燒，需要增設上層分離二次風，通過CFD模擬可以設計得到稀相區(qū)二次風最佳供給位置、角度及風率。

（2）低負荷下尿素噴槍霧化效果變差，煙氣同霧化液滴混合變差，可以對分離器入口進行改造，以提高煙氣速度，加強低負荷下氨氮混合，模擬計算并優(yōu)化設計尿素噴嘴結構，更換/新增分離器進口當前布置的SNCR噴槍，增強單噴槍霧化效果。

（3）低負荷下爐內床溫過低，進行燃燒優(yōu)化調整，改善鍋爐燃燒特性，控制燃燒溫度均勻，控制入爐燃料顆粒度，調整一、二次風率，上下二次風、返料循環(huán)等，觀察原始生成量變化。

4 結語

針對該機組低負荷下NOx排放超標問題，結合實際運行數據詳細分析了其可能原因和影響尿素熱解脫硝效率的因素。這同機組未能實現低氧低氮燃燒、低負荷下尿素霧化、與煙氣混合效果差以及爐內床溫過低等相關，本文給出了具體應對策略與調整改造方向。