模块化SNCR脱硝技术在循环硫化床锅炉上的应用分析

马 务

(大唐科技产业集团有限公司,北京 100048)

模块化SNCR脱硝技术在循环硫化床锅炉上的应用分析

马 务

(大唐科技产业集团有限公司,北京 100048)

设计了一套模块化SNCR脱硝系统，在两台循环流化床锅炉上进行了实际应用，分析了影响脱硝效率的主要因素和调整措施；锅炉在100%和85%负荷下，氮氧化物的排放分别70和53 mg/Nm3，均在国家规定的100 mg/Nm3以下，脱硝效率分别为53.3%和63.5%，各个工况下，锅炉烟气的氨逃逸均在8 mg/Nm3以下。

循环硫化床锅炉；脱硝效率；选择性非催化还原技术；模块化

0 引 言

我国是一个以煤炭为主要能源的国家，煤在一次能源中占75%，其中84%以上是通过燃烧方法利用的。煤燃烧所释放出的氮氧化物(NOx)，是造成大气污染的主要污染源之一[1-2]。一方面，NOx会对神经中枢产生影响，并可能破坏大气层；另一方面，NOx又是形成酸雨的主要因素，造成环境污染和经济损失。因此，合理、高效、文明地利用有限的煤炭资源，开发低排放燃烧技术和降低NOx排放量是现在急需解决的问题[3-5]。

目前，降低NOx排放量的烟气脱硝技术主要有选择性催化还原法(SCR)脱硝技术和非选择性催化还原法(SCR)脱硝技术。SCR技术的特点是脱除效率高，运行可靠，缺点是系统复杂，投资大，催化剂需定期更换且容易失效，一般用于NOx产量较高的煤粉炉；SNCR技术的特点是设备简单，投资小，适用于NOx产量较低的CFB锅炉[6-7]。

1 原理概述

SNCR技术是指在不用催化剂的情况下，将氨气或尿素等还原剂喷入炉内与NOx进行选择性反应。还原剂喷入炉膛温度为800～1 250 ℃的区域，该还原剂与烟气中的NOx进行反应生成氮气和水[8-9]，该方法是以炉膛为反应器。

在800～1 250 ℃范围内，NH3或尿素还原NOx的主要反应为：

氨水为还原剂:

尿素为还原剂:

不同还原剂有不同的反应温度范围，此温度范围称为温度窗口。当反应温度过高时，由于氨的分解会使NOx还原率降低，另一方面，反应温度过低时，氨的逃逸增加，也会使NOx还原率降低[10]。

2 系统介绍

2.1 锅炉参数

某热电厂有两台型号为：DG450/9.81-1型循环流化床锅炉。锅炉型式为：高压自然循环汽包炉。特点为：单炉膛、平衡通风、全钢架支吊方式。锅炉采用循环流化床燃烧技术，在燃用设计煤种时，能够在30%～100%负荷范围内稳定运行，循环物料的分离采用2个汽冷式旋风分离器。锅炉设计排烟温度为130 ℃，锅炉设计效率91.2%。炉膛出口烟温760～890 ℃，氮氧化物出口浓度102～176 mg/Nm3(标态、干基、6%O2)。

表1 锅炉设计燃料特性表

表2 锅炉烟气参数表

2.2 脱硝系统

脱硝系统采用尿素作为还原剂，主要分为尿素溶液制备、输送和喷射三部分。尿素溶液制备系统主要有尿素溶解罐、溶液输送泵、尿素溶液储罐及相关管道阀门仪表组成，主要功能是制备50%质量浓度的尿素溶液；尿素溶液输送系统采取模块化设计供货，有稀释水模块、高流量循环模块、背压模块、计量模块和分配模块组成，其功能是将50%质量浓度的尿素溶液稀释成5%～10%质量浓度的尿素溶液，并送至锅炉平台附近；稀释后的尿素溶液经雾化后由喷枪送入锅炉旋风分离器进口烟道。系统流程如下图1所示。

图1 脱硝系统流程图

模块化设备的优点是功能相似的管路及组件集成为统一模块，功能集中程度高，流程控制更加清晰，并减少与现场的交叉施工，方便工程应用。

3 运行情况

两台炉公用一套尿素溶液制备系统、高流量循环模块及背压模块，每台炉有一套稀释水模块和计量模块，两套分配模块，每个分配模块对应六支喷枪，每台炉共12支喷枪，每个喷枪有三条管路，分别是尿素溶液管路、雾化空气管路和冷却空气管路，雾化空气的作用是将尿素溶液雾化成颗粒状液滴，便于在分离器内受热分解，冷却空气的作用是壁面喷枪本体温度过高，影响正常运行。脱硝系统不同负荷下的运行数据见表3。

表3 脱硝系统运行数据表

尿素溶液储罐里50%质量浓度的溶液由高流量循环模块以5倍的循环倍率输送至计量模块，计量模块根据锅炉运行情况，通过电动调节阀控制所需尿素溶液流量，其余的溶液由背压模块返回尿素溶液储罐，稀释水模块将系统所用稀释水输送至计量模块稀释水管路，在计量模块内与50%尿素溶液混合，配置成5%～10%质量浓度的尿素溶液，最后由分配模块送至喷枪，溶液经雾化后进入循环流化床锅炉旋风分离器内，与烟气进行反应。

锅炉在不同负荷下的运行数据见表4。

表4 锅炉运行参数表

可以看出，锅炉在100%和85%负荷下，氮氧化物的排放分别70和53 mg/Nm3，均在国家规定的100 mg/Nm3以下，脱硝效率分别为53.3%和63.5%，各个工况下，锅炉烟气的氨逃逸均在8 mg/Nm3以下。

4 影响因素

4.1 反应温度

SNCR脱硝反应过程受温度的影响较大，当反应温度超过1 000 ℃时，氨气被氧化成NOx，氧化反应起主导；反应温度低于1 000 ℃时，氨气与NOx的还原反应占主导，但反应速率降低，易造成未反应的氨气逃逸过高。SNCR脱硝反应的过程是上述两类反应相互竞争、共同作用的结果，选取合适的温度条件是提高脱硝效率的关键，图2是脱硝效率随温度的变化曲线，由图中可以看出，当反应温度在850～1 000 ℃时，脱硝效率较高。

图2 脱硝效率随反应温度的变化曲线

4.2 停留时间

停留时间指的是还原剂在炉内完成与烟气的混合、液滴蒸发、热解成NH3、NH3转化成游离基NH2、脱硝化学反应等全部过程所需要的时间。

延长反应区域内的停留时间，有助于反应物质扩散传递和化学反应，提高脱硝效率。当合适的反应温度窗口较窄时，部分还原反应将滞后到较低的温度区间，较低的反应速率需要更长的停留时间以获得相同脱硝效率。当停留时间超过1 s时， 易获得较高的脱硝效果。循环流化床锅炉烟气自旋风分离器入口到锅炉在热器之间，在该段行程内的时间在2 s以上，可以达到较高的脱硝效率。

4.3 氨氮比

氨气与NO的理论化学反应当量比为1∶1，但由于部分NH3被氧化成二氧化氮等其他类型的NOx，以及小部分未反应的NH3随烟气排入大气。因此，实际应用中需要更多的还原剂喷入炉膛才能达到较理想的脱硝效率。此外，当原始NOx浓度较低时，脱硝还原化学反应动力降低，为达到相同的脱硝效率，需要喷入炉内更多的还原剂参与反应。图3是不同氨氮比下，脱硝效率随反应温度的变化曲线，可以看出，不同氨氮比下，均有一个使脱硝效率最高的反应温度，氨氮比越高，脱硝效率越高，氨氮比在2以上时，脱硝效率增加的不明显；循环流化床锅炉的氨氮比一般取1.3～2之间。

图3 不同氨氮比下的脱硝效率

实际运行中，也可以通过对脱硝设备运行参数的调整来达到更高的脱硝效果。当反应区域温度较低时，可以增大分配模块雾化空气管路的压力，减小尿素溶液液滴的粒径，使反应易于进行；反之，则可以较小分配模块雾化空气管路的压力，增大尿素溶液液滴的粒径，增加反应所需的气化潜热。

5 结束语

由于SNCR脱硝技术对温度要求比较高，而循环流化床锅炉的运行特点可以保证还原剂可以在合适、均匀的温度区间内与锅炉烟气进行反应。在本文所述的循环流化床锅炉中，SNCR系统的脱硝效率在各个工况下可以达到50%以上，保证NOx排放在100 mg/Nm3的国家标准以内。

[1] 刘洪涛，牛胜利，韩奎华，等. 非催化烟气还原脱硝法脱硝特性的实验研究[J]. 动力工程，2009,29(9)：850-853.

[2] 郝吉明，王书肖，陆永琪. 燃煤二氧化硫污染物控制技术手册[M]. 北京：化学工业出版社，2001.

[3] 段传和，夏怀祥，等. 选择性非催化还原法(SNCR)烟气脱硝[M]. 北京：中国电力出版社，2012.

[4] 黄 中，高洪培，孙献斌，等. 最新环保标准下对循环硫化床锅炉环保性的再认识[J]. 电站系统工程，2012,28(6)：13-16.

[5] 王岳军，刘学炎. SNCR脱硝技术在循环硫化床中的应用[J]. 环境工程，2013,31(1)：59-62.

[6] 曾德醒. SNCR脱硝技术在循环硫化床锅炉中的应用[J]. 科技与生活，2010(20)：119.

[7] 罗朝晖，王恩禄. 循环硫化床锅炉选择性非催化还原技术及其脱硝系统的研究[J]. 动力工程，2008，28(3)：442-446.

[8] 吴 迪，张光学，池作和，等. 循环硫化床锅炉SNCR还原剂喷射系统布置方式研究[J]. 电站系统工程，2012,28(5)：14-17.

[9] 沈伯雄，刘 亭，韩永富. 选择性非催化还原脱除氮氧化物的影响因素分析[J]. 中国电机工程学报，2008(23).

[10] 韩奎华，路春美，王永征，等. 选择性非催化还原脱硝特性试验研究[J]. 中国电机工程学报，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

马 务(1988-)男，大唐科技产业集团有限公司，硕士，从事火电厂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