魏春旺，高洪瑞，張鳳全，李 丹，侯蔚然，周 友

（北京市順義大龍城鄉(xiāng)建設開發(fā)總公司，北京 101300）

集中供熱鍋爐煙氣脫硝技術的開發(fā)與應用

魏春旺，高洪瑞，張鳳全，李 丹，侯蔚然，周 友

（北京市順義大龍城鄉(xiāng)建設開發(fā)總公司，北京 101300）

通過鍋爐結構的改進、SCR工藝裝置的優(yōu)化、快速跟蹤負荷變化的還原劑制備及控制調節(jié)技術的開發(fā)和應用等系統(tǒng)性的工作，有效滿足了集中供熱鍋爐房煙氣脫硝工程的技術要求，成功開發(fā)了集中供熱鍋爐煙氣脫硝技術。在實際工程應用中，確保了在不同負荷段下，鍋爐至SCR裝置入口段的溫度滿足脫硝要求，SCR工藝裝置能夠在不同負荷下連續(xù)穩(wěn)定運行并很好地跟蹤負荷的變化，確保氨逃逸率滿足設計要求，保證鍋爐的安全穩(wěn)定運行。

煙氣脫硝;SCR;集中供熱;鍋爐

引言

集中供熱是指以熱水或蒸汽作為熱媒，由一個或多個熱源通過熱網(wǎng)向城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)或其中某些區(qū)域熱用戶供應熱能的方式。集中供熱目前已成為現(xiàn)代化城鎮(zhèn)的重要基礎設施之一，是城鎮(zhèn)公共事業(yè)的重要組成部分。采用集中供熱鍋爐房能夠有效減少分散采暖的污染物排放，同時能夠提高采暖熱效率，降低采暖煤耗，是當前以及未來較長一段時間內，我國北方廣大地區(qū)城鎮(zhèn)居民冬季集中采暖供熱的主要方式。我國北方地區(qū)采暖季一般為4個月左右，集中供熱鍋爐房鍋爐運行受熱負荷需求波動的影響較大，在采暖季初及采暖季末熱負荷較低，因此鍋爐負荷較低。同時具有晝夜及短時負荷變化大、各段爐溫不穩(wěn)定的特點。

隨著我國固定污染源大氣污染物減排力度的加大，集中供熱鍋爐房的NOx減排已提到議事日程，北京市出臺的地方標準—《鍋爐大氣污染物排放標準》（DB11/139-2007）已將供暖工業(yè)鍋爐的NOx排放要求與電廠鍋爐排放標準一致，定為150mg/Nm3。在推進集中供熱鍋爐房煙氣脫硝減排的過程中，主要采取將現(xiàn)有的用于大型燃煤電廠的選擇性催化還原（SCR）脫硝成熟工藝移植到集中供熱領域的方式，但在論證中發(fā)現(xiàn)，簡單移植的SCR脫硝工藝對集中供熱鍋爐負荷頻繁變化及爐溫變化難以適應，原有SCR脫硝技術無法達到連續(xù)穩(wěn)定運行的效果，因此直接移植到本項目是不可行的，導致該領域NOx減排工作推進緩慢。

本項目通過對鍋爐結構的改進、SCR工藝裝置的優(yōu)化以及快速跟蹤負荷變化的還原劑制備及控制調節(jié)技術的開發(fā)和應用等系統(tǒng)性的工作解決了以上問題，確保了在不同負荷段下，鍋爐至SCR裝置入口段的溫度滿足脫硝要求，SCR工藝裝置能夠在不同負荷下連續(xù)穩(wěn)定運行并很好地跟蹤負荷的變化，保證了氨逃逸率滿足設計要求。

通過本項目的研究開發(fā)并最終在實際工程項目中的實施，能夠較為有效地滿足集中供熱鍋爐房煙氣脫硝工程的技術要求，是本領域行之有效的技術方案，對推進集中供熱鍋爐房NOx減排工作具有重要的現(xiàn)實意義。同時也為中小型工業(yè)鍋爐的NOx減排提供了一條可行的技術路線。

1 鍋爐改造

為保證SCR系統(tǒng)入口煙溫滿足工況要求，通過改進鍋爐結構和受熱面布置方式，使得鍋爐在較寬負荷范圍波動時，SCR裝置入口煙氣溫度均能夠滿足290℃～410℃高溫催化劑的工作溫度，使SCR裝置處于能夠連續(xù)投運的狀態(tài)。

對鍋爐結構進行了調整，以某64MW鍋爐為例，經(jīng)過重新進行熱力計算和研究，確定以低負荷21MW為基準，確保在此之上的基本負荷段，SCR出口煙溫在290℃～410℃之間，布袋除塵器入口煙溫不低于90℃。此時脫硝入口煙溫處于脫硝溫度區(qū)間內。經(jīng)過熱力計算，在此溫度范圍內既保證了脫硝的運行，又保證了鍋爐的設計能力和熱效率。同時排煙溫度確保布袋不會發(fā)生低溫腐蝕。結構上的調整如圖1所示。對對流管束進行了相應的調整，從爐后起，每側拆除了膜式壁換熱面的8塊封板，改造成可調節(jié)的閥板，使低負荷時，高溫煙氣短路混入鍋爐到脫硝設備入口的低溫區(qū)，提升煙氣溫度。高負荷時，調整閥板使短路通道關閉，保證鍋爐到脫硝設備入口的煙溫穩(wěn)定在脫硝工作范圍。

圖1 鍋爐結構調整示意圖

2 SCR工藝裝置優(yōu)化

2.1 SCR工藝技術原理

本項目基本工藝采用的選擇性催化還原法（SCR）工藝，該工藝是目前應用最廣、最有成效的煙氣脫硝技術。SCR技術是在催化劑作用下，以NH3作為還原劑，將NOx還原成N2和H2O。NH3不和煙氣中殘余的O2反應，因此稱這種方法為“選擇性”。

SCR技術的基本原理如圖2所示。

圖2 SCR技術基本原理

選擇適當?shù)拇呋瘎鲜龇磻梢栽?90℃～410℃的溫度范圍內有效進行。在NH3/NOx摩爾比為1的條件下，可以脫除煙氣中80%～95%的NOx。

2.2 SCR工藝系統(tǒng)的物料平衡

對整個煙氣脫硝過程工藝進行模擬研究，建立物料平衡、能量平衡、化學反應平衡的虛擬工程平臺，并依托該平臺，基于基本設計條件，對不同負荷及工況下的系統(tǒng)物料平衡狀況、物料消耗情況等進行了計算，為設計優(yōu)化提供了可靠的依據(jù)。計算條件、煙氣計算結果和氨、尿素消耗計算結果如表1、表2、表3所示。

表1 計算條件

表2 煙氣計算結果

表3 尿素消耗計算結果

2.3 SCR反應器及連接煙道流場優(yōu)化與數(shù)值模擬

良好的NH3/NOx混合和速度均布是保證脫硝效率的前提，也是選用經(jīng)濟合適的催化劑體積的基礎。為了達到低氨逃逸率（小于3ppm）及變負荷要求，分析各種負荷條件下速度及氨分布的變化情況也是極為重要的。通過對變負荷條件下流場的數(shù)值計算，可以進一步優(yōu)化煙道及導流葉片布置，使得在任何工況下均能達到設定目標。

SCR裝置通常置于鍋爐之后，煙氣溫度較高，且SCR反應器同常見的過程設備相比有其自身的特點，如設備尺度大、煙道布置局限性大等，并對速度、NH3/NOx、溫度及飛灰的負載分布提出了相當苛刻的要求，如通常要求第一層催化劑上表面的標準速度偏差小于10%，NH3/NOx摩爾比標準偏差小于5%，這對化工過程設備的放大設計而言，是個全新的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的設計方法只能給出一些定性的分析結果，而實驗研究亦因設備尺度的問題受到限制。同時，常規(guī)的冷態(tài)試驗模型雖可以依據(jù)相似原理獲取一定準則數(shù)相等條件下的煙氣速度分布規(guī)律，但對NH3的擴散和分布以及噴氨格柵數(shù)量巨大的噴嘴與下游催化劑上方NH3的對應關系卻無能為力。CFD工具的引入將有助于對SCR反應器及其連接煙道內流體流動、傳熱以及氨的擴散過程給出一系列的定性定量分析結果，為SCR反應器及其連接煙道的設計及工程調試積累寶貴的經(jīng)驗，同時結合現(xiàn)場測試結果，對數(shù)值計算結果進行驗證和修正，建立SCR反應器及其連接煙道的設計理論和方法。主要計算內容包括：

（1）采用有限體積算法對SCR反應器及其連接煙道進行數(shù)值模擬，通過改進煙道形狀、布置及加設導流葉片等措施，使得第一層催化劑上表面的速度標準偏差小于8%。

（2）通過數(shù)值計算，獲取了噴氨格柵上每一位置的開孔噴出的氨的流動軌跡及遷徙規(guī)律，并對其進行了優(yōu)化設計。通過調整開孔位置及大小，使得第一層催化劑上表面的NH3/NOx摩爾比標準偏差小于4%。

（3）對BMCR，75%及50%負荷等不同工況下的煙氣速度分布及氨擴散規(guī)律進行分析，使其在任一工況下速度及NH3/NOx摩爾比標準偏差滿足上述數(shù)值。

（4）對飛灰在SCR反應器及其連接煙道中的運動規(guī)律進行了分析，得出理論上可能發(fā)生積灰的部位，并通過聲波吹灰、振打裝置、加設灰斗等工程措施加以改進。

（5）對實際運行的煙氣脫硝裝置用網(wǎng)格法測得各層催化劑上表面的速度、NOx等參數(shù)的分布規(guī)律并對數(shù)值計算進行修正，同時將結果應用于系統(tǒng)的調試及運行優(yōu)化。

通過設置并改進導流葉片的位置及形狀，使得第一層催化劑上表面的速度偏差達到催化劑所要求的10%以下。圖3給出了其中2種不同的導流葉片設計方案及其CFD計算結果。

圖3 導流葉片設計優(yōu)化

由于氨/空氣混合氣體的總量相對于煙氣量而言相當微小，因而在上述滿足速度分布條件的情況下，通過調整噴氨格柵各噴射孔的相對流量大小即可在一定條件下滿足第一層催化劑上表面的NH3/NOx摩爾比標準偏差要求，通常情況下要求為5%以下。

3 尿素熱解制氨技術及控制策略開發(fā)

本項目采用東南大學自主開發(fā)的尿素熱解制氨工藝及核心裝置尿素熱解反應器。尿素熱解制氨系統(tǒng)工藝流程：用脫鹽水將顆粒尿素溶解成40%～50%質量濃度的尿素溶液，通過尿素溶解泵輸送到尿素溶液儲罐中存儲；尿素溶液經(jīng)尿素溶液循環(huán)泵、計量分配裝置進入熱解反應器內，與經(jīng)稀釋風機、電加熱器輸送過來的高溫空氣混合，尿素在溫度高時不穩(wěn)定，分解成NH3和HNCO（異氰酸）。HNCO與水反應生成NH3和CO2。該過程產(chǎn)生的還原劑氨與稀釋空氣混合均勻后通過噴氨格柵注射到煙氣中，在催化劑作用下與煙氣中的氮氧化物反應，生成對無危害的氮氣和水。

熱解工藝的主要反應如下：

尿素熱解系統(tǒng)的控制：尿素噴射的控制基于機組負荷信號以及來自NOx分析儀或者CEMS系統(tǒng)的反饋。在熱解反應器中的短時停留使SCR反應劑的生產(chǎn)可以快速跟蹤負荷的變化，系統(tǒng)可以快速啟動和關閉。

3.1 主要系統(tǒng)及設備

根據(jù)尿素熱解制氨工藝的原理和流程，制氨區(qū)系統(tǒng)包括固體顆粒尿素的存儲和卸料系統(tǒng)、尿素溶解和存儲系統(tǒng)、尿素溶液給料系統(tǒng)、尿素溶液熱解系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、排放處理系統(tǒng)。

（1）固體顆粒尿素的存儲和卸料系統(tǒng)

本項目設置斗提機，采用袋裝尿素顆粒通過斗提機卸料入尿素溶解罐的方式，有效減輕了運行人員的勞動強度。

（2）尿素溶解和存儲系統(tǒng)

通過斗提機卸料槽下部的插板閥向尿素溶解罐均勻地加料。溶解尿素所需的水源采用按比例補充的新鮮脫鹽水或符合質量要求的溶解水。

設置一只尿素溶解罐，尿素采用袋裝尿素。在溶解罐中，用脫鹽水制成40%～50%的尿素溶液。當尿素溶液溫度過低時，采用電加熱系統(tǒng)啟動使溶液的溫度高于50℃。

設置一只尿素溶液儲罐，用于存儲尿素溶解罐內配置好的尿素溶液，尿素溶液儲罐容積可滿足多臺SCR反應裝置5～7天的尿素溶液用量。尿素溶液儲罐的開口有人孔、尿素溶液進出口、液位計、溫度計口和排放口。

（3）尿素溶液給料系統(tǒng)

配制好的尿素溶液輸送至尿素溶液儲罐，用尿素溶解循環(huán)泵（高壓泵）輸送給尿素熱解反應器計量分配系統(tǒng)。

（4）尿素熱解系統(tǒng)

尿素熱解系統(tǒng)包括高流量和輸送裝置（HFD）、背壓控制閥（PCV）、計量和分配裝置（MDM）、熱解反應器（DC）、稀釋風機（AB）、稀釋風電加熱系統(tǒng)（EH）及控制系統(tǒng)等。整套系統(tǒng)應考慮夏天防曬、冬天防凍措施。

尿素溶液經(jīng)由供應泵、計量與分配裝置、霧化噴嘴等進入熱解反應器，稀釋空氣經(jīng)加熱后也進入熱解反應器。霧化后的尿素液滴在絕熱分解室內分解，生成的分解產(chǎn)物為NH3、H2O和CO2。

1）高流量循環(huán)裝置（HFD）

尿素溶液供料系統(tǒng)由一套高流量循環(huán)裝置組成，該裝置為反應裝置供應尿素溶液，布置在尿素溶液儲罐附近。每套流量傳輸裝置包括2臺全流量的多級SS離心泵，一用一備，內嵌雙聯(lián)式過濾器、設有用于遠程控制和監(jiān)測循環(huán)系統(tǒng)的壓力、溫度、流量以及濃度等儀表。

2）背壓控制閥（PCV）

背壓控制回路用于調節(jié)供料泵為計量裝置供應尿素所需的穩(wěn)定流量和壓力，背壓控制閥設置一套。

3）計量分配裝置（MDM）

每臺熱解反應器配備一套計量分配裝置。計量分配裝置能夠精確測量并獨立控制輸送到每個噴槍的尿素溶液。計量分配裝置布置在熱解反應器附近，計量裝置用于控制通向分配裝置的尿素流量的供給。該裝置將響應鍋爐DCS提供的噴氨信號并提供本地控制系統(tǒng)。分配模塊通過獨立尿素流量控制和區(qū)域壓力控制閥門來控制通往多個噴槍的尿素和霧化空氣的噴射速率。空氣和尿素量通過這個裝置來進行調節(jié)以得到適當?shù)臍庖罕炔⒆罱K得到最佳的SCR反應要求。

4）熱解反應器（DC）

熱解反應器的相關設備包括：熱解反應器、尿素噴槍組等。熱解反應器布置在SCR附近。經(jīng)過計量和分配裝置的尿素溶液由噴槍噴入熱解反應器，每臺鍋爐設置1臺熱解反應器。經(jīng)過加熱器的高溫熱風作為熱解的熱源，反應器內溫度控制在400℃～650℃。

（5）氨氣空氣稀釋混合系統(tǒng)

1）稀釋風機（AB）

噴入反應器煙道的氨氣為空氣稀釋后的含5%以下氨氣的混合氣體。所選擇的風機滿足脫除煙氣中NOx最大值的要求，并留有一定的余量。稀釋風機按兩臺100%容量（一用一備）設置，風機布置盡量靠近脫硝裝置。稀釋風加熱后的管道及分解室后至噴氨格柵處的氨氣輸送管道采取嚴格保溫措施。

2）稀釋風電加熱系統(tǒng)（EH）

為了節(jié)約能源，降低系統(tǒng)的運行費用，尿素熱解系統(tǒng)可以直接采用鍋爐的一次風（如果能提供）作為尿素熱解反應的稀釋風來源。由于稀釋空氣量僅為一次風量的0.5%左右，對鍋爐影響微乎其微。如采用鍋爐的一次風，可大幅度減少尿素熱解的能耗。鍋爐的一次風由稀釋風機加壓送至電加熱器進行溫度提升，達到尿素熱解室的設計溫度，并由加熱器控制裝置維持適當?shù)哪蛩胤纸夥磻獪囟取?/p>

尿素熱解裝置系統(tǒng)流程如圖4所示。

圖4 尿素熱解裝置系統(tǒng)流程

3.2 控制系統(tǒng)

本項目為自主研制的尿素熱解系統(tǒng)開發(fā)了配套的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了快速跟蹤負荷變化的還原劑制備及控制調節(jié)技術：基于尿素熱解還原劑制備工藝完成快速跟蹤負荷變化的還原劑制備及控制調節(jié)技術的開發(fā)及應用，基于自適應控制+前饋反饋控制手段，使得還原劑生成制備及時跟蹤鍋爐熱負荷變化及NOx入口濃度變化，使得在入口條件快速變化，而出口反饋相對滯后的基本條件下，SCR裝置能夠及時調整尿素加入量和噴氨量，從而確保脫硝效率穩(wěn)定以及氨出口逃逸率滿足標準要求。具體控制策略如下：

（1）進出口NOx含量應根據(jù)進口O2含量，折算為在6%O2下的數(shù)據(jù)。

（2）SCR煙氣脫硝控制系統(tǒng)依據(jù)確定的NH3/NOx摩爾比來提供所需要的熱解尿素溶液流量，進口NOx濃度和鍋爐負荷（對應煙氣流量）的乘積產(chǎn)生NOx流量信號，此信號乘上所需NH3/NOx摩爾比就是基本尿素溶液流量信號（前饋信號），所計算出的尿素溶液流量需求信號送到PLC控制器并和真實尿素溶液流量的信號相比較，所產(chǎn)生的誤差信號經(jīng)比例加積分動作處理送噴槍前的尿素溶液流量控制閥進行定位。通過此前饋過程保證控制系統(tǒng)能夠快速跟蹤鍋爐的負荷變化或入口NOx濃度的變化。

（3）同時根據(jù)設計脫硝效率67%，依據(jù)入口NOx濃度和設計中要求的最大≤3.0ppm的氨逃逸率計算出修正的摩爾率（反饋信號）并輸入在尿素溶液流量控制系統(tǒng)的程序上。SCR控制系統(tǒng)根據(jù)計算出的氨氣流量需求信號去定位尿素溶液流量控制閥，實現(xiàn)對脫硝的自動控制。通過在不同負荷下對尿素溶液流量的調整，找到最佳的噴氨量。從而實現(xiàn)對尿素流量的精確控制，確保氨逃逸率滿足設計要求，避免過量噴氨的情況。

4 典型工程應用

本項目技術在集中供熱鍋爐房領域的典型應用為北京市順義城北供熱中心3#鍋爐SCR煙氣脫硝工程。該項目已于2012年1月投產(chǎn)，2012年1月15日通過了72小時連續(xù)試運行，并通過了環(huán)保測試驗收。隨后投入正式連續(xù)運行。脫硝效率在負荷變化及入口NOx濃度變化下，保持穩(wěn)定，效率維持在80%～90%，煙囪排放CEMS測試值始終滿足排放標準的要求，NOx排放濃度低于100mg/Nm3（折算后），系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。

該工程72小時連續(xù)試運行及后續(xù)連續(xù)運行過程中的NOx脫除效率曲線、鍋爐負荷曲線如圖5所示；氨逃逸曲線如圖6所示。

圖5 負荷與效率曲線

圖6 氨逃逸曲線

5 結語

集中供熱鍋爐房是具有我國特色的供熱行業(yè)和領域，其鍋爐運行具有晝夜及短時負荷變化大、各段爐溫不穩(wěn)定的特點，在推進集中供熱鍋爐房煙氣脫硝減排的過程中，現(xiàn)有的脫硝工藝對負荷頻繁變化、爐溫變化難以適應，原有SCR脫硝技術無法達到連續(xù)穩(wěn)定運行，直接移植到本工程領域是不可行的，導致NOx減排難以推進。本項目通過以下幾個方面的開發(fā)和應用解決了以上問題：

（1）鍋爐結構優(yōu)化及改造：調整鍋爐結構及燃燒過程，從而保證在負荷劇烈變化的情況下，爐溫波動能夠滿足催化劑溫度范圍的要求；

（2）物料平衡與熱量平衡研究：對整個煙氣脫硝過程工藝進行模擬研究，建立物料平衡、能量平衡、化學反應平衡的虛擬工程平臺；

（3）SCR脫硝裝置優(yōu)化設計：根據(jù)鍋爐結構變化及SCR反應過程要求，基于三維數(shù)值模型，使SCR系統(tǒng)符合SCR工藝過程要求，并滿足集中供熱鍋爐房整體布置要求；

（4）快速跟蹤負荷變化的還原劑制備及控制調節(jié)技術的開發(fā)使得在入口條件快速變化，而出口反饋相對滯后的基本條件下，SCR裝置能夠及時調整尿素加入量和噴氨量，從而確保脫硝效率穩(wěn)定以及氨出口逃逸率滿足標準要求。

通過以上各方面的技術創(chuàng)新工作，確保了本項目SCR工程裝置在鍋爐熱負荷變化及NOx入口濃度等入口條件快速變化的狀態(tài)下，達到并保持高脫硝效率以及低氨逃逸率，具備對負荷和NOx濃度的快速跟蹤能力。順義城北供熱中心3#爐（64MW）脫硝工程采用本項目技術設計建造，環(huán)保驗收實測脫硝效率達到88.9%，氨逃逸率低于1ppm，并歷經(jīng)了連續(xù)運行考驗，應用效果顯著。

Development and Application in Flue Gas Denitration Technology of Concentrated Heat Supply Boiler

WEI Chun-wang, GAO Hong-rui, ZHANG Feng-quan, LI Dan, HOU Wei-ran, ZHOU You
(Beijing Shunyi Dalong Urban and Rural Construction Development General Co., Beijing 101300, China)

Through the improvement of boiler structure, optimization of SCR technology device, reducing agent preparation of fast track load variation, development and application on control and adjustment technology, the technical demand of flue gas denitration project in boiler house of concentrated heat supply is met effectively and flue gas denitration technology of concentrated heat supply boiler is developed successfully. In practical engineering application and at different load segment, the temperature is ensured at the entry segment from boiler to SCR device in order to meet the demand of denitration. Meanwhile the ammonia escape rate is ensured so as to meet the design requirement, and safety and steady operation of the boiler is assured.

flue gas denitration; SCR; concentrated heat supply; boiler

X701

A

1006-5377（2012）04-0043-06