宋衛(wèi)娜

中國水利電力物資有限公司，北京西城 100045

1.概述

降低氮排放的主要措施有兩種：一是控制燃燒過程中NOx的生成；二是對生成的NOx進行處理，即煙氣脫硝技術(shù)，主要包括SCR和SNCR，根本區(qū)別是NOx的還原反應(yīng)有無催化劑。

SCR是在催化劑的作用下，以NH3為還原劑，與NOx反應(yīng)生成N2和H2O，脫硝效率可達80%～95%。這種工藝對氨逃逸率要求較高（小于3ppm），適用各種容量的鍋爐，便于檢修和維護。但催化劑會促進煙氣中SO2轉(zhuǎn)化為SO3并與NH3反應(yīng)生成NH4HSO4，造成空預(yù)器堵塞及傳熱原件腐蝕，催化元件約增加1000Pa風煙系統(tǒng)阻力，改造時需對空預(yù)器、引風機及鍋爐鋼結(jié)構(gòu)做出改動。而且催化劑須定期更換，整體投資和運行費用較高。

SNCR是直接利用鍋爐爐膛作為反應(yīng)器，改造可在大修期間完成，基本不影響鍋爐及輔機。其反應(yīng)控制以爐膛內(nèi)NOx濃度為基礎(chǔ)來去除，反應(yīng)時間快，氨逃逸率控制范圍寬（小于10ppm～15ppm），但反應(yīng)劑在爐膛內(nèi)的分布受限，反應(yīng)條件難以控制，脫硝效率較低（25%～45%左右），常用于中小鍋爐。

隨著計算機技術(shù)的進步，SNCR系統(tǒng)開始引進CFD模擬技術(shù)。Fuel Tech公司在此基礎(chǔ)上將CFD與CKM（化學動力學模型）相結(jié)合，開發(fā)了新型噴射器用以解決還原劑均勻分布的問題。從90年代中后期開始，SNCR系統(tǒng)逐漸開始在大型鍋爐上應(yīng)用。

2.混合法煙氣脫硝技術(shù)的原理及應(yīng)用

SNCR/SCR混合法是將SCR還原劑的噴射點移動到爐膛出口，煙氣在出口處先進行一次NOx脫除，再利用沒有參加反應(yīng)的氨氣在反應(yīng)器內(nèi)進行催化反應(yīng)。該技術(shù)利用兩個溫度窗進行NOx脫除，取消了SCR工藝的噴氨格柵/靜態(tài)混合器，減小了煙氣系統(tǒng)阻力和催化劑體積。

SNCR/SCR混合法于上世紀70年代首次在日本一座燃油裝置上進行試驗。試驗證明方法具有可行性。爐膛出口噴入過量的還原劑，除參與NOx的脫除外，還為尾部的SCR催化劑提供充足的氨，但是難以控制氨的分布以適應(yīng)NOx分布的改變。

隨著大型高速計算機的誕生和鍋爐流體動力學/化學動力學計算模型的發(fā)展，使得準確計算、設(shè)計和調(diào)節(jié)還原劑噴射點以改善NH3/NOx在反應(yīng)器中分布的均勻性具備了條件。目前，SNCR/SCR混合法可以達到40%～80%的脫硝效率，氨逃逸小于5ppm。

3.混合法工藝的改造及運行情況

3.1 脫硝系統(tǒng)改造情況概述

北京某熱電廠采用哈爾濱鍋爐廠HG-410/9.8-YM15型，單汽包、四角切圓、固態(tài)排渣、平衡通風、單爐膛露天Π型布置、熱風送粉燃煤鍋爐。2006年，電廠采用煤粉再燃和低氧分級燃燒技術(shù)控制爐內(nèi)NOx的生成，將氮排放降低到350mg/Nm3以下。2007年，北京市污染物排放標準中燃煤鍋爐NOx排放標準提高到100mg/Nm3，受鍋爐尾部煙道空間條件的限制，電廠采用SNCR/SCR混合工藝進行改造。

首先實施了SNCR改造，采用尿素溶液作為還原劑，49只鍋爐噴射器分四層布置在爐膛燃燒區(qū)域上部和爐膛出口處。根據(jù)爐膛CFD和熱力計算結(jié)果，前墻和側(cè)墻噴槍分別布置在32m、28.5m、26m、23.5m標高處，后墻噴槍布置在27.95m、26m和23.5m標高處。鍋爐高負荷運行時，投運上兩層噴槍；低負荷運行時，投運下兩層噴槍；停運噴槍可退出爐膛以避免受熱損壞。為使噴入的尿素溶液能在最佳溫度條件下參與反應(yīng)，投運后電廠還進行了優(yōu)化調(diào)整。通過在不同負荷工況下，投運不同層的噴槍，保障鍋爐NOx排放低于180mg/Nm3。

2009年，電廠在SNCR改造的基礎(chǔ)上進行了SCR改造。即在爐內(nèi)SNCR噴射點噴入過量尿素溶液，利用其在爐膛高溫下熱解產(chǎn)生的NH3作為SCR裝置的還原劑。受煙氣擾動影響， NOx及NH3在進入催化劑前分布不均，從而使煙氣在部分催化劑區(qū)域反應(yīng)不充分，導致整體脫硝效率降低。電廠在鍋爐轉(zhuǎn)向室安裝了五個噴嘴蒸汽擾動裝置，作為尾部煙道流場的擾動汽源，但運行后效果一般，且耗氣量較大。

為摸索最佳聯(lián)合運行方式，電廠對SNCR/SCR脫硝裝置進行了優(yōu)化試驗。通過在不同負荷工況下，改變投入不同蒸汽擾動層、尿素噴入量及噴入層的噴槍等方式，總結(jié)出不同工況下NOx、NH3的分布規(guī)律、應(yīng)投入尿素流量及最佳噴槍投運方式，從而將NOx排放控制在50～100mg/m3。

3.2 運行中的問題及原因分析

（1）水冷壁腐蝕泄漏

運行期間，鍋爐A/B側(cè)水冷壁均發(fā)生過腐蝕。據(jù)國外運行經(jīng)驗，造成此現(xiàn)象的主要原因為尿素腐蝕。尿素溶液在霧化情況下噴出，不會對水冷壁管造成腐蝕；如果霧化不好，或噴槍位置達不到要求，易形成液滴從噴槍套筒下流，從而侵蝕正下方的水冷壁管，造成其短時間內(nèi)腐蝕泄漏。此外，噴槍自身泄漏也會造成水冷壁腐蝕。

（2）冷灰斗堵塞

自SNCR系統(tǒng)投運后，冷灰斗多次發(fā)生渣垢堵塞，嚴重時曾由于下渣口封死而被迫停爐清灰。據(jù)觀察，最初冷灰斗與密封水接觸邊緣會生成一種白色物質(zhì)，并隨運行時間增加逐漸形成堆積。堆積的白色物質(zhì)與下落的灰渣混合后體積增大，造成灰斗豎井通流面積逐漸減小，從而導致燃燒后的灰渣下落受阻。部分灰渣下落到灰斗后又與堆積物結(jié)合，增加了堆積物的生長速度。往復作用后，冷灰斗豎井的下渣口被堆積物封死，導致燃燒后的大渣無法通過渣水系統(tǒng)被運走。當大渣的堆積到一定高度后，鍋爐便需要停爐清灰。

經(jīng)取樣觀察，堆積物下層渣垢致密牢固，呈灰白色、層狀、較硬，中間呈灰色，上層呈灰黑色，自上而下越來越堅硬、致密。對垢樣進行化學分析和物相分析后得出其主要成份為CaSO4和Ca(SO4)(H2O)2。因為燃料本身有石灰石成份，即使鍋爐不投運SNCR，煤粉自身燃燒也會有CaSO4生成。CaCO3被帶到爐膛上部的高溫區(qū)域時，受熱分解的CaO 和CO2均能與SO2反應(yīng)。其反應(yīng)如下：

上述反應(yīng)在沒有外界干擾的情況下，效率較低。但SNCR投運后，稀釋的尿素溶液從霧化噴嘴中噴出，對爐膛內(nèi)的煙氣造成沖擊和混合，加速了煙氣中飛灰的碰撞。由于尿素溶液與爐膛溫度相比相對較低，霧化的液滴在與煙氣混合過程中出現(xiàn)汽化，瞬間降低了接觸煙氣的溫度，也增加了CaO、SO2的碰撞機會，為CaSO4的生成提供了條件和途徑。而且碰撞機會的增大使飛灰間大顆粒形成機會增多，致使更多的鈣的生成物下落。因此冷灰斗內(nèi)噴氨后CaSO4的生成比以前增多。CaSO4在水中溶解度極低，在灰渣水中呈現(xiàn)結(jié)晶體狀，即CaSO4與Ca(SO4)(H2O)2的混合物。結(jié)晶體附著在冷灰斗表面，增加其黏附能力，致使更多的灰渣與灰斗形成貼附。長時間運行后，灰斗便形成了較厚的白色與灰黑色相間隔的堆積物。

（3）尾部煙道設(shè)備腐蝕

投運后一年內(nèi)，空預(yù)器、煙道、電除塵一電場芒刺均發(fā)生不同程度的腐蝕。經(jīng)分析，原因仍是煙氣擾動造成的NOx及NH3分布不均。通過催化劑時，煙氣分布濃度低的地方NH3逃逸會增加，而SCR裝置會促使SO2向SO3轉(zhuǎn)換，與逃逸的NH3反應(yīng)生產(chǎn)硫酸氫氨，從而對下游設(shè)備造成腐蝕。

4.結(jié)束語

SNCR/SCR混合法技術(shù)減少了催化劑用量，降低SO2/SO3轉(zhuǎn)化所引起的腐蝕和ABS阻塞的問題，減小催化劑對煤的敏感度問題，尿素溶液直接噴射進入鍋爐后，取消了尿素熱解、尿素水解等還原劑分解系統(tǒng)，降低工程造價，降低安全隱患。但實際應(yīng)用中，該工藝仍存在煙氣NOx排放不平衡、尿素溶液易引發(fā)腐蝕等問題，需在設(shè)計階段利用流場混合技術(shù)，進一步改善NH3/NOx在反應(yīng)器中分布的均勻性。

[1]王方群.國內(nèi)燃煤電廠煙氣脫硝發(fā)展現(xiàn)狀及建議.中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2007年1月.

[2]楊忠燦.燃煤鍋爐的選擇性催化還原煙氣脫硝技術(shù).廣東電力，2006年12月.

[3]王智.燃煤電站鍋爐及SCR脫硝中SO3的生成及危害.東北電力技術(shù)，2005年.