杜鵬飛，白　楊，李競岌，劉　青

(1.神華神東電力有限責任公司 技術研究院，陜西 西安 710000； 2.清華大學 熱能工程系，北京 100084)

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300 MWe循環(huán)流化床鍋爐SNCR系統(tǒng)優(yōu)化設計

杜鵬飛1，白楊1，李競岌2，劉青2

(1.神華神東電力有限責任公司 技術研究院，陜西 西安 710000； 2.清華大學 熱能工程系，北京 100084)

摘要：隨著中國最新環(huán)保標準的頒布，一部分循環(huán)流化床鍋爐必須增設煙氣脫硝設備以實現氮氧化物(NOx)的達標排放。針對300 MWe等級的大容量循環(huán)流化床(CFB)鍋爐，從安全保障、技術實現、經濟成本等角度詳細比較了現有主流脫硝技術——選擇性催化還原(SCR)和選擇性非催化還原(SNCR)的可用性，并最終選取以尿素溶液作為還原劑的SNCR系統(tǒng)作為推薦方案。通過計算流體動力學(CFD)模擬方法，探究了不同尿素噴嘴布置方式、鍋爐負荷等對尿素分布流場、脫硝效率及逃逸率的影響，并建議每部分離器設置10個噴嘴，且豎向均勻布置于分離器進口段內外側，并給出了該SNCR系統(tǒng)的工藝優(yōu)化改進建議。

關鍵詞：SCR；SNCR；CFD；300 MWe循環(huán)流化床

作為目前商業(yè)化最為成功的清潔煤燃燒技術，CFB鍋爐因其爐膛內燃燒溫度較低且還原性氣氛較強，而具有天然的低NOx排放特性[1,2]。但隨著我國最新環(huán)保標準《GB13223-2011》的頒布實施，現有的大部分CFB機組均存在一定的脫硝壓力。當所燃煤種中的揮發(fā)分和氮含量不太高時，通過適當的燃燒調整，CFB鍋爐的NOx排放可以控制在200 mg/m3以下[3]，所以必須借助一定的煙氣脫硝技術，才能使其滿足100 mg/m3的最新標準[4]。

SCR和SNCR是當前燃煤火電機組中應用廣泛的2種煙氣脫硝技術[5]?；诩夹g性和經濟性考慮，這2種技術方案均具有各自的優(yōu)勢和不足，特別對于300 MWe等級的大容量CFB鍋爐，煙氣脫硝技術的選擇仍存在一定分歧。

1300 MWe CFB鍋爐的基本參數

該300 MWe CFB鍋爐為東方鍋爐廠生產的亞臨界CFB鍋爐，鍋爐為單汽包、自然循環(huán)，主要由1個膜式水冷壁爐膛、3臺冷卻式旋風分離器和1個由汽冷包墻包覆的尾部豎井組成。該鍋爐的部分設計與運行參數如表1所示。

表1　300 MWe CFB鍋爐基本參數

所燃煤種的工業(yè)及元素分析如表2所示。

表2　該300 MWe CFB鍋爐燃用煤種的工業(yè)及元素分析　wt%

在鍋爐的實際運行過程中，其NOx的排放濃度與鍋爐負荷和煤種有關。通過調整總風量(即排煙氧量)、一二次風比率(即二次風占總風量比率)、爐膛溫度等手段，NOx的排放最量高不超過350 mg/m3(6%O2)，最低為230 mg/m3(6%O2)。因此僅憑借爐內燃燒優(yōu)化調整不足以使其達到排放標準，必須要借助一定的煙氣脫硝手段，以完成NOx的深度脫除。

2300 MWe CFB鍋爐煙氣脫硝技術比較

目前已成熟應用的煙氣脫硝技術分別為使用催化劑的SCR和不使用催化劑的SNCR。一般而言，SCR具有較高的NOx脫除效率，但造價較高；SNCR脫硝效率適中，但價格明顯低廉。

SCR主要由催化反應器、還原劑儲存和噴射設備等組成，通過向催化反應器上游煙氣噴射還原劑，使NOx在該反應器中被催化還原為無污染的N2。一般而言，液氨或由尿素熱解而來的氨氣被作為SCR還原劑。氨首先被氣化并稀釋，然后與煙氣預先充分混合以實現較高的SCR脫硝反應效率[6-8]。

對于SNCR技術，NOx在不需要使用催化劑的條件下，在高溫煙氣區(qū)域(850~1100 ℃)被選擇性地還原為N2。CFB鍋爐旋風分離器通常被視作一個理想的SNCR反應器。由于煤的燃燒在爐膛出口處基本結束，O2濃度近似保持不變，且煙氣可以在850~950 ℃的范圍內維持2~3 s的停留時間，這將有利于SNCR反應的充分進行。同時，循環(huán)灰為多孔疏松結構且含有Fe、Ni、Al、Ti等金屬化合物，也會對SNCR反應起到一定的促進作用，即充當了SNCR反應中天然而無成本的催化劑。而旋風分離器內氣、固兩相之間的充分混合，也有助于增大氣、固兩相的接觸時間，從而提高SNCR脫硝反應效率[9-10]。綜合以上各點，CFB鍋爐中SNCR脫硝效率要明顯高于煤粉鍋爐。

表3　SCR和SNCR煙氣脫硝技術比較

根據表3所列出的對于SCR和SNCR的比較分析結果，并針對該300 MWe CFB鍋爐機組的實際運行條件，推薦選取SNCR技術作為本脫硝改造工程的優(yōu)選方案。

3300 MWe CFB鍋爐SNCR系統(tǒng)優(yōu)化設計

3.1還原劑選擇

SNCR系統(tǒng)還原劑主要包括液氨、氨水溶液和尿素溶液等。氨作為易揮發(fā)物質，對人體危害性很大，因此其存儲和運輸受到國家、地方和行業(yè)法規(guī)的嚴格管控。相比于氨，尿素幾乎無害，但必須被配制為一定質量濃度的溶液才能使用。同時，尿素溶液在溶解和輸送過程中需要被加熱，以防止其結晶沉淀。

在SNCR反應中，氨的最佳反應溫度區(qū)間，即溫度窗口比尿素低約80 ℃?；诎踩蛩乜紤]，推薦使用尿素溶液最為SNCR的還原劑。

3.2尿素溶液噴射位置的優(yōu)化選取

在SNCR脫硝系統(tǒng)中，尿素噴入點數量和位置都會影響尿素在反應區(qū)域內的分布狀況，從而進一步影響SNCR反應效率。因此，通過借助CFD數值模擬手段針對計算流體域為CFB鍋爐旋風分離器以及一部分附屬尾部煙道進行優(yōu)化，如圖1中的a圖所示。在初始計算工況中，只模擬了不含顆粒的純氣相流場，分離器內的流場跡線如圖1中的b圖所示。

圖1　旋風分離器模型及氣相流場模擬

如圖2所示，分離器內的流場呈現強旋流形式，煙氣進入分離器后，迅速貼內壁旋轉下降，在到達下錐筒某位置后，反向旋轉上升，并從出口逃逸離開。煙氣在旋風分離器內的平均停留時間超過2 s，這將有利于尿素與NOx在分離器內長時間地充分混合。

圖2　10只噴嘴不同進口布置方式

為比較不同噴嘴數量對還原劑濃度分布的影響，分別設置了6只、8只和10只還原劑噴嘴的布置數目，每類布置數目分別有三類布置方式，即進口段外側

布置、進口段內側布置以及進口段內外側交錯布置，如圖3所示。還原劑類型為尿素溶液，部分CFD模擬計算的設置條件如表4所示。

表4　SNCR系統(tǒng)CFD模擬計算部分條件

為了解鍋爐負荷對SNCR脫硝效果的影響，將鍋爐滿負荷、70%負荷及半負荷這3種工況進行了對比，研究了其對還原劑濃度分布、SNCR脫硝效率等特性的影響。

布置10個噴槍時，尿素的質量濃度分布如圖3所示。

利用FLUENT自帶反應模塊對不同還原劑噴嘴布置方式下的SNCR脫硝效率和氨逃逸進行模擬計算，所選特征截面為分離器出口。不同噴嘴布置個數及布置方式下的脫硝效率及氨逃逸模擬結果如表5所示。

圖3　不同工況下尿素質量濃度分布

表5　不同噴嘴個數對脫硝效率及氨逃逸的影響

從表5可以看出，不同的噴嘴個數對于脫硝效率和氨逃逸的影響有明顯的差別。

1)增加噴嘴個數對脫硝效率提升十分顯著，氨逃逸隨著噴嘴個數的增加而上升。

2)采用外側布置方式的脫硝效率要明顯低于其他2種布置方式的脫硝效率，這可能是由于還原劑的富集區(qū)域與煙氣NOx的富集區(qū)域重疊性較差而造成的。

3)在不同布置方式下，反應進行程度越高，脫硝效率越高，氨逃逸量越大。

在外側布置方式下，當鍋爐負荷為100%、70%降至半負荷時，脫硝效率分別為35.76%、30.90%及27.28%，氨逃逸濃度分別為3.46、1.56及0.63ppm。內側布置方式下，脫硝效率及氨逃逸的變化情況與外側布置時的變化類似。

綜合還原劑濃度分布情況、脫硝效率及氨逃逸模擬結果可以看出，增加還原劑噴嘴個數，可以使還原劑分布更加均勻，提高SNCR反應脫硝效率，且采用噴嘴內外側交錯布置時，脫硝效果最佳。

3.3CFB鍋爐SNCR系統(tǒng)工藝改進

整套SNCR脫硝裝置由還原劑卸料溶解與儲存系統(tǒng)、還原劑輸送系統(tǒng)、稀釋水系統(tǒng)、混合分配系統(tǒng)和噴射系統(tǒng)組成。其中影響SNCR脫硝效率和性能的主要環(huán)節(jié)在于還原劑輸送系統(tǒng)、混合分配系統(tǒng)和噴射系統(tǒng)，還包括噴槍性能和噴射位置。

噴射系統(tǒng)主要用來噴射混合液，并由壓縮空氣實現霧化后，與煙氣中NOx發(fā)生化學反應，脫除煙氣中的NOx。噴射位置選擇在爐膛出口(分離器入口)區(qū)域，每個分離器單側各安裝若干只噴槍，稀釋混合后的還原劑溶液通過噴射點分布到整個煙道截面。

現在已經運行的300 MWe循環(huán)流化床SNCR脫硝系統(tǒng)中，還原劑輸送系統(tǒng)普遍采用一臺泵對應一臺爐、另一臺泵備用的方式，通過管路設置的電動調節(jié)閥調節(jié)還原劑的分配量。該設計方案具有結構簡單、建造成本低等優(yōu)點，但同時也存在著問題：

1)鍋爐的每臺分離器入口煙氣量和煙氣溫度均不同，通過電動調節(jié)閥調整噴槍的噴入量，其控制精度低，且調整其中一臺分離器的噴入量會對其他分離器的噴入量產生影響。

2)控制動作頻繁復雜，反饋延時增加。

3)單臺泵流量較大，一般采用離心泵，流量控制精度低。

相對而言，采用每臺分離器配套一臺單獨的隔膜計量泵，能精確地對每臺分離器尿素噴入量進行控制，不但可以實現NOx脫除效率的最大化，而且還能有效控制氨逃逸量，防止氨逃逸過多造成空預器腐蝕。同時，尿素溶液過量噴入會造成尾部除塵器布袋表面結晶，對除塵器的濾袋壽命造成影響。

混合、分配系統(tǒng)主要是進行還原劑溶液和稀釋水的動態(tài)在線混合，并將混合液送到噴射系統(tǒng)?；旌?、分配系統(tǒng)包括混合器、分配母管、配套的壓力流量儀表和管道閥門等。建議每個分離器需單獨配置一套混合、分配系統(tǒng)。

4結論

1)針對300 MWe等級的大容量CFB鍋爐機組中現有的SCR和SNCR技術進行了詳細比較，并且從安全、技術和經濟等角度進行分析，最終選取了基于尿素的SNCR系統(tǒng)作為推薦方案。

2)通過借助CFD數值模擬手段，探究了不同尿素噴入位置對尿素在旋風分離器內部分布的影響，得出了每部分離器設置10個噴嘴為最佳狀態(tài)，且豎向交錯均勻布置于分離器進口段內外側，同時給出了該SNCR系統(tǒng)的工藝優(yōu)化改進建議。

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(責任編輯張凱校對佟金鍇)

The Optimal Design on the SNCR System in a 300 MWe CFB Boiler

DU Peng-fei1,BAI Yang1,LI Jing-ji2,LIU Qing2

(1.Technology Research Institute,Shenhua Energy Group Company Limited,Xi′an 710000,Shanxi Province;

2.Key Laboratory for Thermal Science and Power Engineering of Ministry of Education,Tsinghua University,Beijing 100084)

Abstract：In order to meet the updated emission regulation in China,some CFB boilers have to install the deNOx devices.For the 300MWe CFB boiler,the existing SCR and SNCR technologies are compared and the SNCR technology using urea as reductant is recommended in the view of technical,economic and safety concerns.By employing the CFD method,the different urea distributions inside the cyclone with different layout with different nozzle numbers for each cyclone are calculated and compared.The layout of 10 nozzles both inner and outer walls of cyclone inlet has the optimal performance.At the same time,the modification suggestions on process of urea transport,mixing and injection are provided.

Key words：SCR;SNCR;CFD;300MWe CFB

中圖分類號：TK229.6

文獻標識碼：A

文章編號：1673-1603(2015)01-0019-06