梁存敬， 張占成， 黃國強(qiáng)

(宜興華潤熱電有限公司， 江蘇宜興 214205)

不均勻噴氨系統(tǒng)在SNCR+SCR耦合脫硝技術(shù)中的應(yīng)用

梁存敬， 張占成， 黃國強(qiáng)

(宜興華潤熱電有限公司， 江蘇宜興 214205)

通過增加SCR梯度不均勻噴氨系統(tǒng)，克服SNCR煙氣氨氮分布嚴(yán)重不均勻的明顯缺點(diǎn)，也充分發(fā)揮了SNCR不需催化劑在爐內(nèi)脫硝的優(yōu)勢。對比分析尿素水解、熱解制氨的優(yōu)缺點(diǎn)，通過實(shí)驗(yàn)研究優(yōu)化噴氨格柵，強(qiáng)化了噴氨系統(tǒng)的適用性。分析了尿素水解SCR不均勻噴氨系統(tǒng)在實(shí)際工程中的效果，結(jié)果表明：尿素水解制氨結(jié)合SNCR+SCR耦合脫硝系統(tǒng)可以顯著提高NOx的脫除效率；解決NH3/NOx分布不均勻問題。

不均勻噴氨系統(tǒng)； 尿素水解； SNCR； 脫硝； 超低排放

SCR煙氣脫硝技術(shù)中還原劑NH3的來源有3種：液氨、氨水和尿素。液氨是危險(xiǎn)化學(xué)品，電廠在用液氨時(shí)會(huì)受到諸多制約；氨水由于運(yùn)行成本較高而具有應(yīng)用局限性；作為無危險(xiǎn)的制氨原料，尿素具有與液氨相同的脫硝性能，具有安全性、綠色無毒性，便于運(yùn)輸、儲(chǔ)存和使用，應(yīng)用較為廣泛[1]。

SNCR煙氣脫硝相較于SCR技術(shù)的特點(diǎn)是：SNCR脫硝過程中不使用催化劑，直接在爐內(nèi)完成脫硝反應(yīng)，對于未預(yù)留SCR反應(yīng)器安裝空間的舊型鍋爐非常適用；SNCR反應(yīng)整個(gè)過程沒有壓力損失，無需提高引風(fēng)機(jī)壓頭，特別是改造機(jī)組無需對引風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造；使用尿素作為還原劑，對于不能使用液氨的重點(diǎn)區(qū)域和離居民區(qū)較近的城市電廠較為適用，特別是氨站建設(shè)場地受限的電廠；脫硝改造成本及運(yùn)行成本低；但是由于SNCR噴槍噴入的尿素溶液對鍋爐受熱面存在腐蝕問題，一般只能布置在鍋爐爐膛前墻或側(cè)墻，存在煙氣NOx與氨分布嚴(yán)重不均勻問題。

1 機(jī)組概況

宜興華潤熱電有限公司2臺(tái)60 MW機(jī)組,鍋爐是UG-260/9.8-M型高溫、單鍋筒、自然循環(huán)、П形布置的固態(tài)排渣煤粉爐。制粉系統(tǒng)采用中間儲(chǔ)倉式熱風(fēng)送粉系統(tǒng)。

脫硝系統(tǒng)采用SNCR+SCR耦合脫硝技術(shù)，還原劑采用尿素溶液，SNCR部分采用噴槍向爐膛噴入尿素溶液，熱解后生成氨氣在高溫區(qū)產(chǎn)生SNCR還原反應(yīng)，將NOx還原成氮?dú)猓捶磻?yīng)完的氨氣流向尾部SCR催化劑內(nèi)，繼續(xù)與剩余的NOx進(jìn)行反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)脫硝的目的。由于該公司2臺(tái)鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)未預(yù)留SCR反應(yīng)器安裝空間，鍋爐與電除塵之間間距較小，SCR反應(yīng)器無法引出煙道外，因此通過高溫空氣預(yù)熱器與低溫省煤器的改造騰出空間，布置1+0.5層(1層半)催化劑，考慮到燃煤灰分含量高，催化劑選用板式催化劑，目前已實(shí)現(xiàn)NOx質(zhì)量濃度小于100 mg/m3的煙氣排放。該公司通過實(shí)地調(diào)研，完成超低排放可行性研究，擬對2臺(tái)鍋爐實(shí)際排放煙氣中的NOx質(zhì)量濃度的超低排放改造(小于50 mg/m3)，同時(shí)對目前SNCR脫硝存在的問題進(jìn)行優(yōu)化改造。

圖1為SNCR+SCR耦合法流程示意圖。

圖1 SNCR+SCR耦合法流程示意圖

2 SNCR+SCR耦合脫硝技術(shù)

2.1SNCR+SCR耦合脫硝技術(shù)的優(yōu)勢

SNCR+SCR耦合法工藝兼有SNCR和SCR技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),利用SNCR反應(yīng)逃逸的氨供SCR反應(yīng),當(dāng)要求氮氧化物脫除率不是很高時(shí)(70%～75%),采用SNCR+SCR工藝更合適,這種組合為電廠提供最經(jīng)濟(jì)合理的脫硝方式，SNCR+SCR耦合法工藝已成功應(yīng)用于大型燃煤機(jī)組，特別適合舊鍋爐的脫硝改造。其主要優(yōu)勢為：

(1) 利用SNCR在爐內(nèi)前期初步脫硝，SNCR部分不需要催化劑，降低了催化劑的需求量，大幅降低SCR的脫硝壓力，投資成本大幅減少[2]。

(2) 對于舊型鍋爐未預(yù)留SCR反應(yīng)器安裝空間的鍋爐非常適用。一些舊鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)未考慮脫硝裝置，且鍋爐與電除塵之間未預(yù)留SCR催化劑安裝空間，無法布置SCR煙道，改造非常困難且成本高昂，采用SNCR+SCR耦合脫硝技術(shù)可解決無安裝空間的難題。

(3) 對環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)的電廠鍋爐非常適用。一些靠近城市或重點(diǎn)環(huán)境保護(hù)區(qū)的電廠鍋爐脫硝為考慮環(huán)境安全不允許使用液氨；另外一些電廠場地較小，氨站作為重大危險(xiǎn)源安全距離要求高，不具備建設(shè)氨站的條件。SNCR+SCR耦合脫硝采用無污染、安全的尿素作為還原劑，因而具有非常明顯的優(yōu)勢。

(4) SNCR反應(yīng)整個(gè)過程沒有壓力損失，不需提高引風(fēng)機(jī)壓頭，特別是改造機(jī)組無需對引風(fēng)機(jī)進(jìn)行更換，可大幅降低成本。

2.2SNCR+SCR耦合脫硝技術(shù)的不足

(1) 由于SNCR噴槍噴入的尿素溶液對鍋爐受熱面存在腐蝕問題，一般只能布置在鍋爐爐膛前墻或側(cè)墻，存在煙氣NOx與氨分布嚴(yán)重不均勻問題。

(2) SNCR脫硝系統(tǒng)運(yùn)行中氨逃逸較高，低溫空氣預(yù)熱器、低溫省煤器、電除塵內(nèi)部易發(fā)生嚴(yán)重的積灰，影響到鍋爐接帶高負(fù)荷；由于低溫省煤器積灰，煙氣形成走廊造成磨損，國內(nèi)許多采用SNCR+SCR耦合脫硝技術(shù)的鍋爐機(jī)組已出現(xiàn)過多起低溫省煤器磨損、泄漏、停爐事故。

3 不均勻噴氨系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1問題分析

由于SNCR合適的溫度區(qū)域內(nèi)有大量的受熱面管束， SNCR噴槍只能以布置在前墻為主，而且布置在前墻的噴槍還要對其霧化距離做到比較嚴(yán)格的控制。霧化距離太長，尿素溶液霧化顆粒將會(huì)噴到屏式過熱器管束，長期將會(huì)腐蝕爆管；控制霧化距離，尿素溶液霧化顆粒與煙氣的混合均勻性必定受到影響。

圖2為SNCR+SCR耦合脫硝還原劑NH3的分布模擬結(jié)果。

圖2 SNCR+SCR耦合脫硝還原劑NH3的分布模擬結(jié)果

圖3是SCR入口截面NH3分布，分布均勻度為1.2，其中X表示物理模型中煙道的水平方向尺寸，垂直于主氣流；Z表示物理模型中煙道的深度方向尺寸。

圖3 SCR入口截面NH3分布

從圖2和圖3可以看出：由于SNCR噴槍位置布置所限，導(dǎo)致SCR入口氨分布嚴(yán)重不均，煙道后墻處氨逃逸過大。要解決均勻性問題，只能通過將部分尿素溶液制成氨氣通過噴氨格柵補(bǔ)入尾部煙道，還原劑NH3分布少的前煙道多補(bǔ)入氨氣，后煙道多的不補(bǔ)或少補(bǔ)已達(dá)到SCR入口NH3分布均勻的目的，即結(jié)合純SCR脫硝的優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)SCR上部增加噴氨格柵，通過局部補(bǔ)氨的方式改善SNCR帶來的不均[3]。

通過加裝SCR備用層催化劑，結(jié)合SNCR反應(yīng)多余的氨與噴氨格柵梯度式不均勻補(bǔ)氨共同作用為脫硝系統(tǒng)提效，從而實(shí)現(xiàn)脫硝的超低排放。

3.2制氨方式

3.2.1 尿素制氨方式

該機(jī)組由于地理位置及設(shè)備布置不具備建氨站條件，因此選用尿素制氨。目前主要的尿素制氨方式有熱解和水解兩種。尿素?zé)峤猓涸谀蛩責(zé)峤鉅t中噴入尿素溶液霧化顆粒，利用熱稀釋風(fēng)加熱至350～650 ℃使其分解為氨氣和二氧化碳。熱稀釋風(fēng)一般采用電加熱或燃料加熱方式，目前新出現(xiàn)了抽取鍋爐尾部煙氣加熱的方式。尿素水解：50%尿素溶液在150～170 ℃、0.5～1 MPa下發(fā)生水解，水解首先產(chǎn)生一種氨基甲酸銨的亞穩(wěn)定態(tài)物質(zhì)，氨基甲酸銨極不穩(wěn)定，會(huì)繼續(xù)水解生成氨氣和二氧化碳[4]。

3.2.2 尿素制氨方式的選擇

電加熱尿素?zé)峤夤に囃顿Y較少，但電耗運(yùn)行成本較高，長期運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性差，設(shè)備系統(tǒng)較復(fù)雜，電加熱器存在故障退出運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)，目前應(yīng)用此工藝的有些電廠正在實(shí)施或考慮二次改造為煙氣熱解或水解工藝；煙氣加熱尿素?zé)峤夤に囅到y(tǒng)復(fù)雜，鍋爐本體及煙風(fēng)道系統(tǒng)改造量大，目前應(yīng)用業(yè)績少且投運(yùn)時(shí)間短，風(fēng)險(xiǎn)相對較大，投資成本高。

選用尿素水解脫硝工藝，可充分對尿素站系統(tǒng)利用原有設(shè)備，設(shè)備系統(tǒng)簡單，鍋爐本體無需改動(dòng)。水解裝置采用撬裝模塊，施工簡單，占地面積小，投資小。尿素水解制氨負(fù)荷響應(yīng)慢，可通過增加制氨裕量加以解決，水解器排污問題均已在新的工藝設(shè)計(jì)中得到有效改進(jìn)，可靠性高[5]。

無論是電加熱或是煙氣加熱的尿素?zé)峤夤に?，尿素?zé)峤庵芯煌潭鹊卮嬖谝驘峤獠痪姌岇F化不良、稀釋風(fēng)、含塵、溫度控制等原因?qū)е鲁隹趶濐^管道尿素結(jié)晶堵塞現(xiàn)象，脫硝系統(tǒng)被迫退出，可靠性相對不高。綜合對比兩種尿素制氨技術(shù)，該公司采用尿素水解方案對脫硝超低排放進(jìn)行改造。

3.3工程應(yīng)用

該公司于2016年10月和12月分別完成了1號(hào)、2號(hào)鍋爐脫硝超低排放改造，新增了2臺(tái)尿素水解反應(yīng)器，每臺(tái)尿素水解反應(yīng)器對應(yīng)1臺(tái)機(jī)組，每臺(tái)產(chǎn)氨能力為60 kg/h(留50%裕量)，在尿素水解反應(yīng)器出口至鍋爐輸送氨管道之間可聯(lián)絡(luò)，可對鄰爐補(bǔ)氨。

圖4為該公司尿素水解站。

圖4 尿素水解站

質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的尿素溶液被輸送到尿素水解反應(yīng)器內(nèi)，飽和蒸汽通過盤管的方式進(jìn)入水解反應(yīng)器，飽和蒸汽不與尿素溶液混合，通過盤管回流，冷凝水由疏水箱、疏水泵回收。水解反應(yīng)器內(nèi)氣液兩相平衡體系的壓力為0.6～0.9 MPa，溫度為140～155 ℃。水解反應(yīng)器中產(chǎn)生出來的含氨氣流經(jīng)過計(jì)量分配后進(jìn)入氨空氣混合器，然后與一次風(fēng)在氨氣-空氣混合器處稀釋，最后進(jìn)入SCR上部噴氨格柵。水解反應(yīng)器材質(zhì)為316L，設(shè)置2臺(tái)無油潤滑空壓機(jī)，通過空壓機(jī)向尿素水解器內(nèi)加入防腐空氣，使其水解器內(nèi)一直有溶解氧的存在，使尿素溶液中一直有溶解氧的存在，溶解氧使不銹鋼在氧化性介質(zhì)中能進(jìn)行化學(xué)鈍化，表面生成氧化膜，最大限度緩解腐蝕速率。

產(chǎn)品氣為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28%氨氣、35%二氧化碳和37%水蒸氣的混合物。為確保產(chǎn)品氣的溫度高于露點(diǎn)溫度以防止管道堵塞，產(chǎn)品氣管道采用夾套保溫，管內(nèi)輸送氣氨，夾套內(nèi)輸送伴熱蒸汽，蒸汽冷凝水回到稀釋水箱回收利用。

因農(nóng)用尿素中含有一些的細(xì)微雜質(zhì)，水解反應(yīng)過程中會(huì)產(chǎn)生結(jié)垢物黏結(jié)在加熱盤管表面，影響傳熱導(dǎo)致反應(yīng)器制氨出力下降，運(yùn)行中需每周進(jìn)行一次排污防止雜質(zhì)結(jié)垢，每次排污5 s，從而產(chǎn)生少量廢水。該改造項(xiàng)目優(yōu)化了廢水處理方式，廢水回至尿素溶解罐，打至尿素溶液儲(chǔ)罐后進(jìn)入爐前SNCR噴射系統(tǒng)進(jìn)行脫硝反應(yīng)；另外還設(shè)置了廢水池，尿素廢水經(jīng)稀釋后進(jìn)入廠內(nèi)草坪灌溉系統(tǒng)，作為廠區(qū)草木的肥料使用。

每臺(tái)鍋爐設(shè) 2 臺(tái)高溫離心式稀釋風(fēng)機(jī)，一用一備，稀釋風(fēng)取自高溫空氣預(yù)熱器出口熱風(fēng)道，風(fēng)道320 ℃。噴入反應(yīng)器上部噴氨格柵的氨氣為熱空氣稀釋后含 5%左右氨氣的混合氣體。

圖5為高溫省煤器上部加裝噴氨格柵布置圖。

圖5 高溫省煤器上部加裝噴氨格柵布置圖

因催化劑受外部空間限制布置在鍋爐豎直煙道內(nèi)，為利用高溫省煤器管排的整流作用，保證氨氮充分混合均勻，噴氨格柵采用水平方式布置在高溫省煤器管排上部，采用包墻過熱器鰭片與省煤器聯(lián)箱作為支撐點(diǎn)，并對聯(lián)箱及省煤器懸吊管采用不銹鋼護(hù)瓦全面防護(hù)，防止吹損和腐蝕。

因催化劑入口氨氮分布前后墻嚴(yán)重不均，為保證SCR出口NOx分布均勻，防止局部氨逃逸過大，噴氨格柵必須按需求不同而設(shè)計(jì)為不均勻噴氨。噴氨格柵寬度方向(前后墻)分為6個(gè)區(qū)，長度方向(左右墻)分為4個(gè)區(qū)，共24組。從前向后噴量呈梯度遞減，每組噴氨模塊均能單獨(dú)控制噴氨量。

通過制作物理模型試驗(yàn)，利用CO模擬噴氨，確定了噴氨系統(tǒng)噴嘴數(shù)量，物模測試顯示噴嘴偏置角度在45°時(shí)氨分布均勻性最好。

圖6為高溫省煤器上部加裝噴氨格柵布置圖。

圖6 噴氨模塊物理模型

在物理模型噴氨格柵出口截面進(jìn)行CO質(zhì)量濃度和速度分布測量，噴氨隔柵下游平均速度為1.68 m/s，分布相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.17；CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值為0.061 87‰，分布相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.21，各測點(diǎn)CO質(zhì)量濃度和測點(diǎn)速度測量值圖見圖7和圖8(其中X表示物理模型中煙道的水平方向，垂直于主氣流；Y表示物理模型中煙道的深度方向；X、Y分別表示該方向上的測量點(diǎn))。

圖7 CO質(zhì)量濃度實(shí)驗(yàn)測量圖

圖8 速度實(shí)驗(yàn)測量圖

圖9為不均勻噴氨系統(tǒng)在SNCR+SCR耦合脫硝改造應(yīng)用后示意圖。

圖9 均勻噴氨系統(tǒng)在SNCR+SCR耦合脫硝改造應(yīng)用后示意圖

3.4效果評(píng)估

(1) 1號(hào)、2號(hào)爐改造后，完成了各負(fù)荷工況下氮氧化物質(zhì)量濃度超低排放測試，均達(dá)45 mg/m3以下。

(2) 脫硝SCR出口煙氣流場均勻性大幅改善，氨逃逸控制在0.003‰下。

(3) 尿素水解系統(tǒng)投入自動(dòng)穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)無人值守，實(shí)現(xiàn)水解廢水零排放。

(4) 經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)對比，達(dá)標(biāo)排放條件下，改造完成后干尿素耗量下降約30%，1號(hào)鍋爐在NOx質(zhì)量濃度超低排放條件下(50 mg/m3)，尿素總耗量較未改造前NOx質(zhì)量濃度達(dá)標(biāo)排放條件(100 mg/m3)降低12.5%。

圖10和圖11分別是改造前后SCR出口NOx分布測試數(shù)據(jù)(單位為mg/m3)。

圖10 改造前SCR出口NOx分布

圖11 改造后SCR出口NOx分布

該公司采用尿素水解技術(shù)實(shí)現(xiàn)尿素制氨，通過在原SNCR+SCR耦合脫硝系統(tǒng)基礎(chǔ)上在高溫省煤器上方增加噴氨格柵，很好地解決了SNCR脫硝系統(tǒng)一直以來存在的氨氮分布嚴(yán)重不均勻問題，SCR脫硝效率低、氨逃逸大帶來的尾部受熱面堵灰問題，實(shí)現(xiàn)了鍋爐煙氣NOx排放質(zhì)量濃度小于50 mg/m3。

4 結(jié)語

通過尿素水解，增加SCR梯度不均勻噴氨系統(tǒng)，首次實(shí)現(xiàn)了尿素水解制氨在SNCR+SCR耦合脫硝系統(tǒng)上的超低排放改造，解決了SNCR脫硝系統(tǒng)一直以來存在的氨氮分布嚴(yán)重不均勻、SCR脫硝效率低及氨逃逸多帶來的尾部受熱面腐蝕堵灰的問題，提高了脫硝運(yùn)行的安全性和可靠性，充分發(fā)揮了SNCR不需催化劑在爐內(nèi)脫硝的優(yōu)勢。

[1] 郭偉, 崔寧. 尿素?zé)峤庵瓢盨CR脫硝技術(shù)在電廠的應(yīng)用與優(yōu)化[J]. 鍋爐技術(shù), 2012, 43(3): 77-80.

[2] 段傳和, 夏懷祥. 選擇性非催化還原法(SNCR)煙氣脫硝[M]. 北京: 中國電力出版社, 2012.

[3] 周昊. 宜興華潤熱電有限公司超低排放可行性研究報(bào)告[R]. 宜興：宜興華潤熱電有限公司，2015: 18-38.

[4] 彭代軍. 鍋爐煙氣脫硝尿素?zé)峤馀c水解制氨技術(shù)對比[J]. 能源與節(jié)能, 2014(1): 188-189, 192.

[5] 張弛. 煙氣脫硝中尿素法制氨工藝比較[J]. 化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù), 2014, 35(6): 35-39.

ApplicationofNon-uniformAmmoniaInjectionSysteminHybridSNCR+SCRDenitrificationProcess

Liang Cunjing, Zhang Zhancheng, Huang Guoqiang

(Yixing China Resources Thermal Power Co., Ltd., Yixing 214205, Jiangsu Province, China)

To overcome the obvious shortcomings of uneven NH3-NOxdistribution in selective non-catalytic reduction (SNCR) flue gas, and taking full advantages of SNCR system that does not require catalyst during denitrification, a hybrid SNCR+SCR denitrification process was proposed by adding a non-uniform ammonia injection system. The advantages and disadvantages of urea hydrolysis and pyrolysis for ammonia production were compared and analyzed. The ammonia injection grid was optimized by experimental study, with focus on the applicability of the ammonia injection system. The effect of hybrid urea hydrolysis for ammonia and SCR non-uniform ammonia injection system in industrial application was analyzed. Results show that the the NOxremoval efficiency could be significantly improved by coupling the urea hydrolysis for ammonia with the hybrid SNCR+SCR denitrification system, thus solving the problem of uneven NH3-NOxdistribution.

non-uniform ammonia injection system; urea hydrolysis; SNCR; denitrification; ultra-low emission

2017-01-12；

2017-02-28

梁存敬(1965—)，男，工程師，研究方向?yàn)闊煔饷撓?、脫硫、除塵系統(tǒng)分析改造與優(yōu)化。E-mail: 13921311379@qq.com

TK224.1

A

1671-086X(2017)06-0433-05