趙 強(qiáng)，向 軼，張玉洋，冷 健，陳艷艷

（1.西安航天動(dòng)力研究所，陜西西安710100；2.西安航天源動(dòng)力工程有限公司，陜西西安710100）

隨著大氣污染物超低排放標(biāo)準(zhǔn)的全面實(shí)施，火電及非電行業(yè)的環(huán)保壓力進(jìn)一步加大。選擇性非催化還原法（SNCR）是一種工藝成熟的煙氣脫硝技術(shù)，與選擇性催化還原法（SCR）相比，具有投資少、工期短、結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，常用于循環(huán)流化床鍋爐上。但SNCR單獨(dú)投運(yùn)時(shí)脫硝效率不高，約30%～50%，因此常與低氮燃燒技術(shù)聯(lián)合使用[1]。煙氣再循環(huán)是一種常見的低氮燃燒技術(shù)，其原理是把一部分爐膛尾氣返回配風(fēng)系統(tǒng)，重新進(jìn)入爐膛，降低燃燒溫度和氧氣濃度，減少氮氧化物NOx生成量[2]。近年來SNCR 與煙氣再循環(huán)聯(lián)用的技術(shù)發(fā)展迅速，已有相關(guān)的研究成果和應(yīng)用業(yè)績。煤泥是煤炭洗選的副產(chǎn)品，具有高水分、高灰分和低熱值的特性，利用價(jià)值低，給環(huán)保工作帶來巨大壓力。本文將煤泥用于循環(huán)流化床鍋爐的燃燒發(fā)電，并通過整套啟動(dòng)調(diào)試及168 小時(shí)試運(yùn)行數(shù)據(jù)研究SNCR 與煙氣再循環(huán)聯(lián)用時(shí)的脫硝效率影響因素，提出工藝優(yōu)化思路，為煤泥循環(huán)流化床鍋爐的應(yīng)用提供參考。

1 運(yùn)行狀況及工藝參數(shù)

1.1 鍋爐基本情況

某電廠現(xiàn)有3 臺在運(yùn)行循環(huán)流化床鍋爐，燃料為選煤廠原始煤泥摻水?dāng)嚢韬蟮玫降?1%含水量的煤泥，原始煤泥的煤質(zhì)分析如表1所示。3臺鍋爐長期在中負(fù)荷下運(yùn)行，表2為在全燒煤泥時(shí)的鍋爐運(yùn)行參數(shù)。在鍋爐的排煙口設(shè)置有CEMS用于測量NOx的排放濃度。

1.2 SNCR系統(tǒng)

本文采用SNCR 脫硝工藝，還原劑為濃度10%～15%的氨水，包括氨水存儲系統(tǒng)、氨水輸送系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)、霧化風(fēng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和在線監(jiān)測系統(tǒng)。對于噴射系統(tǒng)，1#鍋爐在爐膛出口處的旋風(fēng)分離器筒壁布置8支噴槍，2#鍋爐同樣在旋風(fēng)分離器筒壁布置6支噴槍，4#鍋爐在爐膛水冷壁上布置8 支噴槍，如圖1 所示。噴槍均為氣力霧化式。

表1 原始煤泥的煤質(zhì)分析

表2 鍋爐運(yùn)行參數(shù)

圖1 三臺鍋爐的噴槍布置點(diǎn)

本次SNCR 項(xiàng)目調(diào)試及試運(yùn)行的目標(biāo)是，在投運(yùn)煙氣再循環(huán)的狀態(tài)下，通過調(diào)試SNCR 系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，為制定循環(huán)流化床鍋爐的操作規(guī)程提供依據(jù)，使系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)NOx的濃度降到100 mg/m3（標(biāo)準(zhǔn)）以下。

2 調(diào)試及運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

2.1 SNCR系統(tǒng)調(diào)試數(shù)據(jù)分析

在SNCR 脫硝系統(tǒng)安裝完成后，進(jìn)入整套啟動(dòng)調(diào)試過程，具體操作步驟為：在鍋爐負(fù)荷60%以上、運(yùn)行穩(wěn)定的情況下，先投入SNCR系統(tǒng)；再根據(jù)爐膛氧量調(diào)整一次風(fēng)、二次風(fēng)和煙氣再循環(huán)風(fēng)量，系統(tǒng)穩(wěn)定后逐步調(diào)節(jié)噴氨量，得到多組調(diào)試數(shù)據(jù)，如表3 所示。基于這些調(diào)試數(shù)據(jù)，可以研究多種工藝參數(shù)對脫硝效率的影響，為煤泥循環(huán)流化床鍋爐SNCR 脫硝系統(tǒng)的優(yōu)化措施提供理論依據(jù)。

表3 SNCR系統(tǒng)整套啟動(dòng)調(diào)試數(shù)據(jù)

1）氨氮摩爾比對脫硝效率的影響

氨水作為還原劑，其供應(yīng)量與總脫硝效率DΣ直接相關(guān)，評價(jià)指標(biāo)采用氨氣NH3與NOx摩爾量比值NH3/NOx，即氨氮摩爾比NSR，mol/mol。NOx中95%以上是NO，故SNCR脫硝的主要反應(yīng)為[3]

根據(jù)式（1），理論上當(dāng)NO 被完全消耗時(shí)，NSR=1，實(shí)際上由于混合不均、副反應(yīng)等原因，工程應(yīng)用中需要NSR＞1 才能保證較好的脫硝效率，通常NSR 取值范圍為1～1.85[4]。本次調(diào)試中，除4#爐-7 工況外，NSR 值對脫硝效率D的影響見圖2。

如圖2所示，以1#、4#爐為例，對同一臺鍋爐，隨著NSR 值的增大，D均呈現(xiàn)出升高的趨勢，即反應(yīng)物NH3相對濃度的增大能促使式（1）中正反應(yīng)的進(jìn)行。這種升高趨勢主要表現(xiàn)為以下兩個(gè)特征：

（1）在NSR 相對較低時(shí)（NSR≤1.2），隨著NSR 的增大，脫硝效率D提升速度較快，即在此區(qū)間內(nèi)NSR是影響脫硝反應(yīng)的主要因素，此時(shí)提高氨水供應(yīng)流量對改善脫硝效果較明顯；當(dāng)NSR＞1.2時(shí)，D提升速度相對放緩，即NSR 的影響效果減弱，要想進(jìn)一步提升D，需要對其他參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。同時(shí)NSR越大，氨逃逸情況也會(huì)越嚴(yán)重，造成二次污染，因此需選擇合適的NSR值。

圖2 NSR值對SNCR脫硝效率D的影響

（2）在D≤65%時(shí)，通過提高氨水供應(yīng)量，即增大NSR 的方法可以迅速提升D值；但當(dāng)D＞65%后，隨著NSR的增大，對D提升速度相對放緩，即當(dāng)D達(dá)到相對較高的水平后，繼續(xù)靠提高氨水供應(yīng)量的方法對改善脫硝情況的效果逐漸減弱。該結(jié)論也可以間接說明，SNCR 技術(shù)適用于NOx濃度相對較高的工況，對于NOx初始排放濃度相對較低的工況，不建議將SNCR 作為主要脫硝手段。

綜上所述，認(rèn)為對于全燒煤泥的循環(huán)流化床鍋爐，當(dāng)NSR≤1.2、D≤65%時(shí)，增加氨水供應(yīng)量可以迅速提高脫硝效率，高于這兩個(gè)臨界值后，單純通過增加氨水供應(yīng)量的辦法對提升脫硝效果的作用逐漸減弱，氨水量增加反而可能帶來嚴(yán)重的氨逃逸。

2）反應(yīng)溫度對脫硝效率的影響

SNCR的脫硝效果與反應(yīng)溫度密切相關(guān)，使用氨水作為還原劑時(shí)，其最佳反應(yīng)溫度為850～950 ℃[5]。調(diào)試中還研究了反應(yīng)溫度對脫硝的影響，表3中4#爐-6、4#爐-7兩個(gè)工況，反應(yīng)溫度分別為908 ℃和844 ℃，在其他參數(shù)大致相同的情況下，發(fā)現(xiàn)4#爐-7的脫硝效率明顯低于4#爐-6，即反應(yīng)溫度從908 ℃降至844 ℃時(shí)，D降低了6.42%，對SNCR 的運(yùn)行是非常不利的。因此需要將反應(yīng)溫度控制在最佳溫度區(qū)間。

此外，對比4#爐-5、4#爐-7兩個(gè)工況，發(fā)現(xiàn)雖然4#爐-5 的NSR 值低于4#爐-7，但其反應(yīng)溫度更高，處于最佳溫度區(qū)間，因此D比后者高2.8%。這一結(jié)論表明，對SNCR 脫硝系統(tǒng)，反應(yīng)溫度是影響脫硝效率的關(guān)鍵因素，在實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)SNCR的反應(yīng)溫度低于最佳區(qū)間時(shí)，單純采用增加氨水供應(yīng)量的方式并不能獲得很好的補(bǔ)償效果。

3）噴槍布置點(diǎn)對脫硝效率的影響

SNCR 噴槍的布置點(diǎn)位置直接關(guān)系到脫硝反應(yīng)的溫度、NH3和煙氣的混合均勻度、反應(yīng)區(qū)域NH3的濃度等，影響脫硝效率。以1#爐和4#爐為例，兩者額定蒸發(fā)量相同，鍋爐結(jié)構(gòu)基本相同，但兩臺鍋爐的噴槍布置點(diǎn)不同，造成最終脫硝效率有較明顯的差異。根據(jù)圖2中的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)1#爐的D值均高于4#爐，且一直處于很高的水平，接近SNCR 的上限。分析原因，主要有以下兩點(diǎn)：

（1）1#爐的8支噴槍布置在旋風(fēng)分離器筒壁，煙氣在進(jìn)入旋風(fēng)分離器后擾動(dòng)強(qiáng)烈，NH3可以在極短時(shí)間內(nèi)就與煙氣混合均勻，強(qiáng)化了氨水的霧化效果和氨氮的反應(yīng)速率，從而使D保持在較高水平。而4#爐的8支噴槍布置在爐膛水冷壁上，循環(huán)流化床鍋爐爐膛內(nèi)的擾動(dòng)情況遠(yuǎn)低于旋風(fēng)分離器，造成NH3和煙氣的混合均勻度低于1#爐，D也相對較低。

（2）1#爐旋風(fēng)分離器的橫截面直徑為3 000 mm，而4#爐的爐膛橫截面尺寸為3 370 mm×5 470 mm，在其他參數(shù)相差不大時(shí)，旋風(fēng)分離器空間更小，有利于霧化后的氨水覆蓋整個(gè)橫截面；爐膛的空間相對較大，氨水不能完全覆蓋整個(gè)橫截面，可能會(huì)出現(xiàn)NH3在爐膛內(nèi)濃度分布不均的情況，與煙氣不能均勻混合，導(dǎo)致脫硝效果不佳，氨逃逸加劇。

結(jié)合1#爐和4#爐的脫硝反應(yīng)溫度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)1#爐的反應(yīng)溫度（852 ℃）要明顯低于4#爐（908 ℃），但兩者都在最佳反應(yīng)溫度區(qū)間內(nèi)，根據(jù)文獻(xiàn)資料和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在低于940 ℃的范圍內(nèi)，理論上反應(yīng)溫度越高則脫硝效果越好[6]，而實(shí)際上4#爐的D相對更低，也說明此時(shí)NH3和煙氣的混合均勻度對D的影響權(quán)重要高于反應(yīng)溫度。因此可得出結(jié)論，在滿足最佳反應(yīng)溫度區(qū)間的前提下，強(qiáng)化NH3和煙氣的混合情況比提高溫度更能促進(jìn)脫硝效果，也建議在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中將氨水噴槍布置在旋風(fēng)分離器筒壁上。

4）氨水霧化情況對脫硝效率的影響

氨水的霧化情況直接影響到NH3產(chǎn)生速率和NH3與煙氣的混合情況，本文采用氣力式噴槍，其霧化性能與霧化空氣壓力相關(guān)。為研究氨水霧化情況對脫硝效率的影響，對3 臺鍋爐采用了不同壓力的壓縮空氣作為霧化空氣，如表3 所示。根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)2#爐的霧化空氣壓力處于較低水平，未達(dá)到設(shè)計(jì)文件中0.3 MPa 的最低要求，因此在運(yùn)行時(shí)2#爐的噴槍霧化效果很差，噴出的氨水甚至呈水柱狀直接噴射到旋風(fēng)分離器的內(nèi)筒壁上，不能達(dá)到NH3與煙氣均勻混合的目的。表3 中的數(shù)據(jù)也顯示，雖然1#爐和2#爐的噴槍都布置在旋風(fēng)分離器筒壁上，且2#爐的NSR 值更高，但2#爐的D值明顯處于較低水平。

根據(jù)運(yùn)行一段時(shí)間后的現(xiàn)場檢修情況顯示，2#爐的爐膛出口溫度為860 ℃，高溫?zé)煔鈱⑿L(fēng)分離器的筒壁加熱到近800 ℃，未充分霧化的氨水直接噴射到旋風(fēng)分離器鋼制內(nèi)筒上時(shí)會(huì)迅速造成明顯的腐蝕甚至炸裂，嚴(yán)重縮短旋風(fēng)分離器的使用壽命。因此在設(shè)計(jì)和運(yùn)行中，為強(qiáng)化NH3與煙氣的混合效果，應(yīng)至少保證噴槍的霧化空氣壓力不低于0.3 MPa，盡可能保持在0.4～0.6 MPa，以提高脫硝效率，減少氨水對設(shè)備的腐蝕。

5）煙氣含氧量和煙氣再循環(huán)對脫硝效率的影響

在NH3還原NO的同時(shí)，也會(huì)發(fā)生NH3在高溫下被氧化的副反應(yīng)：

即煙氣含氧量過高會(huì)降低脫硝效果。同時(shí)為了抑制燃料型NOx的產(chǎn)生，在滿足鍋爐負(fù)荷穩(wěn)定的前提下，應(yīng)盡量降低煙氣的含氧量。分析表3 中1#爐和4#爐的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)兩臺鍋爐的煙氣含氧量均偏高，尤其是4#爐，這對低氮燃燒、SNCR 脫硝的正常工作都可能產(chǎn)生不利影響，因此在運(yùn)行時(shí)需要注意將煙氣含氧量控制在較低水平。

本文中的3 臺鍋爐均設(shè)置了煙氣再循環(huán)，并對4#爐投運(yùn)前后的煙氣含氧量、脫硝效率進(jìn)行了研究。根據(jù)表3中4#爐-3、4#爐-4兩組數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在其他參數(shù)不變時(shí)，投運(yùn)煙氣再循環(huán)后含氧量從14.6%降至13.2%，D也從63.64%上升至67.50%，效果顯著。1#爐在投運(yùn)煙氣再循環(huán)后，D也一直保持在很高的水平，最高達(dá)到85.53%。因此建議在循環(huán)流化床鍋爐全燒煤泥時(shí)，同時(shí)投運(yùn)SNCR 脫硝和煙氣再循環(huán)，以獲得較好的脫硝效果和較低的NOx排放濃度。

2.2 SNCR系統(tǒng)168小時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

對3 臺循環(huán)流化床鍋爐的SNCR 系統(tǒng)進(jìn)行了168小時(shí)的整機(jī)試運(yùn)行，此次試運(yùn)行的工況在調(diào)試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合NOx排放量＜100 mg/m3（標(biāo)準(zhǔn)）的目標(biāo)，進(jìn)行了以下優(yōu)化：

（1）適當(dāng)提高氨水供應(yīng)量，維持較高的NSR值；

（2）噴槍的霧化空氣壓力均保持在0.4 MPa以上；

（3）3臺鍋爐均投運(yùn)煙氣再循環(huán)，盡可能降低煙氣含氧量。

SNCR 脫硝系統(tǒng)從第1 天早上8：00 開始進(jìn)入整機(jī)試運(yùn)行，到第8天早上8：00結(jié)束，在168小時(shí)運(yùn)行期間，鍋爐和脫硝系統(tǒng)均運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)記錄見表4。

表4 SNCR系統(tǒng)168小時(shí)試運(yùn)行數(shù)據(jù)

分析表4中的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)3臺鍋爐的NOx排放濃度都降至（標(biāo)準(zhǔn)）100 mg/m3以下，平均78.27 mg/m3，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。同時(shí)總脫硝效率為77.38%～82.37%，平均值80.10%，已接近SCR的脫硝效率。與調(diào)試期間相比，3臺鍋爐的煙氣含氧量也有所降低。由此說明基于本文中調(diào)試數(shù)據(jù)的優(yōu)化思路是正確的，采用煙氣再循環(huán)與SNCR聯(lián)合的工藝路線可以獲得很好的脫硝效果。

但此次168 小時(shí)的試運(yùn)行仍存在可以改進(jìn)的地方：

（1）1#爐由于運(yùn)行參數(shù)控制沒有達(dá)到最優(yōu)，導(dǎo)致爐膛出口溫度只有802 ℃，低于850～950 ℃的最佳范圍，所以即使將NSR值提高到2.03，高于調(diào)試中的最高值1.28，但脫硝效率仍低于調(diào)試時(shí)的結(jié)果，也再次說明當(dāng)反應(yīng)溫度低于最佳范圍時(shí)，單純采用增加氨水供應(yīng)量的方式并不能獲得很好的補(bǔ)償效果。

（2）2#爐將霧化空氣壓力從調(diào)試時(shí)的0.24 MPa提高到0.48 MPa，在其他參數(shù)大致相近時(shí)，脫硝效率從調(diào)試的最高值44.66%提升至82.37%，效果明顯。但在試運(yùn)行時(shí)NSR值為2.97，仍高于正常水平，說明可能產(chǎn)生氨逃逸。為了減少二次污染，并保證脫硝效率，可以考慮適當(dāng)減少氨水供應(yīng)量，同時(shí)提高反應(yīng)溫度。

3 結(jié) 論

煤泥循環(huán)流化床鍋爐SNCR 脫硝的整套啟動(dòng)調(diào)試和168小時(shí)試運(yùn)行數(shù)據(jù)說明，采用SNCR與煙氣再循環(huán)聯(lián)合的工藝路線可以將總脫硝效率提高到80%以上，具有很好的應(yīng)用前景，得出的數(shù)據(jù)可以為工程實(shí)踐提供參考，具體如下：

（1）當(dāng)氨氮摩爾比NSR≤1.2、脫硝效率D≤65%時(shí)，通過增加氨水供應(yīng)量的辦法可以迅速提高脫硝效率，但在高于這兩個(gè)臨界值后脫硝效率的提升速度逐漸降低，氨水量的增加反而可能帶來嚴(yán)重的氨逃逸。

（2）SNCR應(yīng)盡可能在850～950 ℃的最佳反應(yīng)溫度區(qū)間內(nèi)運(yùn)行，反應(yīng)溫度低于此區(qū)間時(shí)，單純采用增加氨水供應(yīng)量的方式并不能獲得很好的補(bǔ)償效果。

（3）在滿足最佳反應(yīng)溫度區(qū)間的前提下，強(qiáng)化NH3和煙氣混合的均勻度比提高溫度更能促進(jìn)脫硝效果，因此應(yīng)盡量將氨水噴槍布置在旋風(fēng)分離器筒壁處。

（4）應(yīng)至少保證噴槍的霧化空氣壓力不低于0.3 MPa，盡可能保持在0.4～0.6 MPa，以強(qiáng)化噴槍的霧化能力，提高脫硝效率，減少氨水對設(shè)備的腐蝕。

但同時(shí)應(yīng)該看到，本文中的3 臺煤泥循環(huán)流化床鍋爐最終排放濃度仍然在50 mg/m3（標(biāo)準(zhǔn)）以上，為了達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)，除了繼續(xù)對原有的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，還可以考慮再增加一套SCR脫硝系統(tǒng)，此時(shí)由于進(jìn)入SCR系統(tǒng)的NOx濃度較低，對SCR的催化劑用量、設(shè)備規(guī)模要求也大幅降低，即SNCR+SCR 聯(lián)合方案的總體投資成本仍然低于只設(shè)置SCR 的方案，具有很好的經(jīng)濟(jì)性。