趙 強，向 軼，冷 健，呂文豪，李雄飛

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

國家發(fā)改委發(fā)布的《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》顯示，在“十三五”期間，燃煤機組全面實施超低排放與節(jié)能改造，其中氮氧化物（NOx）的排放濃度上限降至50 mg/m3，火電及非電行業(yè)的環(huán)保壓力進一步增加。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)，在反應溫度800～1 100 ℃下，將氨水或者尿素直接噴入煙氣中，將NOx還原成N2，具有投資少、工期短、結(jié)構(gòu)簡單的特點，常用在循環(huán)流化床鍋爐（CFB）上[1]。但SNCR 也有脫硝效率低、還原劑消耗大、存在氨泄漏隱患等缺點[2]，因此通過設備升級、 工藝改進等措施提升SNCR 技術(shù)的實用性將有助于企業(yè)降低生產(chǎn)中的污染物排放、 節(jié)省在環(huán)保上的資金投入，以應對越發(fā)嚴格的環(huán)保督查，具有良好的社會效益和經(jīng)濟效益。本文基于SNCR 脫硝系統(tǒng)在CFB 上的運行數(shù)據(jù)，分析影響脫硝效率的各種因素，提出針對SNCR 系統(tǒng)和鍋爐系統(tǒng)的整體優(yōu)化策略，為工程實踐提供參考。

1 運行工藝參數(shù)

1.1 鍋爐基礎條件

對某化工企業(yè)的自備煤電機組分別進行了一期和二期脫硝改造。一期改造的對象為三臺130 t/h 循環(huán)流化床鍋爐，運行參數(shù)見表1。三臺鍋爐長期在中高負荷下運行。燃料為某礦務局提供的褐煤，煤質(zhì)分析見表2，可以發(fā)現(xiàn)煤中的揮發(fā)分、水分含量高，發(fā)熱量低，屬于典型的劣質(zhì)煤。褐煤具有良好的著火燃燒性能，但容易結(jié)渣，而CFB 特有的低溫燃燒和爐內(nèi)高濃度物料循環(huán)的特點則降低了爐膛結(jié)渣的風險，因此褐煤能在CFB 內(nèi)穩(wěn)定高效地燃燒。

表1 一期改造中CFB 設計參數(shù)

表2 褐煤的煤質(zhì)分析

1.2 SNCR 系統(tǒng)

本文采用SNCR 脫硝工藝，包括氨水稀釋系統(tǒng)、氨水儲存及供應系統(tǒng)、計量分配系統(tǒng)、噴槍系統(tǒng)、電氣儀表系統(tǒng)等，還原劑為20%濃度的原料氨水配制成的10%～15%濃度的稀釋氨水，脫硝效率設計值≥40%。三臺鍋爐的SNCR 噴槍均設置在爐膛水冷壁上，噴槍為氣力霧化式，采用壓縮空氣對氨水進行霧化。

2 運行數(shù)據(jù)分析

2.1 數(shù)據(jù)記錄

對一期改造中三臺全燒褐煤的130 t/h 循環(huán)流化床鍋爐SNCR 煙氣脫硝系統(tǒng)進行了168 h 的綜合測試考評。煙氣量測量點、煙氣成分取樣點設置在三臺鍋爐的總煙氣取樣口，即為煙氣混合后的綜合值，原煙氣數(shù)據(jù)取自SNCR 系統(tǒng)氨水泵未啟動時，脫硝后煙氣數(shù)據(jù)取自SNCR 系統(tǒng)投運后且運行穩(wěn)定時。測試考評期間三臺鍋爐的脫硝系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)見表3，對應的鍋爐參數(shù)記錄見表4。

2.2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)表3 中的數(shù)據(jù)，本次運行中脫硝效率為42.4%～49.6%，屬于SNCR 脫硝的正常水平。為了在脫硝效率和經(jīng)濟性方面進行提升，需要結(jié)合SNCR系統(tǒng)和鍋爐系統(tǒng)的各項參數(shù)對運行工況進行優(yōu)化。

表3 一期改造中的SNCR 系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)

表4 一期改造中的鍋爐參數(shù)記錄

2.2.1 氨氮摩爾比NSR

SNCR 系統(tǒng)的還原劑為氨水，噴入爐膛內(nèi)高溫區(qū)域時經(jīng)霧化、 蒸發(fā)后形成氣態(tài)NH3與NOx反應，因此NH3量與脫硝效率DNOx直接相關(guān)，常用氨氮摩爾比NSR 作為氨水供應量的評價指標，即NH3與NOx摩爾量比值NH3/NOx，mol/mol。由于NOx中95%以上是NO，故SNCR 脫硝的主要反應為：

根據(jù)式（1），理論上NSR=1 時NH3和NO 剛好完全反應，但在實際項目中由于未充分接觸、存在副反應等原因，通常NSR 取值范圍為1～1.85[3]。本次運行中NSR 值在2.22～2.72 之間，均高于正常取值范圍，分析其原因，認為是中溫分離器型的CFB 內(nèi)適合SNCR 脫硝反應的區(qū)域為爐膛內(nèi)密相區(qū)，此處循環(huán)灰濃度偏高，使NH3附著在灰表面被帶出爐膛，沒有與NOx接觸；同時噴射點附近有二次風加入，局部氧氣濃度較高，可能使部分NH3被氧化，發(fā)生副反應，也會增加氨水的消耗。因此為了達到較好的脫硝效果，需要提高氨水的供應量。

2.2.2 反應溫度

反應溫度是SNCR 脫硝反應中的關(guān)鍵參數(shù)，通常850～950 ℃是最佳反應溫度區(qū)間[4]，低于850 ℃時NH3與NOx的反應速率會顯著降低，相同時間內(nèi)被還原的NOx量減少，脫硝效率降低。當反應溫度過高時會發(fā)生NH3被氧化成NOx的副反應，主要反應式如下[5]：

即反應溫度過高會生成新的NOx，反而降低脫硝效率。根據(jù)表3、表4 中的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)從工況1 到工況3，隨著鍋爐負荷的增大，三臺鍋爐的爐膛平均溫度從859 ℃升至984 ℃，不同工況下爐膛平均溫度與DNOx的關(guān)系如圖1 所示。

圖1 爐膛平均溫度與DNOx的關(guān)系

從圖1 看出，工況2 的DNOx最高，對應的爐膛平均溫度為916 ℃；工況1 和工況2 均處于最佳反應溫度區(qū)間，溫度升高加快了氨水的蒸發(fā)擴散和脫硝的反應速率，提高了DNOx。工況3 的爐膛平均溫度為984℃，且2#爐和3#爐的爐膛溫度已經(jīng)超過1 000 ℃，但與工況2 相比DNOx反而略有降低，考慮到工況3 的NSR 值為2.22，已經(jīng)超過正常范圍，即氨水供應量是完全足夠的，可以認為此時導致脫硝效率降低的主要原因是反應溫度過高將部分NH3氧化成了NOx。

通過對爐膛平均溫度與DNOx關(guān)系的分析，認為當反應溫度處于850～950 ℃最佳區(qū)間時，隨著溫度的升高，脫硝效率也有所提高； 但當反應溫度超過950 ℃時，脫硝效率隨之降低。吳劍恒[6]的研究結(jié)果也說明，在940 ℃左右時，脫硝效率達到最大，證實了這一結(jié)論。因此在實際操作中，需要將SNCR 脫硝的反應溫度盡量控制在最佳區(qū)間。

2.2.3 氨水與煙氣的混合程度

除了氨氮摩爾比、反應溫度，NH3還原NOx的化學反應還與兩種反應物的接觸情況有關(guān)，即表現(xiàn)為NH3與煙氣的混合程度。由于本文中SNCR 系統(tǒng)的噴槍采用氣力霧化的形式，氨水的裂散程度與壓縮空氣的壓力有關(guān)，為了使氨水在離開噴槍后獲得更好的霧化效果，在設計文件中規(guī)定霧化空氣壓力至少大于0.3 MPa，正常運行時保持在0.4～0.6 MPa。

根據(jù)表3 中的數(shù)據(jù)，三個工況下的霧化空氣壓力在0.41～0.42 MPa，屬于正常范圍，但根據(jù)運行情況看，130 t/h 的CFB 爐膛內(nèi)尺寸較大，為6 400 mm×9 000 mm，在0.4 MPa 左右的霧化空氣壓力下氨水噴射力仍然不足，不能完全覆蓋整個爐膛；同時氨水的穿透力相對較弱，爐膛內(nèi)的循環(huán)灰形成的灰幕也會阻擋氨水的運動，造成爐膛中央?yún)^(qū)域的NH3濃度偏低，與煙氣混合程度低。同樣，也可以認為中溫分離器型CFB 的NSR 值偏高，主要原因之一是循環(huán)灰的影響導致NH3與煙氣混合不夠，還原反應不佳，使得氨水供應量被迫增大。因此可以通過提高霧化空氣壓力、 調(diào)整噴槍布置位置的方式來強化氨水與煙氣的混合程度。

2.2.4 反應停留時間

一般來說，在保證NH3與煙氣充分接觸的前提下，NH3在爐膛內(nèi)停留時間越長，化學反應的程度就越徹底。根據(jù)文獻[7]可知，NH3至少需要0.3～0.4 s的停留時間才能對NOx起到還原作用，當停留時間超過1 s 時可以達到很好的脫硝效果。一期中三臺CFB 的爐膛內(nèi)可以進行SNCR 反應的有效高度超過6 m，爐內(nèi)煙氣流速4～5 m/s，NH3在爐膛中的停留時間超過1 s，足以完成還原反應。

2.3 優(yōu)化策略

對一期改造中3×130 t/h 中溫分離器型CFB 的SNCR 運行數(shù)據(jù)進行分析后，認為影響該爐型CFB脫硝效率的主要因素是氨水與煙氣的混合程度，以及脫硝反應溫度，在此基礎上提出了針對SNCR 脫硝系統(tǒng)和鍋爐系統(tǒng)的整體優(yōu)化策略：

（1）本文中的三臺鍋爐都屬于中溫分離器型CFB，受反應溫度的限制，氨水噴槍只能布置在爐膛水冷壁上，在實際運行中存在NH3在爐膛截面上分布不均、穿透力不足的現(xiàn)象。為解決這一問題，可以適當提高全部或部分噴槍的霧化空氣壓力，使更多的NH3能到達爐膛中心區(qū)域； 在此基礎上對氨水霧化情況進行仿真模擬，以調(diào)整噴槍的布置點，強化NH3與煙氣的混合。

（2）SNCR 脫硝反應需要在合適的溫度范圍內(nèi)進行，溫度過低時反應速率慢，脫硝效率低；溫度過高會使NH3被氧化成新的NOx，對脫硝效果產(chǎn)生不利影響。因此在設計SNCR 系統(tǒng)時需要根據(jù)爐膛內(nèi)的溫度分布情況，將噴槍布置點設置在爐膛溫度850～950 ℃的區(qū)域內(nèi)，以獲得最佳的脫硝效果。在運行過程中，如因鍋爐負荷較高導致爐膛溫度高于最佳反應溫度范圍，可通過增加二次風量、設置煙氣再循環(huán)等措施適當降低爐膛溫度。

3 二期SNCR 脫硝系統(tǒng)的運行情況

在一期改造的SNCR 脫硝系統(tǒng)正常投運6 個月后，對廠區(qū)另外兩臺130 t/h+220 t/h 的CFB 進行二期SNCR 脫硝改造，兩臺CFB 的鍋爐參數(shù)見表5，燃料為褐煤?；?.3 節(jié)中的優(yōu)化策略，對系統(tǒng)的設計和運行進行了以下改進：

表5 二期改造中CFB 設計參數(shù)

（1）適當提高噴槍的霧化空氣壓力，使其>0.45 MPa；

（2）130 t/h 的4#爐為中溫分離器型，噴槍仍布置在爐膛水冷壁上；但220 t/h 的5#爐為高溫分離器型，爐膛出口設計溫度為875 ℃，因此將噴槍布置在爐膛出口后面的旋風分離器筒壁上，以強化NH3與煙氣的混合程度。

二期SNCR 脫硝系統(tǒng)建成投運后，對其進行了72 h 的性能考核，煙氣量測量點、煙氣成分取樣點設置在兩臺鍋爐的總煙氣取樣口，為煙氣混合后的綜合值，原煙氣數(shù)據(jù)取自SNCR 系統(tǒng)氨水泵停止時，脫硝后煙氣數(shù)據(jù)取自氨水泵啟動后且運行穩(wěn)定時。測試考評期間兩臺鍋爐的脫硝系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)見表6，對應的鍋爐參數(shù)記錄見表7。

表6 二期改造中的SNCR 系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)

表7 二期改造中的鍋爐參數(shù)記錄

表6、表7 中的數(shù)據(jù)顯示，二期項目中的SNCR脫硝效率達到了68.1%，兩臺CFB 總煙氣的NOx排放濃度為91.6 mg/m3，降至100 mg/m3以下，與一期相比效果顯著提升。分析原因如下：

（1）4#爐噴槍的霧化空氣壓力由0.41～0.42 MPa提升至0.48 MPa，提高了霧化氨水的穿透力，NH3能到達爐膛中心區(qū)域，在爐膛橫截面上分布較為均勻，與煙氣的混合程度較好； 同時反應區(qū)域溫度保持在914 ℃，處于最佳范圍。

（2）5#爐的SNCR 噴槍布置在爐膛出口后部的旋風分離器筒壁上，煙氣在進入旋風分離器后擾動強烈，NH3可以與煙氣充分混合；煙氣在旋風分離器內(nèi)的停留時間約1.2 s，足夠進行較為徹底的還原反應，因此雖然5#爐的反應溫度為826 ℃，未達到最佳溫度范圍，但在混合較充分、停留時間長等因素的作用下，也達到了較為理想的脫硝效果。

4 結(jié)論

本文進行了全燒褐煤的CFB 一期和二期脫硝改造，其運行數(shù)據(jù)說明，對于中溫分離器型CFB，SNCR 系統(tǒng)的脫硝效率可以達到49.6%；對于中溫分離器型CFB 和高溫分離器型CFB 聯(lián)用時，SNCR 系統(tǒng)的總脫硝效率可以達到68.1%，符合設計要求。得出的結(jié)論可以為工程實際提供參考，具體如下：

（1）對于中溫分離器型CFB，噴槍一般布置在爐膛水冷壁上，影響脫硝效率的主要因素是氨水與煙氣的混合程度以及脫硝反應溫度，循環(huán)灰對NH3與煙氣的混合有阻礙作用；

（2）SNCR 脫硝反應盡量在850～950 ℃最佳范圍內(nèi)進行，以達到更好的脫硝效果；

（3）高溫分離器型CFB 的SNCR 噴槍應布置在旋風分離器筒壁上；中溫分離器型CFB 的噴槍布置在爐膛水冷壁上時，盡量使霧化空氣壓力>0.45 MPa。

總體而言，一期和二期的SNCR 脫硝改造達到了較好的效果。但限于SNCR 脫硝技術(shù)的整體水平，如需進一步NOx降低排放濃度，則還需要再加裝SCR 系統(tǒng)，即采用SNCR 與SCR 聯(lián)合的工藝，以達到50 mg/m3的超低排放標準。