＊吳 海

（蘭州有色冶金設(shè)計研究院有限公司 甘肅 730099）

前言

2014年5月15日，我國發(fā)布了《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13271-2014），提高了65t/h以下的中小型燃煤鍋爐的氮氧化物的排放標(biāo)準(zhǔn)。因此，自“十三五”以來，大批縣市供熱單位對所在地區(qū)的中小型鏈條鍋爐進(jìn)行SNCR脫硝改造，運(yùn)行效果良莠不一，本文即針對中小型燃煤鏈條鍋爐SNCR脫硝改造技術(shù)加以論述。

1.SNCR工藝概述

(1)SNCR工藝原理

SNCR脫硝技術(shù)即選擇性非催化還原（Selective Non-Catalytic Reduction）技術(shù)，是一種不用催化劑，在850～1100℃的溫度范圍內(nèi)，將含氨基的還原劑（如氨水、尿素溶液等）噴入爐內(nèi)，將煙氣中的NOx還原脫除，生成氮?dú)夂退那鍧嵜撓跫夹g(shù)。以尿素還原NOx的主要反應(yīng)為：

2NO+CO(NH2)2+1/2O2→2N2+CO2+2H2O

SNCR脫硝系統(tǒng)主要包括儲罐、加壓泵、混合系統(tǒng)、分配與計量調(diào)節(jié)系統(tǒng)、噴霧系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)等組成。

(2)SNCR技術(shù)特點(diǎn)

各地對用于中小燃煤鏈條鍋爐的煤質(zhì)都有要求，對其氮含量都有不同的限制要求，根據(jù)多地鏈條爐煙氣排放數(shù)據(jù)調(diào)查，中小型燃煤鏈條鍋爐的氮氧化物煙氣濃度在100～300mg/m3之間，而新建鍋爐氮氧化物的濃度限值在100mg/m3以下，因此，多數(shù)情況下，只要SNCR脫硝效率在30%左右，即可滿足鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的要求[1]。而SNCR的脫硝效率在15%～50%之間，其效率因工況變化有所不同，因此，SNCR技術(shù)可以應(yīng)用于中小型燃煤鏈條鍋爐。SNCR具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

①設(shè)備簡單投資低，SNCR脫硝系統(tǒng)工藝簡單，設(shè)備較少，且由于氨與氮氧化物的摩爾比接近于1，可知煙氣脫硝時還原劑用量較少，所以，儲罐、泵等設(shè)施設(shè)備占地規(guī)模都比較小，這也直接決定了項目投資不會過高，這對經(jīng)濟(jì)條件有限的廣大北方地區(qū)進(jìn)行脫硝改、擴(kuò)建意義深遠(yuǎn)。

②還原劑來源廣泛，SNCR還原劑主要包括尿素、液氨和氨水，在中小型燃煤鏈條鍋爐中，尿素是應(yīng)用最廣泛的一種還原劑，因為其價格便宜、安全性高，且市場來源廣泛，不似液氨或氨水具有腐蝕性和易燃易爆特性，屬于危險化學(xué)品，購置渠道較少。

③反應(yīng)溫度區(qū)間大，理論上，氨與氮氧化物在850～1100℃的區(qū)間內(nèi)即可進(jìn)行反應(yīng)，但在實(shí)際運(yùn)行過程中，中小型燃煤鏈條爐是很難做到850℃以上的運(yùn)行溫度的，多維持在650～800℃之間，而北方很多縣市，供暖時12:00～14:00及0:00～2:00會停爐，屆時爐溫甚至不到400℃。尿素?zé)峤鉃榘钡臏囟葏^(qū)間為350～650℃，因此，鍋爐在正常運(yùn)行時，是可以滿足熱解產(chǎn)生氨的溫度需求的，但是卻難以達(dá)到氨與氮氧化物良好反應(yīng)的溫度區(qū)間，這也導(dǎo)致了SNCR在中小型燃煤鏈條鍋爐中效率較低的直接原因。但是，在實(shí)際運(yùn)行、調(diào)試過程中，我們發(fā)現(xiàn)溫度區(qū)間在650～800℃時，SNCR脫硝效率在10%～15%左右，可以去除部分氮氧化物的，這對于本身煤質(zhì)較好，且需要進(jìn)一步提標(biāo)改造的脫硝項目，是具有一定的借鑒意義的[2]。

④改造方便，SNCR技術(shù)是通過爐內(nèi)噴還原劑進(jìn)行脫硝的，因此，改造過程中，最關(guān)鍵的是在合適的溫度區(qū)間安裝一定數(shù)量的噴槍，噴槍數(shù)量和規(guī)格根據(jù)廢氣量、氮氧化物的濃度及排放要求進(jìn)行核算即可。

2.鏈條鍋爐床層燃燒特性分析及污染物控制要求

(1)鏈條鍋爐燃燒特性分析

中小型燃煤鏈條鍋爐是以床層為組織方式的燃燒形式，其運(yùn)行原理是燃料在進(jìn)入燃燒爐倉后，會隨鏈條爐排向前移動，在煤層上部煤閘門阻擋作用下形成均勻分布狀態(tài)，爐膛部位的煤層在上部高溫?zé)煔獾葻彷椛渥饔孟?，基于蒸發(fā)、揮發(fā)、著火及焦炭燃燒等流程，實(shí)現(xiàn)熱量由上至下的傳遞。在鏈條爐排向前系統(tǒng)時，會形成數(shù)個傾斜的反應(yīng)層界面，最終達(dá)到完全燃燒目的。在燃燒過程中，焦炭燃燒是熱量的主要來源，但是存在大顆粒時，焦炭反應(yīng)性會明顯降低，不僅燃燒效率低下，同時也會帶來較為明顯的污染現(xiàn)象[3]?；谌紵?，燃燒效果主要受溫度、停留時間、可燃物與氧氣混合水平三個方面因素影響，在燃燒不完全時，會造成明顯的不完全燃燒熱損失、機(jī)械不完全燃燒熱損失和排煙熱損失。

對鏈條鍋爐燃燒特性進(jìn)行精準(zhǔn)分析，燃燒效果控制影響因素主要包括如下方面：

①爐拱，在鍋爐系統(tǒng)中，爐拱能夠起到引燃、保溫促燃和加強(qiáng)氣體混合三個方面作用。在煤質(zhì)較好的情況下，可以采用無拱或短高爐拱方式，但是在煤質(zhì)較差時，只能采用長爐拱方式。

②配風(fēng)方式，在不同床層階段，可以根據(jù)燃煤特性合理確定配風(fēng)時間，優(yōu)化配風(fēng)方式，在燃燒旺盛區(qū)域，則應(yīng)當(dāng)合理加大配風(fēng)量。

③煤層厚度，主要是根據(jù)不同煤種的揮發(fā)分、灰分含量和顆粒大小等，合理確定煤層厚度，以確保燃燒效果和安全。

④爐排速度，在鍋爐負(fù)荷發(fā)生變化時，則可以通過調(diào)整爐排速度，確保負(fù)荷保持較低水平，提升燃燒熱效率。

⑤煤顆粒粒徑，粒徑過大或過小，均會對燃燒效率產(chǎn)生影響，應(yīng)當(dāng)在綜合考慮焦炭反應(yīng)性、灰層散阻力及飛灰未燃盡損失等方面要求，合理確定粒徑分布。

⑥燃煤含水量，更為適當(dāng)比例的含水量，能夠確保良好的熱量傳遞效果，增加細(xì)煤之間的團(tuán)聚力，減少飛灰和漏煤損失，有效改善燃燒效果。

⑦過量空氣系數(shù)，在鍋爐運(yùn)行中，受多方面因素影響，實(shí)際供給總風(fēng)量通常偏大，使得燃煤與空氣的混合不夠充分，進(jìn)而產(chǎn)生燃燒不完全現(xiàn)象。因此通過合理控制空氣系數(shù)，能夠更好的提升燃燒效率，進(jìn)而達(dá)到良好的燃燒效果。

做好鏈條鍋爐燃燒特性影響因素分析，是明確污染物控制重點(diǎn)，對SNCR問題進(jìn)行深化研究，對SNCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整的關(guān)鍵支撐。

(2)鏈條鍋爐污染物控制要求

鏈條鍋爐污染物的產(chǎn)生，主要以氮氧化物（NOx）為主，實(shí)際表現(xiàn)為燃燒過程中會出現(xiàn)不同程度的冒黑煙現(xiàn)象，這也是SNCR脫硝系統(tǒng)應(yīng)用和處理的主要方面。NOx析出主要包括NO和NO2兩種物質(zhì)，兩者比例約為95:5，但是由于NOx析出機(jī)理尚不夠明確，因此只能夠分析其生成途徑，也給脫硝系統(tǒng)設(shè)計帶來一定困難?；诓煌貐^(qū)污染防控標(biāo)準(zhǔn)，對NOx的排放標(biāo)準(zhǔn)界定要求也有所不同。以北京市為例，新建、擴(kuò)建、改建鍋爐標(biāo)準(zhǔn)為100mg/m3以下，在用鍋爐不同時段標(biāo)準(zhǔn)為100mg/m3和250mg/m3兩種標(biāo)準(zhǔn)[4]；上海市300MW以下現(xiàn)有燃煤鍋爐標(biāo)準(zhǔn)為50～150mg/m3；山東省規(guī)定在不同時段最高允許排放標(biāo)準(zhǔn)為50～100mg/m3；重慶市相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)則界定為200mg/m3之間，新建鍋爐為80mg/m3?；诙鄶?shù)地區(qū)中小型燃煤鏈條鍋爐運(yùn)行現(xiàn)狀，脫硝系統(tǒng)改造難度較大，需要進(jìn)一步強(qiáng)化相關(guān)技術(shù)改進(jìn)，確保污染物排放達(dá)到規(guī)定要求。

3.SNCR問題探討

(1)燃煤鏈條鍋爐脫硝技術(shù)設(shè)計基本準(zhǔn)則

國家相關(guān)規(guī)范要求中，對于脫硝技術(shù)設(shè)計提出明確規(guī)定，設(shè)計工作開展主要遵循如下方面要求：①脫硝效率要求在80%以上的機(jī)組，首選SCR脫硝工藝；②機(jī)組容量為600MW等級及以下，脫硝效率等于小于40%，則可以選用SNCR脫硝工藝；③脫硝效率要求在60%～80%之間的機(jī)組，則需要綜合考慮各方面因素，選用SCR脫硝或混合工藝。在選擇混合工藝時，需要根據(jù)實(shí)際情況確定SCR裝置位置，合理確定整體架構(gòu)方式[5]。④還原劑主要是液氨或尿素為主，在具體選擇時，需要綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全評價要求，達(dá)到系統(tǒng)平衡。

(2)燃煤鏈條鍋爐燃燒污染物排放超標(biāo)基本表現(xiàn)

基于部分燃煤鏈條鍋爐運(yùn)行現(xiàn)狀，在燃燒啟動時，最為容易出現(xiàn)污染排放超標(biāo)問題，主要表現(xiàn)為冒黑煙現(xiàn)象。在煤完全燃燒時，煙氣成分主要為二氧化碳、氧氣、水及少量氮氧化物，由于上述多方面因素影響，在燃燒不完全時，則會出現(xiàn)較為顯著的冒黑煙現(xiàn)象。在燃燒時碳?xì)浠衔飺]發(fā)量明顯增加，并在進(jìn)入爐膛后經(jīng)過復(fù)雜反應(yīng)而形成碳黑，碳黑不僅難以達(dá)到完全燃燒要求，還會對人類健康和環(huán)境保護(hù)產(chǎn)生負(fù)面影響。在鍋爐SNCR脫硝技術(shù)改造中，重點(diǎn)關(guān)注這方面問題，是技術(shù)改造的重點(diǎn)問題。

(3)傳統(tǒng)SNCR脫硝控制系統(tǒng)運(yùn)行問題

在環(huán)?？己藰?biāo)準(zhǔn)不斷提高背景下，SNCR脫硝系統(tǒng)NOx排放標(biāo)準(zhǔn)普遍要求控制在50mg/m3以下，多數(shù)企業(yè)在沒有進(jìn)行技術(shù)改造情形下，難以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，在控制系統(tǒng)運(yùn)行中，主要存在如下方面問題：①自動化運(yùn)行水平低，部分還是以手動控制為主，原因主要在于機(jī)組現(xiàn)有DCS控制策略較為簡單，無法滿足NOx濃度復(fù)雜變化處理要求，控制系統(tǒng)運(yùn)行滯后。②傳統(tǒng)CEMS取樣系統(tǒng)較為簡單，單點(diǎn)取樣的測量值缺乏系統(tǒng)運(yùn)行代表性，無法滿足動態(tài)調(diào)節(jié)要求。③SNCR控制策略主要是以反饋控制為主，無法綜合反饋鍋爐內(nèi)燃燒因素，會導(dǎo)致控制系統(tǒng)振蕩，控制效果欠佳。

4.SNCR脫硝在中小型燃煤鏈條鍋爐中應(yīng)用優(yōu)化

(1)優(yōu)化思路

基于現(xiàn)有工藝運(yùn)行體系，對SNCR脫硝系統(tǒng)優(yōu)化，主要從以下方面著手：①工藝簡化，對于氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)要求較低的區(qū)域，可以簡化工藝流程，達(dá)到降低成本和運(yùn)維方便的目的。A.合并尿素儲罐和尿素溶解罐，將尿素配制成合適的濃度，以便直接使用；B.利用配置好的尿素溶液，取消靜態(tài)混合器，無需再混合尿素和除鹽水進(jìn)行濃度稀釋和調(diào)配。②材質(zhì)優(yōu)化，針對不同的環(huán)境、項目特征和投資成本，選擇不同材質(zhì)的管道、儲罐，可采用低密度聚乙烯材質(zhì)儲罐，以達(dá)到節(jié)約成本、便利施工的目的[6]。③設(shè)備集成，SNCR設(shè)備的一些元件，包括閥門閥件、儀器儀表都可以集成安裝到一起，既方便檢修，同時外形也美觀。例如分配模塊的電磁流量計、電動調(diào)節(jié)閥、轉(zhuǎn)子流量計、針型閥、壓力開關(guān)等都可以集成為計量分配柜，置于鍋爐附近，便于操作人員巡檢及設(shè)備現(xiàn)場管理。

(2)混合取樣改造方案

取樣優(yōu)化改造是確保煙氣參數(shù)測量更加精準(zhǔn)，確保噴氨總閥調(diào)節(jié)更加靈活的改造方法。具體優(yōu)化方式如下所述：首先是根據(jù)系統(tǒng)現(xiàn)有設(shè)計形式，將SNCR出口截面均勻劃分為網(wǎng)格形式，在網(wǎng)格中心布置取樣點(diǎn)并利用取樣管引至煙道外，利用CEMS取樣探頭，準(zhǔn)確測定取樣的NOx濃度值?；旌先有柙陉P(guān)閉反吹控制閥狀態(tài)下進(jìn)行，在取樣完成后，重新打開控制器進(jìn)行熱風(fēng)反吹，避免在管路出現(xiàn)積灰現(xiàn)象。通過更加精準(zhǔn)的取樣，優(yōu)化噴氨總閥調(diào)節(jié)方式。

(3)基于MPC的脫硝控制優(yōu)化

該方案思路是以控制煙囪入口凈煙氣環(huán)?？己它c(diǎn)NOx濃度值為核心，結(jié)合省煤器出口濃度值控制，實(shí)現(xiàn)綜合控制目的。在控制系統(tǒng)運(yùn)行中，由于凈煙氣NOx濃度值控制延遲性較強(qiáng)，與煙囪入口NOx濃度值存在偏差，并且穩(wěn)定性不足。因此在對脫硝控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化時，必須在明確上述控制要求基礎(chǔ)上，綜合考慮鍋爐內(nèi)氧含量的前饋?zhàn)饔?，并?gòu)建系統(tǒng)控制系統(tǒng)，以降低NOx濃度值的波動幅度，提升控制系統(tǒng)運(yùn)行精準(zhǔn)度。

脫硝控制系統(tǒng)優(yōu)化，主要是將PID控制器替換為MPC控制器，有效解決原有控制系統(tǒng)中存在的滯后問題。在MPC控制器作用下，能夠?qū)姲边^量調(diào)節(jié)方式，轉(zhuǎn)變?yōu)椴贿^量或少過量提前調(diào)節(jié)，確保氨水用量與煙囪入口NOx變化保持一致，有效控制由于控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)滯后引起的振蕩現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)提前控制。

(4)SNCR脫硝系統(tǒng)爐內(nèi)氧含量的優(yōu)化

在SNCR控制系統(tǒng)運(yùn)行中，如NOx濃度較為平穩(wěn)，則SNCR脫硝系統(tǒng)能夠達(dá)到較好的控制效果，但是在氧含量出現(xiàn)明顯波動，并且機(jī)組管理人員沒有進(jìn)行對應(yīng)控制情形下，則會使得控制效果欠佳，NOx濃度產(chǎn)生劇烈波動，產(chǎn)生較為明顯的氨逃逸和污染現(xiàn)象，對周邊環(huán)境產(chǎn)生明顯污染。因此在系統(tǒng)優(yōu)化過程中，可以對一次風(fēng)量、二次風(fēng)量、總煤量等各個參數(shù)進(jìn)行采集，分析不同參數(shù)作用條件下省煤器出口氧含量的具體變動，以此明確氧含量與NOx濃度波動變化趨勢對應(yīng)關(guān)系。以分析結(jié)果調(diào)整噴氨總閥作業(yè)狀態(tài)，確保在各種工況下氧含量變動與工況負(fù)荷水平保持一致，進(jìn)而達(dá)到良好的控制效果。

(5)中小型燃煤鏈條鍋爐脫硝系統(tǒng)改造要點(diǎn)

基于SNCR脫硝技術(shù)的燃煤鍋爐改造，已經(jīng)成為當(dāng)前電力、熱力等行業(yè)鍋爐系統(tǒng)技術(shù)改造的重要形式，對提升污染防控水平具有重要的促進(jìn)意義，但是在改造過程中，還應(yīng)當(dāng)關(guān)注以下方面要點(diǎn)：①改造設(shè)計的系統(tǒng)性。SNCR脫硝技術(shù)改造應(yīng)用，需要涉及鍋爐系統(tǒng)運(yùn)行的各個環(huán)節(jié)，受多方面因素影響，改造工作難以直接到位，因此在進(jìn)行改造設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)在確保當(dāng)前控制目標(biāo)達(dá)成的前提下，為后續(xù)技術(shù)優(yōu)化奠定良好基礎(chǔ)，確保鍋爐污染防控水平不斷提升。②成本與效益統(tǒng)一。技術(shù)改造必然會產(chǎn)生運(yùn)行管理成本增加，因此在進(jìn)行技術(shù)改造時，需要重視經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益的同步實(shí)現(xiàn)，確保污染防控效果達(dá)到最優(yōu)化水平。③技術(shù)改造安全控制。燃煤鍋爐運(yùn)行中，安全管理是最為重要的方面，在技術(shù)改造過程中，必須分析SNCR脫硝系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生的新型隱患，強(qiáng)化安全教育，確保安全管理措施落實(shí)到位。

5.結(jié)論

SNCR脫硝工藝簡單、操作方便，非常適合于氮氧化物排放要求不高、環(huán)保投入資金有限的脫硝項目。在設(shè)計過程中，要嚴(yán)格按照鍋爐運(yùn)行工況、煤質(zhì)參數(shù)、排放標(biāo)準(zhǔn)核算還原劑的用量、噴槍數(shù)量、安裝位置及脫硝效率。而SNCR也會在廣大西北地區(qū)中小型燃煤鏈條鍋爐的環(huán)保改造中得到廣泛應(yīng)用。