SNCR还原剂对垃圾焚烧炉热效率的影响

李茂东，杨波，王小聪，刘桂才，马晓茜，廖艳芬

(1. 广州特种承压设备检测研究院，广东 广州 510100； 2. 广东省能源高效清洁利用重点实验室(华南理工大学)，广东 广州 510640)

SNCR还原剂对垃圾焚烧炉热效率的影响

李茂东1，杨波1，王小聪1，刘桂才2，马晓茜2，廖艳芬2

(1. 广州特种承压设备检测研究院，广东 广州 510100； 2. 广东省能源高效清洁利用重点实验室(华南理工大学)，广东 广州 510640)

摘要：在垃圾焚烧炉中应用选择性非催化还原(selective non-catalytic reduction，SNCR)脱硝技术，可有效降低锅炉的NOx排放，但还原剂溶液的喷入会影响锅炉热效率，且不同种类、浓度的还原剂对锅炉热效率的影响不同。基于锅炉的热平衡分析，以某750 t/d垃圾焚烧电厂为对象，分析尿素和氨水分别作为还原剂时SNCR脱硝系统对锅炉效率的影响，以及系统设备带来的能耗。结果表明，采用10%氨水作为还原剂时，SNCR使锅炉效率降低0.100 1%，系统电耗约为21.79 kW，与尿素相比，对锅炉效率的影响较小，SNCR系统设备能耗较低。

关键词：垃圾焚烧炉；选择性非催化还原；还原剂；锅炉效率；热平衡

随着节能减排政策的推进，国家对火力发电厂的NOx排放提出了新要求，垃圾焚烧炉的NOx排放要求也在不断提高。2014年国家发布了新标准GB18485—2014《生活垃圾焚烧污染控制标准》，代替了2001年版的标准，氮氧化物的排放限值由每日平均400 mg/m3改至250 mg/m3，由此对垃圾焚烧炉内的烟气脱硝技术提出了新要求。

选择性非催化还原(selective non-catalytic reduction，SNCR)脱硝技术的原理是在一定温度窗口内将还原剂喷入炉膛，将烟气中的氮氧化物还原成无害的氮气和水，整个过程不需要催化剂。SNCR脱硝技术中，一般采用尿素或氨作为还原剂，由于不采用催化剂，反应须有较高的反应温度，炉膛温度一般为850～1 100 ℃[1]。工程实例中，SNCR的脱硝效率一般在30%～75%之间[2]，是在垃圾焚烧炉中应用较多的一种脱硝工艺。SNCR技术因为其经济适用的优点，已在燃煤电站锅炉中得到了广泛的应用。但从应用情况来看，仍然存在氨分布不均、水冷壁腐蚀等问题[3-4]，为此也采取了相应的措施。在垃圾焚烧炉SNCR技术的研究上，J.Møller等[5]通过生命周期的方法评价了其应用。梁增英[1]和Liang Z[6-7]结合数值模拟与实验研究了垃圾焚烧炉SNCR技术的化学反应机理。在脱硝还原剂的研究方面，已有关于燃煤电站[8]与工业锅炉[9]的SNCR技术的研究，但是仍未有关于垃圾焚烧炉SNCR技术中脱硝还原剂选择的研究。因此，本文针对SNCR脱硝还原剂对垃圾焚烧炉热效率的影响进行分析与探讨。

垃圾焚烧炉SNCR工艺中多采用尿素或氨水作为还原剂，还原剂喷入炉膛必然对焚烧炉的性能产生一定的影响[6, 9-10]。本文基于热平衡分析的方法，结合某750 t/d垃圾焚烧电厂，定量分析尿素和氨水两种还原剂在SNCR脱硝系统中对锅炉效率的影响以及脱硝系统设备带来的电耗。

1SNCR还原剂热平衡分析法

SNCR脱硝系统中，还原剂的引入将影响焚烧炉的有效利用热量，并对烟气含量造成一定的影响。SNCR过程中的脱硝还原反应是一个放热过程，但是溶液的注入会吸收大量的热量；同时还原剂溶液的汽化和反应生成物的产生导致排烟烟气的容积增大，增大了焚烧炉的排烟损失，对锅炉热效率造成一定的影响[9]。因此，SNCR脱硝系统的引入主要在以下三方面影响焚烧炉的热效率：还原剂注入炉膛吸收锅炉燃烧热、脱硝反应过程放出热量以及排烟烟气容积增大带来排烟损失增大。

1.1脱硝反应放热量

SNCR中氨水、尿素两种还原剂与氮氧化物的反应式(1)—(4)如下：

(1)

2CO(NH2)2+3NO2→7/2N2+2CO2+4H2O;

(2)

(3)

(4)

其中，式(1)与式(2)为尿素与烟气中NOx的还原反应，式(3)与式(4)为氨水与烟气中NOx的还原反应，两个反应均为放热反应。在实际的垃圾焚烧炉中生成的氮氧化物中，NO的体积分数约为95%，NO2的体积分数约为5%[1]。

尿素、氨水与烟气中NO反应的放热量分别为：

式中：Qhr1、Qhr2分别为尿素、氨水与NO反应的放热量，kJ/h；Q1—Q4分别为反应式(1)—(4)的反应热，kJ/mol；qm1、qm2分别为尿素、氨水的溶质质量流量，kg/h。Q1—Q4可通过标准生成焓得到，分别为 1 447.54 kJ/mol、1 185.12 kJ/mol、1 627.52 kJ/mol、1 231.06 kJ/mol。

SNCR脱硝反应放热量对焚烧炉热效率的变化值

(7)

式中：Qhr为尿素或氨水溶液在脱硝反应过程中的放热量，kJ/h；Qnet为焚烧垃圾的低位热值，kJ/kg；B为燃料消耗量，kg/h；负号表示放热时热效率增大。

1.2还原剂溶液吸热量

在SNCR脱硝系统中，还原剂溶液注入焚烧炉膛中，吸收炉膛中垃圾焚烧的产热。假设在SNCR脱硝的还原反应是在还原剂溶液达到排烟温度后进行的，则还原剂溶液的吸热量可分为溶质的吸热量和溶剂水的吸热量。还原剂溶液注入炉膛的吸热量

(8)

(9)

(10)

其中：Qha,w为还原剂溶液中水的吸热量，kJ/h；Qha,s为还原剂溶液中溶质(尿素或氨水)的吸热量，kJ/h；qw、qs分别为水和溶质的质量流量，kg/h；hpy、h0分别为排烟温度和常温下水的比焓，kJ/kg；Qhs为溶液析出还原剂过程的吸热量，kJ/kg；tpy、t0分别为排烟温度和常温，℃；cp为尿素在t0～tpy温度区间内的平均定压比热容，kJ/(kg·℃)。

注入的还原剂溶液升温吸热造成的焚烧炉热效率降低值

(11)

1.3排烟焓增大

SNCR中在垃圾焚烧炉中注入的还原剂同时还会影响到焚烧炉的排烟热损失。锅炉的排烟焓的计算式为[9]

(12)

其中

(13)

(14)

(15)

式中：ΔVw、ΔVN和ΔVC分别为引入SNCR后烟气中水、氮气、二氧化碳体积的增加值，m3/kg；

对于尿素溶液，

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

式中：vw、vN和vC分别为排烟中水蒸气、氮气和二氧化碳的比容，m3/kg。

排烟热损失带来的焚烧炉热效率的降低值Δηp

(19)

式中，q4为焚烧炉的燃料未完全燃烧热损失。

假设SNCR脱硝系统的引入不影响焚烧炉的固体不完全燃烧热损失、气体不完全燃烧热损失、散热损失、其他热损失，则SNCR脱硝系统的引入导致焚烧炉热效率的降低值

(20)

2垃圾焚烧炉实例分析

本文选择广东省内某750 t/d垃圾焚烧电厂作为研究对象，该电厂的部分设计指标参数见表1。

表1某750 t/d垃圾焚烧炉技术参数

参数数值参数数值日处理垃圾能力/(t·d-1)750锅炉给水温度/℃130额定蒸发量/(t·h-1)62.5大气环境温度/℃25主蒸汽压力/MPa4.1排烟温度/℃190额定设计蒸汽温度/℃400垃圾低位发热量/(kJ·kg-1)6800

该垃圾焚烧电厂采用的还原剂为25%浓度(质量分数，以下有关还原剂浓度均指质量分数)氨水经稀释而成的10%氨水，为综合分析SNCR还原剂对锅炉热效率的影响，本文以氨水和尿素两种还原剂作为研究对象进行对比分析。SNCR脱硝还原剂的消耗包含两部分：脱硝反应消耗部分和未反应随烟气排出部分。经过脱硝还原反应的化学式配比计算，可获得尿素和氨水溶质的消耗量分别为21.70 kg/h和12.17 kg/h，其中脱硝反应消耗部分分别为19.20 kg/h和10.75 kg/h。

(7)不锈钢板。不锈钢板，用于防锈、防腐蚀、防磁化，可选的牌号较多，选择时要考虑焊接性能强的钢板。由于不锈钢板价格偏高，应在必要部位使用。对于选煤厂的磁选机溜槽等对磁性有特殊要求的部位可以考虑铺设该衬板，由于空间限制，要求溜槽角度较低的部位铺设该衬板效果良好。

2.1脱硝反应放热

脱硝反应过程放热量见表2。

表2脱硝反应带来的锅炉效率变化值

项目10%尿素10%氨水还原剂溶质流量/(kg·h-1)19.2010.75与NO反应热/(kJ·moL-1)1447.541627.52与NO2反应热/(kg·moL-1)1185.121231.06反应放热量/(kJ·h-1)229524.3254218.3Δηr/%-0.1164-0.1289

由表2可看出，虽然尿素的流量较大，但在脱硝的反应方程式中，在脱除等量NOx时，氨与NOx反应放热量较大，在炉膛中反应放热较多。

2.2还原剂溶液吸热

为便于比较尿素、氨水两种还原剂，还原剂溶液的初始温度都定为20 ℃，垃圾焚烧炉的排烟温度均为190 ℃。根据常见物质的热力性质表，20 ℃、190 ℃时水的比焓分别为84.01 kJ/kg和2 875.48 kJ/kg；假设尿素在140 ℃时汽化，20～140 ℃汽化过程中的吸热量为4 162.5 kJ/kg，140～190 ℃的平均定压比热容为2.08 kJ/(kg·K)；氨在20 ℃下的汽化吸热量为1 336.97 kJ/kg，20～190 ℃的平均定压比热容为2.234 kJ/(kg·K)。根据式(8)—(11)即可得出还原剂溶液注入炉膛的吸热量及其带来的焚烧炉热效率变化，结果见表3。

表3还原剂溶液吸热带来的锅炉效率变化值

项目10%尿素10%氨水还原剂溶液中水的流量/(kg·h-1)195.29109.51还原剂溶液中水吸热量/(kJ·h-1)573219350863还原剂溶质流量/(kg·h-1)21.7012.17还原剂溶质吸热量/(kJ·h-1)9258921253溶液总吸热量/(kJ·h-1)665808372116Δηa/%0.33760.1887

由表3可知，还原剂溶液中水吸收的热量占溶液吸热量的绝大部分，由于氨水作为还原剂时消耗的溶液质量流量较小，溶液中水的质量流量相应较小，所吸收的热量也较少，对焚烧炉热效率的影响也因此较小。同时，由于还原剂溶液中水是主要部分，且水的比热较大，相应地，吸热量也较大，因此水是主要影响因素。

2.3排烟焓增大

由常见气体的焓温表[11]，可查得0.1 MPa、190 ℃时，烟气中H2O、N2、CO2的焓分别为289.07 kJ/m3、246.89 kJ/m3、338.72 kJ/m3。三种气体的比容分别为2.126 m3/kg、1.346 m3/kg和0.974 m3/kg，根据式(12)—(19)即可获得排烟焓的增加及对锅炉效率的影响(见表4)。

从表4可看出，由于SNCR脱硝系统引入后对排烟焓影响最大的是H2O，而尿素溶液作为还原剂注入炉膛后，随还原剂注入的H2O的流量明显大于氨水，因此导致排烟焓的增加量也相应比氨水大，对焚烧炉热效率的影响较大。SNCR脱硝系统引入后两种还原剂对焚烧炉热效率的影响见表5。

表4　排烟焓的增大带来的锅炉效率变化值

表5SNCR带来的焚烧炉热效率变化值%

项目10%尿素溶液10%氨水Δηr-0.1164-0.1289Δηa0.33760.1887Δηp0.06870.0403Δη0.28990.1001

从表5可看出，采用10%尿素溶液作为SNCR脱硝的还原剂时，焚烧炉的热效率降低0.289 9%，其中还原剂溶液在炉膛的吸热对热效率的影响最大；而采用氨水作为脱硝还原剂时，焚烧炉的热效率降低0.100 1%。相比10%尿素溶液，氨水作为还原剂对焚烧炉热效率的影响较小。因此，从对焚烧炉热效率影响的角度分析，采用10%氨水作为脱硝还原剂效果较好。

3SNCR系统设备能耗

本文所研究的垃圾焚烧炉SNCR脱硝系统包含以下模块：氨储罐模块、储罐加注模块、氨输送模块、软水输送模块、氨水软水混合稀释模块、氨喷射模块和控制单元模块。能耗设备主要有卸氨泵、还原剂循环泵、稀释水泵和空气压缩机。同时，由于还原剂喷入炉膛使烟气体积增大，需增大引风机出力。各能耗设备的技术参数见表6。

表6　SNCR系统设备参数

上述泵的功耗

(22)

式中：Pp为泵的功率，W；qV为泵的工作流量，m3/h；H为泵的扬程，m；ηp为泵效率；ρ为流体的密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2。

引风机的功耗增加

(23)

式中：Δq为SNCR系统喷入还原剂后增加的烟气流量，m3/h；p为引风机的全压；ηp为引风机的效率。

根据该电厂运行情况，SNCR系统压缩空气消耗量为1.77 m3/kg。采用尿素和氨水作为还原剂时SNCR系统设备的能耗见表7。

表7SNCR系统设备能耗

设备尿素工作流量/(m3·h-1)功耗/kW氨水工作流量/(m3·h-1)功耗/kW卸氨泵0.08680.00560.1210.004还原剂循环泵0.08680.0230.1210.019稀释水泵0.6980.2380.6980.250空气压缩机384.3037.677215.5021.157引风机(增加值)322.10(标准情况)0.724179.51(标准情况)0.404

由表7可看出，SNCR系统用电主要集中在空气压缩机，其他能耗设备耗电较少，采用10%尿素和10%氨水作为还原剂时系统总电耗分别为38.67 kW和21.79 kW。由于采用氨水时溶液流量较小，因此SNCR系统的能耗也相应较低。

4还原剂浓度的影响

表8为在10%、15%和20%三种浓度下，采用尿素和氨水两种还原剂对锅炉效率的影响以及SNCR的系统设备电耗。

表8　不同还原剂浓度下锅炉效率变化值与设备电耗

由表8可知，对于尿素和氨水两种还原剂，随着还原剂浓度的提高，SNCR对锅炉效率的影响将降低，甚至出现锅炉效率提高的情况；SNCR系统设备的电耗也相应减少。这是由于还原剂浓度提高后，喷入炉膛的水量较少，因此对锅炉效率的影响和设备电耗都将降低。但在实际运行中，需综合考虑SNCR系统的经济性与安全性，过高的氨水浓度将会带来一定的安全隐患，因此，对于还原剂浓度的选择需谨慎考虑。

5结束语

本文针对在垃圾焚烧炉中应用SNCR脱硝技术对锅炉效率的影响和SNCR系统设备的电耗，并讨论了还原剂类型、浓度等因素的影响。得出以下结论：

a)SNCR脱硝对锅炉效率的影响主要有三项，即还原剂注入炉膛吸收锅炉燃烧热、脱硝反应过程放出热量，排烟烟气容积增大带来排烟损失增大。采用尿素和氨水作为还原剂时将分别降低锅炉效率，氨水对锅炉效率的影响较小。

b)采用10%尿素和10%氨水两种还原剂时SNCR系统电耗分别为38.67 kW和21.79 kW。氨水由于其用量较少，所需电耗较低。

c)还原剂浓度对SNCR系统电耗及锅炉效率有一定的影响，高浓度的还原剂效果较好，但需注意其安全性。

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Influence of SNCR Reductant on Heat Efficiency of Waste Incineration

LI Maodong1, YANG Bo1, WANG Xiaocong1, LIU Guicai2, MA Xiaoqian2, LIAO Yanfen2

(1.Guangzhou Special Pressure Equipment Inspection and Research Institute, Guangzhou, Guangdong 510100, China; 2.Guangdong Province Key Laboratory of Efficient and Clean Energy Utilization, Guangzhou, Guangdong 510640, China)

Abstract：Application of selective non-catalytic reduction (SNCR) denitration technology for waste incineration is able to effectively reduce NOx emission of the boiler, but injection of reductant may affect heat efficiency of the boiler and different kinds of reductant with different concentration have different influence on heat efficiency. Therefore, on the basis of heat balance analysis for the boiler and taking some 750 t/d waste incineration power plant for a research object, this paper analyzes influence on boiler efficiency by SNCR denitration system when respectively taking urea and ammonia as reductant and energy consumption caused by system equipments. Result indicate that when using 10% ammonia as the reductant, SNCR may cause boiler efficiency reduce 0.100 1% and power consumption of the system is about 21.79 kW. Compared with influence of urea, affect of ammonia on boiler efficiency is smaller and energy consumption is lower.

Key words：waste incinerator; selective non-catalytic reduction (SNCR); reductant; boiler efficiency; heat balance

收稿日期：2015-12-14

基金项目：国家质量监督检验检疫总局质检公益性行业科研专项项目(201410159)；广东省能源高效清洁利用重点实验室项目(2013A061401005)

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.05.002

中图分类号：X701

文献标志码：B

文章编号：1007-290X(2016)05-0006-05

作者简介：

李茂东(1972)，男，辽宁葫芦岛人。高级工程师，工学硕士，主要研究方向是特种承压设备的安全节能。

杨波(1983)，男，湖南益阳人。高级工程师，工学博士，主要研究方向是特种承压设备的系统性风险。

王小聪(1982)，男，福建漳浦人。高级工程师，工学硕士，主要研究方向是特种承压设备的安全节能。

(编辑查黎)