SNCR 脱硝技术在中高温分离器型循环流化床锅炉上的运行分析

赵 强，向 轶，冷 健，吕文豪，李雄飞

（1.西安航天动力研究所，陕西 西安710100；2.西安航天源动力工程有限公司，陕西 西安710100）

国家发改委发布的《能源发展“十三五”规划》显示，在“十三五”期间，燃煤机组全面实施超低排放与节能改造，其中氮氧化物（NOx）的排放浓度上限降至50 mg/m3，火电及非电行业的环保压力进一步增加。选择性非催化还原法（SNCR）是一种工艺成熟的烟气脱硝技术，在反应温度800～1 100 ℃下，将氨水或者尿素直接喷入烟气中，将NOx还原成N2，具有投资少、工期短、结构简单的特点，常用在循环流化床锅炉（CFB）上[1]。但SNCR 也有脱硝效率低、还原剂消耗大、存在氨泄漏隐患等缺点[2]，因此通过设备升级、 工艺改进等措施提升SNCR 技术的实用性将有助于企业降低生产中的污染物排放、 节省在环保上的资金投入，以应对越发严格的环保督查，具有良好的社会效益和经济效益。本文基于SNCR 脱硝系统在CFB 上的运行数据，分析影响脱硝效率的各种因素，提出针对SNCR 系统和锅炉系统的整体优化策略，为工程实践提供参考。

1 运行工艺参数

1.1 锅炉基础条件

对某化工企业的自备煤电机组分别进行了一期和二期脱硝改造。一期改造的对象为三台130 t/h 循环流化床锅炉，运行参数见表1。三台锅炉长期在中高负荷下运行。燃料为某矿务局提供的褐煤，煤质分析见表2，可以发现煤中的挥发分、水分含量高，发热量低，属于典型的劣质煤。褐煤具有良好的着火燃烧性能，但容易结渣，而CFB 特有的低温燃烧和炉内高浓度物料循环的特点则降低了炉膛结渣的风险，因此褐煤能在CFB 内稳定高效地燃烧。

表1 一期改造中CFB 设计参数

表2 褐煤的煤质分析

1.2 SNCR 系统

本文采用SNCR 脱硝工艺，包括氨水稀释系统、氨水储存及供应系统、计量分配系统、喷枪系统、电气仪表系统等，还原剂为20%浓度的原料氨水配制成的10%～15%浓度的稀释氨水，脱硝效率设计值≥40%。三台锅炉的SNCR 喷枪均设置在炉膛水冷壁上，喷枪为气力雾化式，采用压缩空气对氨水进行雾化。

2 运行数据分析

2.1 数据记录

对一期改造中三台全烧褐煤的130 t/h 循环流化床锅炉SNCR 烟气脱硝系统进行了168 h 的综合测试考评。烟气量测量点、烟气成分取样点设置在三台锅炉的总烟气取样口，即为烟气混合后的综合值，原烟气数据取自SNCR 系统氨水泵未启动时，脱硝后烟气数据取自SNCR 系统投运后且运行稳定时。测试考评期间三台锅炉的脱硝系统运行数据见表3，对应的锅炉参数记录见表4。

2.2 数据分析

根据表3 中的数据，本次运行中脱硝效率为42.4%～49.6%，属于SNCR 脱硝的正常水平。为了在脱硝效率和经济性方面进行提升，需要结合SNCR系统和锅炉系统的各项参数对运行工况进行优化。

表3 一期改造中的SNCR 系统运行数据

表4 一期改造中的锅炉参数记录

2.2.1 氨氮摩尔比NSR

SNCR 系统的还原剂为氨水，喷入炉膛内高温区域时经雾化、 蒸发后形成气态NH3与NOx反应，因此NH3量与脱硝效率DNOx直接相关，常用氨氮摩尔比NSR 作为氨水供应量的评价指标，即NH3与NOx摩尔量比值NH3/NOx，mol/mol。由于NOx中95%以上是NO，故SNCR 脱硝的主要反应为：

根据式（1），理论上NSR=1 时NH3和NO 刚好完全反应，但在实际项目中由于未充分接触、存在副反应等原因，通常NSR 取值范围为1～1.85[3]。本次运行中NSR 值在2.22～2.72 之间，均高于正常取值范围，分析其原因，认为是中温分离器型的CFB 内适合SNCR 脱硝反应的区域为炉膛内密相区，此处循环灰浓度偏高，使NH3附着在灰表面被带出炉膛，没有与NOx接触；同时喷射点附近有二次风加入，局部氧气浓度较高，可能使部分NH3被氧化，发生副反应，也会增加氨水的消耗。因此为了达到较好的脱硝效果，需要提高氨水的供应量。

2.2.2 反应温度

反应温度是SNCR 脱硝反应中的关键参数，通常850～950 ℃是最佳反应温度区间[4]，低于850 ℃时NH3与NOx的反应速率会显著降低，相同时间内被还原的NOx量减少，脱硝效率降低。当反应温度过高时会发生NH3被氧化成NOx的副反应，主要反应式如下[5]：

即反应温度过高会生成新的NOx，反而降低脱硝效率。根据表3、表4 中的数据，发现从工况1 到工况3，随着锅炉负荷的增大，三台锅炉的炉膛平均温度从859 ℃升至984 ℃，不同工况下炉膛平均温度与DNOx的关系如图1 所示。

图1 炉膛平均温度与DNOx的关系

从图1 看出，工况2 的DNOx最高，对应的炉膛平均温度为916 ℃；工况1 和工况2 均处于最佳反应温度区间，温度升高加快了氨水的蒸发扩散和脱硝的反应速率，提高了DNOx。工况3 的炉膛平均温度为984℃，且2#炉和3#炉的炉膛温度已经超过1 000 ℃，但与工况2 相比DNOx反而略有降低，考虑到工况3 的NSR 值为2.22，已经超过正常范围，即氨水供应量是完全足够的，可以认为此时导致脱硝效率降低的主要原因是反应温度过高将部分NH3氧化成了NOx。

通过对炉膛平均温度与DNOx关系的分析，认为当反应温度处于850～950 ℃最佳区间时，随着温度的升高，脱硝效率也有所提高； 但当反应温度超过950 ℃时，脱硝效率随之降低。吴剑恒[6]的研究结果也说明，在940 ℃左右时，脱硝效率达到最大，证实了这一结论。因此在实际操作中，需要将SNCR 脱硝的反应温度尽量控制在最佳区间。

2.2.3 氨水与烟气的混合程度

除了氨氮摩尔比、反应温度，NH3还原NOx的化学反应还与两种反应物的接触情况有关，即表现为NH3与烟气的混合程度。由于本文中SNCR 系统的喷枪采用气力雾化的形式，氨水的裂散程度与压缩空气的压力有关，为了使氨水在离开喷枪后获得更好的雾化效果，在设计文件中规定雾化空气压力至少大于0.3 MPa，正常运行时保持在0.4～0.6 MPa。

根据表3 中的数据，三个工况下的雾化空气压力在0.41～0.42 MPa，属于正常范围，但根据运行情况看，130 t/h 的CFB 炉膛内尺寸较大，为6 400 mm×9 000 mm，在0.4 MPa 左右的雾化空气压力下氨水喷射力仍然不足，不能完全覆盖整个炉膛；同时氨水的穿透力相对较弱，炉膛内的循环灰形成的灰幕也会阻挡氨水的运动，造成炉膛中央区域的NH3浓度偏低，与烟气混合程度低。同样，也可以认为中温分离器型CFB 的NSR 值偏高，主要原因之一是循环灰的影响导致NH3与烟气混合不够，还原反应不佳，使得氨水供应量被迫增大。因此可以通过提高雾化空气压力、 调整喷枪布置位置的方式来强化氨水与烟气的混合程度。

2.2.4 反应停留时间

一般来说，在保证NH3与烟气充分接触的前提下，NH3在炉膛内停留时间越长，化学反应的程度就越彻底。根据文献[7]可知，NH3至少需要0.3～0.4 s的停留时间才能对NOx起到还原作用，当停留时间超过1 s 时可以达到很好的脱硝效果。一期中三台CFB 的炉膛内可以进行SNCR 反应的有效高度超过6 m，炉内烟气流速4～5 m/s，NH3在炉膛中的停留时间超过1 s，足以完成还原反应。

2.3 优化策略

对一期改造中3×130 t/h 中温分离器型CFB 的SNCR 运行数据进行分析后，认为影响该炉型CFB脱硝效率的主要因素是氨水与烟气的混合程度，以及脱硝反应温度，在此基础上提出了针对SNCR 脱硝系统和锅炉系统的整体优化策略：

（1）本文中的三台锅炉都属于中温分离器型CFB，受反应温度的限制，氨水喷枪只能布置在炉膛水冷壁上，在实际运行中存在NH3在炉膛截面上分布不均、穿透力不足的现象。为解决这一问题，可以适当提高全部或部分喷枪的雾化空气压力，使更多的NH3能到达炉膛中心区域； 在此基础上对氨水雾化情况进行仿真模拟，以调整喷枪的布置点，强化NH3与烟气的混合。

（2）SNCR 脱硝反应需要在合适的温度范围内进行，温度过低时反应速率慢，脱硝效率低；温度过高会使NH3被氧化成新的NOx，对脱硝效果产生不利影响。因此在设计SNCR 系统时需要根据炉膛内的温度分布情况，将喷枪布置点设置在炉膛温度850～950 ℃的区域内，以获得最佳的脱硝效果。在运行过程中，如因锅炉负荷较高导致炉膛温度高于最佳反应温度范围，可通过增加二次风量、设置烟气再循环等措施适当降低炉膛温度。

3 二期SNCR 脱硝系统的运行情况

在一期改造的SNCR 脱硝系统正常投运6 个月后，对厂区另外两台130 t/h+220 t/h 的CFB 进行二期SNCR 脱硝改造，两台CFB 的锅炉参数见表5，燃料为褐煤。基于2.3 节中的优化策略，对系统的设计和运行进行了以下改进：

表5 二期改造中CFB 设计参数

（1）适当提高喷枪的雾化空气压力，使其>0.45 MPa；

（2）130 t/h 的4#炉为中温分离器型，喷枪仍布置在炉膛水冷壁上；但220 t/h 的5#炉为高温分离器型，炉膛出口设计温度为875 ℃，因此将喷枪布置在炉膛出口后面的旋风分离器筒壁上，以强化NH3与烟气的混合程度。

二期SNCR 脱硝系统建成投运后，对其进行了72 h 的性能考核，烟气量测量点、烟气成分取样点设置在两台锅炉的总烟气取样口，为烟气混合后的综合值，原烟气数据取自SNCR 系统氨水泵停止时，脱硝后烟气数据取自氨水泵启动后且运行稳定时。测试考评期间两台锅炉的脱硝系统运行数据见表6，对应的锅炉参数记录见表7。

表6 二期改造中的SNCR 系统运行数据

表7 二期改造中的锅炉参数记录

表6、表7 中的数据显示，二期项目中的SNCR脱硝效率达到了68.1%，两台CFB 总烟气的NOx排放浓度为91.6 mg/m3，降至100 mg/m3以下，与一期相比效果显著提升。分析原因如下：

（1）4#炉喷枪的雾化空气压力由0.41～0.42 MPa提升至0.48 MPa，提高了雾化氨水的穿透力，NH3能到达炉膛中心区域，在炉膛横截面上分布较为均匀，与烟气的混合程度较好； 同时反应区域温度保持在914 ℃，处于最佳范围。

（2）5#炉的SNCR 喷枪布置在炉膛出口后部的旋风分离器筒壁上，烟气在进入旋风分离器后扰动强烈，NH3可以与烟气充分混合；烟气在旋风分离器内的停留时间约1.2 s，足够进行较为彻底的还原反应，因此虽然5#炉的反应温度为826 ℃，未达到最佳温度范围，但在混合较充分、停留时间长等因素的作用下，也达到了较为理想的脱硝效果。

4 结论

本文进行了全烧褐煤的CFB 一期和二期脱硝改造，其运行数据说明，对于中温分离器型CFB，SNCR 系统的脱硝效率可以达到49.6%；对于中温分离器型CFB 和高温分离器型CFB 联用时，SNCR 系统的总脱硝效率可以达到68.1%，符合设计要求。得出的结论可以为工程实际提供参考，具体如下：

（1）对于中温分离器型CFB，喷枪一般布置在炉膛水冷壁上，影响脱硝效率的主要因素是氨水与烟气的混合程度以及脱硝反应温度，循环灰对NH3与烟气的混合有阻碍作用；

（2）SNCR 脱硝反应尽量在850～950 ℃最佳范围内进行，以达到更好的脱硝效果；

（3）高温分离器型CFB 的SNCR 喷枪应布置在旋风分离器筒壁上；中温分离器型CFB 的喷枪布置在炉膛水冷壁上时，尽量使雾化空气压力>0.45 MPa。

总体而言，一期和二期的SNCR 脱硝改造达到了较好的效果。但限于SNCR 脱硝技术的整体水平，如需进一步NOx降低排放浓度，则还需要再加装SCR 系统，即采用SNCR 与SCR 联合的工艺，以达到50 mg/m3的超低排放标准。