混合法脫硝工藝在燃煤機組超低排放中的應用

路曉鋒　彭海軍　董陳　李明

摘? 要：混合法脫硝工藝是結合了SCR技術高效、SNCR技術投資省的特點而發(fā)展起來的一種新型的、成熟的工藝。通過伊敏電廠三期2×600MW機組SNCR+SCR混合法脫硝工藝方案的論述。首先對SNCR系統(tǒng)的供氨能力進行了摸底測試，結果發(fā)現(xiàn)SNCR系統(tǒng)能夠產(chǎn)生足夠的氨逃逸滿足SCR系統(tǒng)的使用，但氨逃逸分布的均勻性較差。然后根據(jù)測試的結果對SCR系統(tǒng)煙道進行了優(yōu)化設計并安裝了煙氣混合器，改善了進入SCR反應器的氨逃逸分布均勻性。通過改造，成功的將NOx從260mg/m3降至90mg/m3以下;并且通過進一步增加SNCR系統(tǒng)四區(qū)噴槍噴入的尿素溶液流量能夠?qū)CR出口的NOx降低至50mg/m3以下。

關鍵詞：SNCR;SCR;氨逃逸;均勻性

中圖分類號：X701? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）29-0111-03

Abstract： Mixed denitrification process is a new and mature process， which combines the characteristics of high efficiency of SCR technology and low investment of SNCR technology. The denitrification process scheme of SNCR+SCR mixed method for 2×600MW units in Yimin Power Plant is discussed in this paper. First of all， the ammonia supply capacity of SNCR system is tested. The results show that SNCR system can produce enough ammonia escape to meet the use of SCR system， but the uniformity of ammonia escape distribution is poor. Then， according to the test results， the flue of SCR system is optimized and the flue gas mixer is installed to improve the uniformity of ammonia escape distribution into SCR reactor. Through the transformation， the NOx is successfully reduced from 260mg/m3 to below 90mg/m3， and the NOx at the exit of SCR can be reduced to below 50mg/m3 by further increasing the flow rate of urea solution sprayed into the fourth zone gun of SNCR system.

Keywords： SNCR; SCR; ammonia escape; uniformity

1 概況

自從SNCR脫除NOx工藝在上世紀70年代由美國人發(fā)明并申請了專利之后[1]，這種技術就由于其具有較高的性價比而得到了廣泛的應用。我國于2007年在江蘇利港電廠引進了第一臺600MW機組的SNCR脫硝裝置。近幾年，隨著我國環(huán)境污染的加劇和環(huán)保標準的日益提高，配備SNCR脫硝系統(tǒng)的鍋爐數(shù)量也在持續(xù)增長。特別是2014年發(fā)布的《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃（2014-2020年）》[3]，許多已進行SCR改造的W火焰鍋爐，由于其初始NOx排放濃度較高，單純靠加裝一層催化劑已難以達到超低排放的要求。在這種情況下，使用SNCR+SCR混合法脫硝技術才是經(jīng)濟可行的超低排放技術路線。

伊敏電廠三期2×600MW機組在2010年建成投運時配套建設了SNCR脫硝系統(tǒng)來。使用尿素作為脫硝的還原劑，脫硝系統(tǒng)的設計效率為35%（NOx從260mg/m3降低至170mg/m3）。SNCR脫硝設備由大唐集團和美國FuelTech，Inc. 提供，于2011年7月通過“168”試運行。經(jīng)過西安熱工院調(diào)試，后又經(jīng)電廠技術人員一年多的調(diào)試，5、6號爐NOx排放值為170mg/m3，平均干尿素耗量每天約17噸。西安熱工院“千人計劃”專家徐宏杰博士根據(jù)現(xiàn)場摸底試驗，對現(xiàn)有設備提出了改進意見，通過對6號爐40多天消缺以及優(yōu)化調(diào)試，以及對5號爐20多天調(diào)試，將5、6號爐NOx排放值控制在150mg/m3，平均干尿素耗量每天約9噸，如果按原排放目標值170mg/m3運行，尿素耗量每天只需4～5噸，即每年為電廠節(jié)約近千萬元運行成本。

隨著國家環(huán)保標準的提高，要求這兩臺機組的NOx排放要低于100mg/m3。通過分析論證，計劃采用SNCR+SCR的技術路線來對這兩臺機組進行脫硝系統(tǒng)的升級改造，并可實現(xiàn)50mg/m3的超低排放目標。保留原來的SNCR裝置，僅對省煤器和空預器之間尾部煙道進行改造，安裝兩層催化劑（1+1），使用SNCR系統(tǒng)產(chǎn)生的逃逸氨作為SCR反應的還原劑。本文對這兩臺機組SNCR+SCR脫硝改造情況進行介紹，并探討了在混合法脫硝技術下達到超低排放要求的可行性。

2 脫硝系統(tǒng)介紹

伊敏電廠三期機組SNCR系統(tǒng)采用尿素作為還原劑，其SNCR系統(tǒng)包括尿素溶液制備儲存系統(tǒng)、尿素溶液循環(huán)供給系統(tǒng)、尿素溶液計量稀釋系統(tǒng)、尿素溶液分配噴射系統(tǒng)。其中尿素溶液噴槍分四層布置：第一層噴槍為伸縮式短噴槍，布置在爐膛折焰角下部區(qū)域，沿爐膛四周布置;第二層噴槍為固定式短噴槍，布置在爐膛折焰角區(qū)域，只布置在鍋爐前墻;第三層噴槍為固定式短噴槍，布置在爐膛折焰角上部區(qū)域，只布置在鍋爐前墻上;第四層噴槍為長槍，布置在爐膛折焰角上方區(qū)域，從鍋爐左墻和右墻插入布置。在添加SCR系統(tǒng)時，先將省煤器和空預器之間的水平和豎直煙道進行改造，在水平煙道上安裝了煙氣混合器，以減少或消除由SNCR系統(tǒng)產(chǎn)生逃逸氨在截面上的分布不均勻現(xiàn)象。然后將空預器進口豎直煙道進行改造，將反應器布置在豎直煙道上。整體脫硝系統(tǒng)示意圖見圖1所示。

圖1 伊敏電廠SNCR+SCR脫硝系統(tǒng)示意圖

相比于常見的SNCR+SCR混合法脫硝技術來說，伊敏電廠使用的混合法脫硝技術具有兩個特點：（1）SCR脫硝反應的還原劑完全靠上游SNCR系統(tǒng)反應生成的逃逸氨，沒有在鍋爐尾部煙道溫度較低的位置安裝補氨噴槍;（2）SCR反應器直接安裝鍋爐省煤器和空預器之間的煙道上。因此伊敏電廠的混合法脫硝技術改造具有改造施工難度低、投資成本少的優(yōu)點;但同時這兩個特點對于混合法脫硝技術本身有比較大的挑戰(zhàn)。其一，SNCR系統(tǒng)噴槍都布置在煙氣溫度為850～1050℃的爐膛位置。此溫度范圍下，能否獲得足夠的氨逃逸是保證下游SCR脫硝效率的關鍵因素之一;其二，由于沒有安裝補氨噴槍或噴氨格柵，SNCR系統(tǒng)產(chǎn)生的逃逸氨在SCR反應器入口截面上的分布是否均勻也是保證SCR脫硝效率的關鍵因素之一。

3 原SNCR系統(tǒng)產(chǎn)生氨逃逸能力測試

在進行SCR脫硝系統(tǒng)設計前，首先對原SNCR系統(tǒng)的產(chǎn)生氨逃逸能力及其在空預器入口截面上的分布進行了實驗測試。實驗測量了600MW下基礎工況，即按照原運行參數(shù)運行的工況，此時噴槍投入三區(qū)和四區(qū)，控制NOx濃度為150mg/m3。同樣測量了當僅增加四區(qū)噴槍噴入尿素溶液流量的工況，此時其它運行參數(shù)保持不變，比較這兩種工況下氨逃逸濃度的增加和氨逃逸的分布。

實驗使用化學法對氨逃逸量進行測量，使用便攜式煙氣分析儀對煙氣中的NO和O2進行測量。測量的位置在空預器入口截面上。圖2和圖3給出了伊敏電廠6號爐在基礎工況下測量得到的空預器入口截面上的氨逃逸和NOx分布云圖，圖4和圖5給出了伊敏電廠6號爐在增加4區(qū)噴槍噴入尿素溶液流量后空預器入口截面上氨逃逸和NOx分布云圖。從圖2和圖4我們可以看到，當SNCR系統(tǒng)在滿負荷時，投運三區(qū)和四區(qū)噴槍時，空預器入口處的氨逃逸濃度分布很不均勻，呈現(xiàn)出前后墻濃度較高，而中間濃度較低的趨勢。同時可以看到，增加四區(qū)投入的尿素溶液流量，能夠較顯著的增加系統(tǒng)的氨逃逸數(shù)量。從圖3和圖5可以看到，增加四區(qū)的尿素溶液流量，NOx的數(shù)量變化不大，其分布規(guī)律也基本都呈現(xiàn)出前墻濃度較高的趨勢。

通過對原SNCR系統(tǒng)各工況下逃逸氨濃度及其分布趨勢的測試可以得出結論：通過增加SNCR系統(tǒng)四區(qū)噴槍投入的尿素溶液流量能夠使系統(tǒng)產(chǎn)生較多的氨逃逸，但此氨逃逸在空預器入口截面上的濃度分布是不均勻的。

4 SCR系統(tǒng)改造

通過對原SNCR系統(tǒng)氨逃逸分布的測試得知SNCR系統(tǒng)產(chǎn)生的氨逃逸在空預器入口截面上的分布是不均勻的，如果僅將SCR反應器安裝在空預器入口煙道上而不采取任何措施的話，那么進入SCR反應的氨逃逸分布會很不均勻，從而會影響脫硝效率甚至催化劑的化學壽命。

通過采用數(shù)值模擬的方法對SCR系統(tǒng)煙道進行了流場設計，并添加了煙氣混合器，以改善進入SCR反應器的氨氮摩爾比分布的均勻性。圖6給出了加裝煙氣混合器和導流板后省煤器出口和第一層催化劑入口氨濃度分布的云圖，從圖中可以看到，當原SNCR系統(tǒng)產(chǎn)生的氨逃逸濃度不均勻時，經(jīng)過優(yōu)化設計的SCR系統(tǒng)進口煙道后，進入第一層催化劑入口面上的氨濃度分布均勻性有很大的改善。

5 SNCR+SCR混合法脫硝的實際效果

通過對伊敏電廠三期兩臺機組原SNCR系統(tǒng)的摸底測試，以及根據(jù)測試結果對SCR系統(tǒng)煙道進行優(yōu)化設計之后，對這兩臺機組進行了脫硝改造。6號爐在428MW負荷下SCR系統(tǒng)的DCS畫面，改造后兩個反應器的脫硝效率在47%左右，SCR反應器出口NOx濃度低于90mg/m3。同時在調(diào)試的時候也發(fā)現(xiàn)，繼續(xù)增大SNCR系統(tǒng)四區(qū)噴槍的尿素溶液流量，能夠?qū)CR反應器出口的NOx調(diào)節(jié)到50mg/m3以下。

6 結束語

通過對伊敏電廠三期2×600MW機組SNCR系統(tǒng)進行摸底測試及SCR系統(tǒng)改造，我們成功的實施了在不增加補氨噴槍情況下的SNCR+SCR混合法脫硝技術。得到的主要結論如下：

（1）SNCR系統(tǒng)能夠產(chǎn)生足夠的氨逃逸供下游SCR反應使用。

（2）SNCR系統(tǒng)產(chǎn)生的氨逃逸的分布均勻性較差，需要加設煙氣混合器和導流板才能使進入反應器的氨逃逸分布相對比較均勻。

（3）在目前的SNCR+SCR混合法脫硝運行情況下，適當增大SNCR系統(tǒng)四區(qū)的尿素溶液流量能夠使SCR反應器出口的NOx降低到50mg/m3以下。將來進行超低排放改造的時候，仍然可以使用SNCR+SCR混合法脫硝的技術路線。

參考文獻：

[1]Lyon R K， Method for the Reduction of the Cocentration of NO in Combustion Effluents Using Ammonia， U.S. Patent 3900554，1975.

[2]祝百東.SNCR煙氣脫硝技術的實驗研究[D].哈爾濱工業(yè)大學，2006.