選擇性非催化還原法（SNCR）高效脫硝技術(shù)在650 MW級W型火焰爐上的應(yīng)用

陳海杰

摘 要：介紹了以氨水為還原劑，利用選擇性非催化還原法（SNCR）的高效煙氣脫硝技術(shù)在某電廠650 MW級W火焰爐上的應(yīng)用實(shí)例。常規(guī)SNCR技術(shù)脫硝效率比較低，一般情況下，中小型機(jī)組的脫硝效率在40%左右，大型機(jī)組的脫硝效率在30%左右，而W型火焰爐的脫硝效率在25%以下。對于大型機(jī)組W型火焰爐來說，爐膛面積比較大，溫度場復(fù)雜，煙氣量大，低氮后NOx含量高，更是給SNCR脫硝技術(shù)的實(shí)施增加了難度。目前，國內(nèi)尚無大型機(jī)組W型火焰爐SNCR脫硝技術(shù)高效率的項(xiàng)目業(yè)績。因此，在大型機(jī)組W型火焰爐上，要達(dá)到高效的SNCR，關(guān)鍵在于選擇適宜的溫度區(qū)間，并盡可能使煙氣與還原劑充分均勻混合。為了滿足以上關(guān)鍵條件，對鍋爐進(jìn)行CKM&CFD模擬，合理設(shè)計，使高效SNCR技術(shù)在650 MW級W型火焰爐上取得了良好的脫硝效果，綜合脫硝效率在62.5%左右，且氨逃逸比較低。高效SNCR技術(shù)，總體投資費(fèi)用低，效率一般在38%～75%，不僅能成功運(yùn)用在大型機(jī)組W型火焰爐上，還能作為其他爐型的大型機(jī)組超低排放的最佳聯(lián)合手段。

關(guān)鍵詞：W型火焰爐；煙氣脫硝；SNCR；氨水

中圖分類號：X701.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.24.020

隨著我國電力行業(yè)的不斷發(fā)展，燃煤電廠對煤的需求量不斷增加。在能源日趨緊張的情況下，低揮發(fā)分煤和低熱值煤逐漸被廣泛應(yīng)用于大型電站。由于W型火焰鍋爐采取了煤粉濃縮、分級送風(fēng)燃燒、長火焰、敷設(shè)衛(wèi)燃帶等技術(shù)措施，有效提高了鍋爐的燃煤適應(yīng)性、低負(fù)荷穩(wěn)態(tài)燃燒能力和飛灰燃盡率，在燃料的著火、火焰的穩(wěn)定和燃料的燃盡方面也有顯著的優(yōu)勢，所以，它被廣泛應(yīng)用于我國電站中。

目前，我國引進(jìn)的各流派W型火焰爐共計100臺左右，鍋爐形勢均為π型爐結(jié)構(gòu)。由于W火焰爐在煤質(zhì)、爐型和燃燒方式上比較特殊，導(dǎo)致NOx排放濃度較高?，F(xiàn)階段，國內(nèi)現(xiàn)役的大型機(jī)組W型火焰爐未進(jìn)行低氮燃燒器改造的NOx排放量基本在1 000～1 500 mg/Nm3之間，經(jīng)低氮燃燒器改造后的NOx排放量基本都在800～1 200 mg/Nm3。由此可見，W型火焰爐NOx排放濃度遠(yuǎn)高于常規(guī)燃燒方式鍋爐的NOx排放水平。為了達(dá)到國家超低排放標(biāo)準(zhǔn)，除了采用低氮燃燒器改造外，還可以聯(lián)合SCR增容來提高脫硝效率。但是，SCR技術(shù)不僅投資比較高，后期更換催化劑費(fèi)用也高，而且長期穩(wěn)定在95%以上的脫硝效率難度比較大，仍不能滿足長期超低排放要求。

與SCR增容方法相比，在大型機(jī)組W型火焰爐上，在不對鍋爐進(jìn)行SCR增容的情況下，采用高效SNCR技術(shù)，裝置結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，便于維護(hù)，且投資費(fèi)用低，鍋爐整體脫硝效率可達(dá)95%以上，實(shí)現(xiàn)超低排放。

1 項(xiàng)目概述

某電廠機(jī)組為650 MW超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，鍋爐為北京B&W公司生產(chǎn)的超臨界參數(shù)、垂直爐膛、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、露天布置的∏型鍋爐，采用W型火焰燃燒方式。

經(jīng)現(xiàn)場考察，電廠原設(shè)置有氨區(qū)，可以將氨水作為脫硝還原劑，減少初期投資成本。另外，電廠脫硝用氨水含氨量不超過25%，劃分為丙類物質(zhì)，危險性低，可以制備一定量氨水存儲使用。該工程鍋爐已經(jīng)過低氮燃燒器改造，改造后產(chǎn)生的氮氧化合物濃度在800 mg/Nm3以內(nèi)，增設(shè)高效SNCR脫硝系統(tǒng)，設(shè)計在鍋爐40%～100%BMCR負(fù)荷范圍內(nèi)。當(dāng)氨逃逸率小于1×10-5時，長期穩(wěn)定脫硝效率為35%；當(dāng)氨逃逸率小于9×10-5時，長期穩(wěn)定脫硝效率大于50%.

2 高效SNCR工藝流程

SNCR法，即選擇性非催化還原法，在適宜溫度范圍內(nèi)，在無催化劑的條件下，將氨水、尿素等還原劑噴入爐膛與煙氣中氮氧化合物混合，最終生成N2。

不同還原劑的最佳反應(yīng)溫度區(qū)間不同，以氨水為還原劑的最佳反應(yīng)溫度區(qū)間在850～1 175 ℃。

以氨水為還原劑的主要反應(yīng)如下：

將氨水作為還原劑的SNCR系統(tǒng)，是由氨水制備系統(tǒng)、氨水存儲系統(tǒng)、氨水升壓輸送泵模塊、稀釋水升壓輸送泵模塊、計量稀釋模塊、計量噴射模塊、噴槍等組成的。液氨由廠區(qū)管道輸送進(jìn)氨水制備器中，與混合水在制備器中，制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的氨水溶液后輸送到氨水儲罐存儲；氨水罐中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的氨水再通過氨水升壓輸送泵模塊輸送到計量稀釋模塊，稀釋水由廠區(qū)水罐通過稀釋水升壓輸送泵同時輸送到計量稀釋模塊，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的氨水和稀釋水在計量稀釋模塊內(nèi)混合為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～10%的稀氨水。稀釋后的氨水經(jīng)過計量噴射模塊的精確計量后，分配至每支噴槍。還原劑氨水由噴槍霧化后噴入爐膛，進(jìn)行脫硝反應(yīng)。

3 系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

3.1 鍋爐主要運(yùn)行參數(shù)

鍋爐的主要運(yùn)行參數(shù)如表1所示。

注：表中參數(shù)除注明外，均為設(shè)計煤種BMCR工況

3.2 鍋爐設(shè)計煤種資料

鍋爐設(shè)計煤種資料如表2所示。

3.3 鍋爐熱力計算參數(shù)（設(shè)計煤種）

鍋爐熱力計算參數(shù)參如表3所示。

3.4 SNCR系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

SNCR系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)如表4所示。

4 SNCR脫硝系統(tǒng)CKM&CFD模擬

實(shí)施高效SNCR技術(shù)的關(guān)鍵是：①精確選取合適的溫度反應(yīng)區(qū)間；②在這個反應(yīng)區(qū)間找出還原劑合適的噴射濃度和噴射液滴直徑；③使還原劑噴射的覆蓋面積相對大，與煙氣充分混合均勻。這3點(diǎn)都做得比較好，脫硝效率就會非常高。

對于本工程650 MW的W型火焰爐來說，爐膛面積大，溫度場復(fù)雜，NOx含量分布不均勻，所以，要精確鎖定最佳溫度反應(yīng)窗口，選擇合理的插槍位置，需進(jìn)行CKM&CFD模擬。在模擬過程中，先要手動測量鍋爐關(guān)鍵位置的溫度；測溫后，對比和分析實(shí)測溫度與熱力計算參數(shù)、現(xiàn)場DCS數(shù)據(jù)，為CKM&CFD模擬提供相對精確的溫度場數(shù)據(jù)。

CKM&CFD模擬模型入口NOx含量按800 mg/Nm3設(shè)置，其他煙氣成分按照經(jīng)驗(yàn)分布設(shè)置，除了氧氣水分等，并不影響脫硝反應(yīng)的進(jìn)行。在此設(shè)置條件下，分別在100%，75%，50%的負(fù)荷情況下進(jìn)行CKM&CFD溫度場模擬。SNCR系統(tǒng)出口采用壓力出口邊界條件。

模擬結(jié)果如圖1、圖2、圖3所示。

100%負(fù)荷時，溫度場分布如圖1所示。

75%負(fù)荷時，溫度場分布如圖2所示。

50%負(fù)荷時，溫度場分布如圖3所示。

5 高效SNCR脫硝系統(tǒng)關(guān)鍵因素

高效SNCR系統(tǒng)與常規(guī)SNCR系統(tǒng)相比，在設(shè)計大型機(jī)組W型火焰爐上，除了要精確鎖定最佳反應(yīng)溫度窗口外，還有幾個關(guān)鍵因素對脫硝效率有重要的影響。由于W型火焰爐爐膛面積比較大，且最佳反應(yīng)溫度區(qū)間不同于常規(guī)鍋爐，所以，噴射量、噴射濃度、噴射霧化顆粒大小、反應(yīng)停留時間、還原劑覆蓋面積等關(guān)鍵因素同樣起著至關(guān)重要的作用。

在不同負(fù)荷下，還原劑噴射量不同，濃度不同，反應(yīng)停留時間不同，與煙氣的混合程度也不同。同樣，霧化顆粒粒徑也不能過大過小，過大，不僅不能在短時間內(nèi)完全反應(yīng)，還會產(chǎn)生液滴，引起過熱器爆管；過小，穿透性差，不利于與煙氣的充分混合。

因此，在設(shè)計高效SNCR系統(tǒng)時，如何使用少量的還原劑達(dá)到高脫硝效率，是系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，是系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)計部分，而且設(shè)計時要充分考慮工程經(jīng)驗(yàn)、項(xiàng)目實(shí)際情況等，不可忽略。

6 高效SNCR脫硝系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

本工程SNCR脫硝裝置委托湖南電科院測試，測試項(xiàng)目主要包括SNCR進(jìn)出口O2含量、SNCR進(jìn)出口NOx濃度分布和SNCR出口氨逃逸濃度。

測點(diǎn)布置情況如圖4所示。

測試點(diǎn)選取在低溫省煤器出口與SCR入口之間。當(dāng)SNCR不噴氨時，測點(diǎn)處所測NOx濃度和O2含量默認(rèn)為SNCR入口NOx濃度和O2含量；當(dāng)SNCR系統(tǒng)開始運(yùn)行噴氨系統(tǒng)并運(yùn)行穩(wěn)定時，測點(diǎn)處所測NOx濃度和O2含量默認(rèn)為SNCR出口NOx濃度和O2含量。與此同時，SNCR運(yùn)行時，測點(diǎn)處的NH3濃度即為SNCR氨逃逸濃度。

現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)如表5所示。

由表5所述結(jié)果可知，SNCR投運(yùn)后，A側(cè)脫硝效率為58.7%，B側(cè)脫硝效率為66.3%，SNCR系統(tǒng)平均脫硝效率為62.5%.

氨逃逸和氨耗如表6所示。

由表6所述數(shù)據(jù)可知，SNCR系統(tǒng)平均氨逃逸為4.9×10-5，系統(tǒng)總氨耗為533.6 kg/h。

7 結(jié)論

該電廠機(jī)組650 MW級W型火焰爐測試運(yùn)行時，由于水冷壁超溫，A，B兩側(cè)配風(fēng)比不同，導(dǎo)致兩側(cè)NOx含量有一定的差距。如果后期電廠可以將A，B兩側(cè)NOx調(diào)平，那么，會對SNCR脫硝系統(tǒng)效率有積極的影響。

總體來說，在650 MW級W型火焰爐運(yùn)行的過程中，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，以設(shè)計值為基礎(chǔ)進(jìn)行調(diào)試。待鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定后，還原劑耗量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計值，脫硝效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計值，氨逃逸在要求范圍內(nèi)。高效SNCR系統(tǒng)在該項(xiàng)目的運(yùn)用取得了良好的效果。

作為國內(nèi)首個完成大機(jī)組W型火焰爐SNCR系統(tǒng)成功運(yùn)行的案例，為我國未來大型機(jī)組W型火焰爐超低排放提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和有效運(yùn)行數(shù)據(jù)，對國內(nèi)SNCR脫硝技術(shù)在不久將來取代SCR技術(shù)起到了積極的推動作用，使超低排放工藝更加經(jīng)濟(jì)，為電力行業(yè)開辟了新的發(fā)展思路，具有十分重要的戰(zhàn)略意義。

〔編輯：白潔〕