SNCR/SCR联合脱硝运行调整试验研究

2012-08-11赵海军

电力科学与工程 2012年10期

关键词：炉膛尿素烟气

赵海军

(神华国华北京热电分公司，北京 100025)

0 引言

某电厂根据北京市火电厂烟气NOx排放浓度≤100 mg/Nm3标准的环保要求 (该电厂当时烟气NOx排放浓度为 340～350 mg/Nm3)，于 2007—2010年陆续对四台锅炉进行了SNCR，SCR脱硝系统改造。

为了获得SNCR/SCR联合脱硝装置较好的经济运行性能，该电厂与电科院等研究机构陆续对该脱硝系统进行了300 t/h，350 t/h，410 t/h，440 t/h典型工况调整试验。

1 设备系统及脱硝原理介绍

1.1 设备简介

某电厂锅炉为哈尔滨锅炉厂生产的HG－410/9.8－YM15型锅炉。该炉为单汽包、自然循环高压锅炉、四角切圆燃烧方式、固态排渣、平衡通风、单炉膛露天Π型布置、热风送粉燃煤锅炉[1]。为了满足北京市冬天供热负荷的需要，2004年对锅炉进行了增容改造，改造后的额定蒸发量为450 t/h。该厂锅炉2007～2010年陆续加装了选择性非催化还原脱硝系统 (SNCR)、选择性催化还原脱硝系统 (SCR)。SCR系统是利用炉膛喷入的尿素溶液高温热解产生的NH3气作为尾部安装的SCR装置的还原剂。

SNCR系统主要包括尿素溶液配制、在线稀释和喷射3部分。尿素溶液配制系统实现尿素储存、溶液配制和溶液储存的功能，然后由在线稀释系统根据锅炉运行情况、NOx排放浓度情况、氨逃逸情况在线稀释成所需的浓度，送入喷射系统。喷射系统实现各喷射层的尿素溶液分配、雾化喷射和计量。该设计在炉膛燃烧区域上部和炉膛出口1 000～1 150℃烟气温度区域，在前墙和侧墙分5层共布置了33支墙式尿素溶液喷射器(原始设计 6 层)[2]。标高为26 m，28.5 m，32 m，35 m和36.5 m。各喷枪根据负荷变化相继投入。

1.2 脱硝原理

SNCR技术把还原剂如尿素稀溶液喷入炉膛温度为850～1 100℃的区域，该还原剂迅速热分解出NH3并与烟气中的NOx进行反应生成N2和H2O[3]。该方法以炉膛为反应器，在炉膛850～1 100℃的温度范围内，在无催化剂作用下，尿素氨基还原剂可选择性地还原烟气中的NOx，基本上不与烟气中的O2反应，主要反应为:

(1)尿素为还原剂:

(2)当温度过高时，超过反应温度窗口时，氨就会被氧化成NOx:

(3)选择性催化还原技术 (SCR)

炉膛逃逸的氨气 (该电厂)作为脱硝剂被喷入高温烟气脱硝装置中，多余的氨气在催化剂的作用下，可以在280℃～420℃的烟气温度范围内将烟气中NOx分解成为N2和H2O[4]，其反应公式如下:

1.3 设计煤种与掺烧煤情况

设计煤种与掺烧煤的特性分析[5]见表1。

表1 设计煤与掺烧煤的特性分析Tab.1 Composition analysis of original coal and mix coal

2 试验内容

此次试验是在前期摸索试验的基础上进行的进一步优化试验，在锅炉不同负荷工况下，即锅炉负荷为300 t/h，350 t/h，410 t/h，440 t/h情况下，以锅炉负荷410 t/h，440 t/h为重点，在各种磨组合运行状态下，分别对脱硝装置SNCR的喷氨层数、层喷射流量和总尿素流量等进行调整，并进行优化组合试验，最终找出此台炉在不同负荷工况下脱硝系统的最佳运行方式，实现烟气出口浓度小于100 mg/m3，通过试验达到NOx排放达标与经济运行的双重效果。

3 试验方法

3.1 NOx与O2浓度测量

在SCR反应器出入口垂直烟道的水平截面上，采用等截面网格法 (4×4)布置烟气取样点。参考美国EPA－7E标准，首先用不锈钢管将烟气引出至烟道外，然后经过水洗除尘、除氨器除氨、烟气预处理装置清洁、除湿、冷却，最后接入NGA2000型烟气分析仪分析NO与O2含量(图1)。根据各取样点的NO与O2浓度，将NO修正到6%氧量下，获得各取样点的NOx浓度分布及整个截面上的平均浓度。取样点布置和烟气取样分析系统见图1。

图1 烟气取样分析系统Fig.1 Sample flue gas for analysing

3.2 NOx排放浓度计算

参照相关国家标准，锅炉NOx排放浓度按如下公式计算:

式中:[NOx]为折算到6%O2标准状态以NO2计的NOx浓度，mg/Nm3;[NO]为实测NO浓度，μL/L;[O2]为实测O2浓度，%。

试验过程中，在SCR反应器出入口烟道截面网格法测量了NOx分布，采用算术平均法计算NOx排放浓度平均值。

4 试验结果

4.1 锅炉300 t/h负荷工况下的试验结果及分析

由表2数据反映出，锅炉在300 t/h负荷下，B磨运行，从SCR反应器入口NOx浓度来看，工况T－02较工况T－03高，说明工况T－02炉膛内脱硝效率较工况T－03高。从投入尿素溶液的流量和投运喷射层来看，工况T－03投入尿素溶液流量较工况T－02高，投运喷射层也比工况T－02多出一层。由此可以看出，在此锅炉负荷下，适量多投入尿素溶液和均匀多层次喷射层对增加炉膛内脱硝效率具有一定的效果。而从SCR出口NOx浓度来看，两工况效果相当，即在两种工况下，NOx最终排放浓度接近。因此，从经济性角度看，工况T－02运行方式较为经济，在投入较少尿素流量和减少喷射层的情况下，能够达到较好的脱硝效果。

表2 锅炉300 t/h负荷下的试验结果Tab.2 Data of test in boiler 300 t/h

4.2 锅炉350 t/h负荷下不同磨组合的试验结果及分析

由表3数据可以看出，锅炉在350 t/h负荷下，投入尿素溶液流量和投运喷射层一致的情况下，投运不同的磨组合，SCR入口NOx浓度有一定差异，即T－37工况下SCR入口NOx浓度较低，说明在投运A磨的情况下，炉膛内NOx转化率较投运B磨或者无磨的情况下要高一些，但是SCR出口各个工况下NOx无明显变化。由此说明，在锅炉负荷350 t/h工况下，在投入尿素溶液流量和投运喷射层一致的情况下，投运不同的磨组合对锅炉整体脱硝率无明显影响。

表3 锅炉350 t/h负荷下的试验结果Tab.3 Data of test in boiler 350 t/h

4.3 锅炉410 t/h负荷下不同喷射层间调整的试验结果及分析

分析:由表4数据反映出，在锅炉负荷为410 t/h，尿素溶液流量一定，制粉系统均投运A磨的前提下，由于喷射层和层间的流量发生变化，SCR出入口NOx浓度发生了显著的变化。其中工况T－05与工况T－12差异更为显著，SCR入口NOx浓度前者较后者低30%以上。这主要是工况T－12中L3，L4喷射层未投入使用，L5，L6层喷射溶液流量较大，L3，L4喷射层处于较高温度区域，L5，L6层温度相对较低。而SNCR炉内反应较好的温度区域处于900～1 100℃范围之内[2]，L3，L4喷射层恰好处于这个温度区域之内，L5，L6温度小于900℃，因此工况T－12的喷射层布置未达到较好的温度窗口效应，造成SNCR炉内反应较差，形成较低的脱硝率。工况T－05布置相对要好一些。由SCR出口NOx浓度看出，工况T－06浓度较高，此工况下锅炉整体脱硝效率较低。此工况投运喷射层为L3，L4，L5，整体喷射流量较其他工况大，总流量大于3.6 m3/h(稀释水流量较大)，而此三层喷射流量较大导致了SCR反应器反应效率较低，即SCR反应效率低于30%，其余工况均高于44%。由此造成了锅炉整体脱硝效果降低。相比较而言，工况T－05的运行方式不论在SCR入口还是出口，均取得了较好的脱硝效果。由此可知，在锅炉410 t/h负荷下，通过投入L3，L4，L5，L6层喷射器和均匀调整喷射流量，将会取得相对较好的脱硝效果。

表4 锅炉410 t/h负荷下的试验结果 (1)Tab.4 Data of test in boiler 410 t/h(1)

4.4 锅炉410 t/h负荷下不同尿素流量的试验结果及分析

由表5数据可以看出，在锅炉负荷为410 t/h，通过调整尿素溶液流量和层间喷射流量，锅炉整体脱硝效率出现一定的差异性。其中在尿素溶液流量一定的情况下，工况T－28层间尿素溶液分配方式较好，此工况脱硝效率较其他同等尿素溶液流量的工况高。而通过调整层间流量分配，在尿素流量降低的情况下也能取得较流量高好的脱硝效率。工况T－21虽然尿素流量较其余工况低，但是其整体脱硝效率较工况T－07，T－08等工况高。在喷射层间流量分配较好的情况下，提高尿素溶液流量可以提高系统的整体脱硝效果，但是脱硝效果的增加呈现衰减之势，如工况T－24尿素流量较T－21增加60%，但是前者脱硝效率较后者尽增加20%，工况T－27尿素流量较工况T－28增加28%，但是前者脱硝效率较后者增加尽8%左右，由此可知，当尿素流量达到一定数量后，继续增加尿素流量，脱硝效果的增加呈现明显的衰减之势，即对脱硝率的影响逐渐降低。

续表

4.5 锅炉440 t/h负荷下相同尿素流量的试验结果及分析

由表6数据可以看出，锅炉负荷为440 t/h，在尿素溶液流量保持一定的前提下，通过调整调整喷射层间流量分配，脱硝效果出现一定的差异。如工况T－40和T－41，L3与L4层总流量与L5和L6层总流量之比接近于1∶1，而工况T－42和T－43，L3与L4层总流量与L5和L6层总流量之比约为5∶1，后者在高温区流量分配明显高于前者，在整体脱硝效率上，工况T－42和T－43较工况T－40和T－41低30%左右。由此看出，在锅炉负荷为440 t/h情况下，在尿素流量保持不变的前提下，L3与L4层总流量与L5和L6层总流量之比接近于1∶1的分配方式能取得相对较好的脱硝效果。这主要是因为在锅炉大负荷情况下，L3与L4层温度区域较高，在此区域投入过量的尿素，将会造成尿素分解物产生氧化，削弱其脱硝效果，造成锅炉整体脱硝效率下降。

表6 锅炉440 t/h负荷下的试验结果Tab.6 Data of test in boiler 440 t/h

5 试验综合分析

(1)在锅炉低负荷工况下 (锅炉负荷不高于350 t/h)，通过调整炉膛喷射层和层间的溶液流量，锅炉整体脱硝效率存在一定的差异，即优化炉膛喷射层和层间的溶液流量可以在低尿素投入量的前提下实现锅炉整体的较高脱硝率。

(2)在锅炉低负荷情况下 (锅炉负荷不高于350 t/h)，炉膛喷射层和尿素溶液流量保持固定，调节磨煤机系统的运行方式对锅炉整体脱硝效率不产生明显影响。

(3)在锅炉高负荷情况下 (锅炉负荷高于400 t/h)，炉膛喷射层和层间溶液的流量分配对锅炉整体脱硝效率产生较为明显的影响，在优化喷射层层间流量的前提下，增加尿素溶液流量将会增加锅炉的整体脱硝效果，但是当尿素流量达到一定数量后，继续增加尿素流量，脱硝效果呈现明显的衰减之势，经济性明显下降。

(4)SNCR系统喷入锅炉内部的尿素分解转化氨气和二氧化碳的效果受锅炉负荷、燃烧工况、炉膛温度场等复杂因素的相互影响。原始设计中按锅炉高度方向安装了六层尿素溶液的喷枪，通过试验，采用不同的投入组合对提高SNCR效率产生一定影响，相对功效明显的是L3，L4，L5三层，投入L6层可提高进入锅炉尾部催化剂入口NH3的浓度，即相对提高SCR催化剂的脱硝效率[6]。