浅谈混合法烟气脱硝技术的应用及存在的问题

宋卫娜

中国水利电力物资有限公司，北京西城 100045

1.概述

降低氮排放的主要措施有两种：一是控制燃烧过程中NOx的生成；二是对生成的NOx进行处理，即烟气脱硝技术，主要包括SCR和SNCR，根本区别是NOx的还原反应有无催化剂。

SCR是在催化剂的作用下，以NH3为还原剂，与NOx反应生成N2和H2O，脱硝效率可达80%～95%。这种工艺对氨逃逸率要求较高（小于3ppm），适用各种容量的锅炉，便于检修和维护。但催化剂会促进烟气中SO2转化为SO3并与NH3反应生成NH4HSO4，造成空预器堵塞及传热原件腐蚀，催化元件约增加1000Pa风烟系统阻力，改造时需对空预器、引风机及锅炉钢结构做出改动。而且催化剂须定期更换，整体投资和运行费用较高。

SNCR是直接利用锅炉炉膛作为反应器，改造可在大修期间完成，基本不影响锅炉及辅机。其反应控制以炉膛内NOx浓度为基础来去除，反应时间快，氨逃逸率控制范围宽（小于10ppm～15ppm），但反应剂在炉膛内的分布受限，反应条件难以控制，脱硝效率较低（25%～45%左右），常用于中小锅炉。

随着计算机技术的进步，SNCR系统开始引进CFD模拟技术。Fuel Tech公司在此基础上将CFD与CKM（化学动力学模型）相结合，开发了新型喷射器用以解决还原剂均匀分布的问题。从90年代中后期开始，SNCR系统逐渐开始在大型锅炉上应用。

2.混合法烟气脱硝技术的原理及应用

SNCR/SCR混合法是将SCR还原剂的喷射点移动到炉膛出口，烟气在出口处先进行一次NOx脱除，再利用没有参加反应的氨气在反应器内进行催化反应。该技术利用两个温度窗进行NOx脱除，取消了SCR工艺的喷氨格栅/静态混合器，减小了烟气系统阻力和催化剂体积。

SNCR/SCR混合法于上世纪70年代首次在日本一座燃油装置上进行试验。试验证明方法具有可行性。炉膛出口喷入过量的还原剂，除参与NOx的脱除外，还为尾部的SCR催化剂提供充足的氨，但是难以控制氨的分布以适应NOx分布的改变。

随着大型高速计算机的诞生和锅炉流体动力学/化学动力学计算模型的发展，使得准确计算、设计和调节还原剂喷射点以改善NH3/NOx在反应器中分布的均匀性具备了条件。目前，SNCR/SCR混合法可以达到40%～80%的脱硝效率，氨逃逸小于5ppm。

3.混合法工艺的改造及运行情况

3.1 脱硝系统改造情况概述

北京某热电厂采用哈尔滨锅炉厂HG-410/9.8-YM15型，单汽包、四角切圆、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。2006年，电厂采用煤粉再燃和低氧分级燃烧技术控制炉内NOx的生成，将氮排放降低到350mg/Nm3以下。2007年，北京市污染物排放标准中燃煤锅炉NOx排放标准提高到100mg/Nm3，受锅炉尾部烟道空间条件的限制，电厂采用SNCR/SCR混合工艺进行改造。

首先实施了SNCR改造，采用尿素溶液作为还原剂，49只锅炉喷射器分四层布置在炉膛燃烧区域上部和炉膛出口处。根据炉膛CFD和热力计算结果，前墙和侧墙喷枪分别布置在32m、28.5m、26m、23.5m标高处，后墙喷枪布置在27.95m、26m和23.5m标高处。锅炉高负荷运行时，投运上两层喷枪；低负荷运行时，投运下两层喷枪；停运喷枪可退出炉膛以避免受热损坏。为使喷入的尿素溶液能在最佳温度条件下参与反应，投运后电厂还进行了优化调整。通过在不同负荷工况下，投运不同层的喷枪，保障锅炉NOx排放低于180mg/Nm3。

2009年，电厂在SNCR改造的基础上进行了SCR改造。即在炉内SNCR喷射点喷入过量尿素溶液，利用其在炉膛高温下热解产生的NH3作为SCR装置的还原剂。受烟气扰动影响， NOx及NH3在进入催化剂前分布不均，从而使烟气在部分催化剂区域反应不充分，导致整体脱硝效率降低。电厂在锅炉转向室安装了五个喷嘴蒸汽扰动装置，作为尾部烟道流场的扰动汽源，但运行后效果一般，且耗气量较大。

为摸索最佳联合运行方式，电厂对SNCR/SCR脱硝装置进行了优化试验。通过在不同负荷工况下，改变投入不同蒸汽扰动层、尿素喷入量及喷入层的喷枪等方式，总结出不同工况下NOx、NH3的分布规律、应投入尿素流量及最佳喷枪投运方式，从而将NOx排放控制在50～100mg/m3。

3.2 运行中的问题及原因分析

（1）水冷壁腐蚀泄漏

运行期间，锅炉A/B侧水冷壁均发生过腐蚀。据国外运行经验，造成此现象的主要原因为尿素腐蚀。尿素溶液在雾化情况下喷出，不会对水冷壁管造成腐蚀；如果雾化不好，或喷枪位置达不到要求，易形成液滴从喷枪套筒下流，从而侵蚀正下方的水冷壁管，造成其短时间内腐蚀泄漏。此外，喷枪自身泄漏也会造成水冷壁腐蚀。

（2）冷灰斗堵塞

自SNCR系统投运后，冷灰斗多次发生渣垢堵塞，严重时曾由于下渣口封死而被迫停炉清灰。据观察，最初冷灰斗与密封水接触边缘会生成一种白色物质，并随运行时间增加逐渐形成堆积。堆积的白色物质与下落的灰渣混合后体积增大，造成灰斗竖井通流面积逐渐减小，从而导致燃烧后的灰渣下落受阻。部分灰渣下落到灰斗后又与堆积物结合，增加了堆积物的生长速度。往复作用后，冷灰斗竖井的下渣口被堆积物封死，导致燃烧后的大渣无法通过渣水系统被运走。当大渣的堆积到一定高度后，锅炉便需要停炉清灰。

经取样观察，堆积物下层渣垢致密牢固，呈灰白色、层状、较硬，中间呈灰色，上层呈灰黑色，自上而下越来越坚硬、致密。对垢样进行化学分析和物相分析后得出其主要成份为CaSO4和Ca(SO4)(H2O)2。因为燃料本身有石灰石成份，即使锅炉不投运SNCR，煤粉自身燃烧也会有CaSO4生成。CaCO3被带到炉膛上部的高温区域时，受热分解的CaO 和CO2均能与SO2反应。其反应如下：

上述反应在没有外界干扰的情况下，效率较低。但SNCR投运后，稀释的尿素溶液从雾化喷嘴中喷出，对炉膛内的烟气造成冲击和混合，加速了烟气中飞灰的碰撞。由于尿素溶液与炉膛温度相比相对较低，雾化的液滴在与烟气混合过程中出现汽化，瞬间降低了接触烟气的温度，也增加了CaO、SO2的碰撞机会，为CaSO4的生成提供了条件和途径。而且碰撞机会的增大使飞灰间大颗粒形成机会增多，致使更多的钙的生成物下落。因此冷灰斗内喷氨后CaSO4的生成比以前增多。CaSO4在水中溶解度极低，在灰渣水中呈现结晶体状，即CaSO4与Ca(SO4)(H2O)2的混合物。结晶体附着在冷灰斗表面，增加其黏附能力，致使更多的灰渣与灰斗形成贴附。长时间运行后，灰斗便形成了较厚的白色与灰黑色相间隔的堆积物。

（3）尾部烟道设备腐蚀

投运后一年内，空预器、烟道、电除尘一电场芒刺均发生不同程度的腐蚀。经分析，原因仍是烟气扰动造成的NOx及NH3分布不均。通过催化剂时，烟气分布浓度低的地方NH3逃逸会增加，而SCR装置会促使SO2向SO3转换，与逃逸的NH3反应生产硫酸氢氨，从而对下游设备造成腐蚀。

4.结束语

SNCR/SCR混合法技术减少了催化剂用量，降低SO2/SO3转化所引起的腐蚀和ABS阻塞的问题，减小催化剂对煤的敏感度问题，尿素溶液直接喷射进入锅炉后，取消了尿素热解、尿素水解等还原剂分解系统，降低工程造价，降低安全隐患。但实际应用中，该工艺仍存在烟气NOx排放不平衡、尿素溶液易引发腐蚀等问题，需在设计阶段利用流场混合技术，进一步改善NH3/NOx在反应器中分布的均匀性。

[1]王方群.国内燃煤电厂烟气脱硝发展现状及建议.中国环保产业，2007年1月.

[2]杨忠灿.燃煤锅炉的选择性催化还原烟气脱硝技术.广东电力，2006年12月.

[3]王智.燃煤电站锅炉及SCR脱硝中SO3的生成及危害.东北电力技术，2005年.