CFB锅炉SNCR脱硝技术研发

张定海，张 芳，吴继品，韦 耿，毛 宇，周 棋，叶 茂

（1.东方锅炉股份有限公司，成都611731； 2.江苏徐矿综合发电利用有限公司，徐州221011）

随着环保要求越来越严格，不仅新建机组需要同步建设脱硝装置，老机组也要进行脱硝改造。由于SNCR脱硝技术设备系统简单、造价相对低廉，不存在反应器堵塞等问题，因此在CFB锅炉上的应用具有一定优势。

1 CFB锅炉SNCR脱硝过程模拟研究

CFB锅炉SNCR过程模拟的难点主要有几个方面［1］：

（1）尿素或者氨水溶液在炉内蒸发热解的准确模拟。

（2）尿素-SNCR过程的化学动力学机理。

（3）CFB锅炉旋风分离器流场的准确把握。

商业化CFD软件fluent为CFB锅炉旋风分离器流场及粒子追踪模拟提供了手段，目前CFD软件已经广泛地使用于指导研发、设计、调试以及改造中。

CFB锅炉旋风分离器不同工况下氮剂的扩散及反应模拟结果见图1。

由图1可以明显地看出：旋风分离器出口氮剂和烟气的混合效果非常好。通过SNCR过程模拟可计算出脱硝效率和氨逃逸率，并对CFBSNCR技术进行优化，使脱硝效率达到60%以上。

图1 不同工况下还原剂的扩散效果图

2 CFB锅炉SNCR脱硝技术试验研究

2.1 试验装置

3MW CFB锅炉SNCR试验台配置有：氮剂储罐、搅拌器、计量泵、分配器及喷射器等。计量泵采用柱塞式计量泵，其行程可在0～100%无级调节，泵的流量为100L／h，泵的材料选用316L，泵前配置过滤器，泵后配置背压阀、流量计，管子选用Dn＝15mm。

试验台主要设计参数见表1。

表1 CFB-SNCR试验台设计参数

2.2 试验内容

试验内容如下：

（1）不同喷射位置对脱硝效率及氨逃逸率的影响。

（2）最佳喷射位置下不同氨氮比（NSR）对脱硝效率及氨逃逸率的影响。

（3）不同雾化喷枪对脱硝效率的影响。

（4）旋风分离器区域不同温度对脱硝效率及氨逃逸率的影响。

（5）锅炉负荷对脱硝效率及氨逃逸率的影响。

2.3 试验结果

通过不同位置及喷枪形式的优选，确定出最佳的喷射位置及喷枪形式。在最佳喷射位置及喷枪形式的基础上进行了3个不同NSR工况下的脱硝效率及氨逃逸率的测试。NOx质量浓度变化曲线见图2。

图2 不同工况下NOx质量浓度变化曲线

各工况下NOx质量浓度m（NOx）的变化值、脱硝效率及氨逃逸率见表2。

表2 各工况氨逃逸测试值

由表2可见：CFB锅炉采用SNCR技术虽能达到60%以上的脱硝效率，但是随着脱硝效率的增加，氨逃逸率也相应地有所增加。

3 CFB锅炉SNCR脱硝技术工程应用

将SNCR技术应用于江苏徐矿综合发电利用有限公司2台300MW CFB锅炉上，还原剂为尿素。

3.1 SNCR技术工艺系统

3.1.1 尿素溶液制备系统

运送至现场的袋装颗粒尿素储存在尿素储存间中，经电动葫芦吊装送入尿素溶解罐，使尿素充分地溶解在按比例补充的新鲜除盐水中，配制成质量分数为40%～50%的尿素溶液。溶解罐中除盐水通过蒸汽加热维持在40～50℃，溶解罐设置有搅拌器。溶解罐中的尿素溶液通过尿素溶液泵送入尿素溶液储罐中。

3.1.2 尿素溶液稀释与计量系统

尿素溶液通过循环泵先在本系统进行稀释及尿素溶液计量，根据锅炉负荷调节尿素溶液供应量，多余的尿素溶液返回尿素溶液储罐。本系统入口设置稀释水压力调节阀，以保证入口稀释水压力变化时泵的出口压力仍保持恒定，从而保证喷枪入口的尿素溶液压力，达到要求的喷射效果。

来自厂区除盐水母管的除盐水经稀释水箱稳压后再接至稀释水泵。稀释水泵出口的两条稀释水管路分别与尿素供液泵出来的两条尿素溶液管路连接，尿素与除盐水通过静态混合器混合后配置成质量分数为10%～20%的溶液，并输送至锅炉区域作还原剂使用。

尿素溶液稀释与计量系统通过尿素溶液线和稀释水线的流量控制阀，以及手动阀门、压力调节阀自动调节进入每个锅炉注入区域的尿素溶液质量分数和流量，以响应烟气中NOx的质量浓度、锅炉负荷和燃料量的变化。

3.1.3 尿素溶液分配和喷射系统

尿素溶液通过稀释与计量之后进入分配系统，由分配系统分配到各个旋风分离器SNCR喷枪区域。在锅炉不同负荷下，选择烟气温度处在最佳反应区间的喷射区喷入还原剂。喷射区域的位置和喷枪的设置通过对旋风分离器温度场、烟气流场、还原剂喷射流场、化学反应过程的精确模拟确定。

还原剂在旋风分离器内的停留时间一般大于0.5s。根据不同负荷状况对喷嘴的几何特征、喷射的角度和速度、喷射液滴直径进行优化，通过改变还原剂扩散路径，达到选定最佳停留时间的目的。

还原剂喷射系统的设计能适应锅炉在最低稳燃负荷工况和BMCR之间的任何负荷下的安全连续运行，并能适应机组负荷变化和机组启停次数的要求。

还原剂喷射系统设置12根喷枪，用于扩散和混合尿素雾滴。喷枪采用墙式喷枪喷射器。

喷射器由于处于高温和高烟尘的环境中，易因磨损和腐蚀导致损坏，因此喷射器选用耐磨、耐腐蚀的不锈钢材料制造。

喷射器的设计参数依据计算机模拟计算结果，并结合锅炉结构而确定，向每个喷射器提供压缩空气，以雾化尿素液滴。

从尿素溶液稀释计量系统出来之后的尿素溶液通过一系列的手动阀门分别接至每根喷枪，调试阶段将手动阀门调节至适当位置后不变，保证单个区域内每个喷枪的尿素溶液量相同，尿素溶液管道上设置就地压力表。雾化空气系统同样也通过一系列的手动阀门将压缩空气分别接至每根喷枪，调试阶段将手动阀门调节至适当位置后不变，保证每个喷枪的雾化空气量相同，雾化空气管道上也设置就地压力表。

通过SNCR过程模拟指导12支喷枪布置位置，达到脱硝效率的最大化。

3.1.4 辅助系统

压缩空气站用于提供尿素溶液的雾化介质；系统配置2台空压机（一运一备），空压机排气流量8m3／min，压力0.75MPa；设置一个容积2m3的压缩空气储罐；同时接入厂区公用压缩空气系统作为备用。

3.2 SNCR脱硝效果

2012年6月2 7日，江苏徐矿综合利用发电有限公司2台300MW CFB锅炉SNCR烟气脱硝改造工程实现整套系统试投运，经环保局测试：1号锅炉NOx质量浓度从190mg／m3下降至30mg／m3；2号锅炉NOx质量浓度从220mg／m3下降至70mg／m3（见图3）。

图3 实例锅炉NOx质量浓度变化图

3.3 对锅炉运行的影响

在SNCR投运时，不断地向炉膛内喷入质量分数为10%～15%的尿素溶液，喷入量约为1.8～3.0t／h。尿素溶液进入炉膛后，除尿素与NO反应生成CO2／H2O／N2，其中的水分将不发生化学变化，瞬间蒸发后随烟气向尾部流动。

整个试运期间，喷水量约2t／h，SNCR系统投运对锅炉排烟温度的影响很小，升高1～2K；锅炉过热蒸汽温度、再热蒸汽温度与SNCR系统未投前比较没有发生明显的变化，减温水流量也没有明显的变化。实践表明：SNCR脱硝系统的投入和退出对锅炉运行的稳定性没有明显的影响。运行期间飞灰及炉渣可燃物质量分数与SNCR投入前比较，没有明显的变化，说明SNCR的投运对锅炉燃烧没有明显影响。

4 结语

CFB锅炉因燃料灰分质量分数大、NOx排放质量浓度低等特点，导致实施SCR脱硝技术经济性不佳，而采用SNCR脱硝技术为最佳。东方锅炉研发的CFB锅炉SNCR脱硝系统简单，维护方便，在工程实施后脱硝效率能够达到60%以上；同时对锅炉运行经济性影响较小，设备可靠。CFB锅炉采用SNCR脱硝技术，可一步达到最严格的环保NOx排放质量浓度限值的要求。

［1］赵立平，曹庆喜，吴少华.NH3选择性非催化还原NO的化学动力学计算及分析［J］.电站系统工程，2008，24（1）：27-29，32.