选择性非催化还原法（SNCR）高效脱硝技术在650 MW级W型火焰炉上的应用

陈海杰

摘 要：介绍了以氨水为还原剂，利用选择性非催化还原法（SNCR）的高效烟气脱硝技术在某电厂650 MW级W火焰炉上的应用实例。常规SNCR技术脱硝效率比较低，一般情况下，中小型机组的脱硝效率在40%左右，大型机组的脱硝效率在30%左右，而W型火焰炉的脱硝效率在25%以下。对于大型机组W型火焰炉来说，炉膛面积比较大，温度场复杂，烟气量大，低氮后NOx含量高，更是给SNCR脱硝技术的实施增加了难度。目前，国内尚无大型机组W型火焰炉SNCR脱硝技术高效率的项目业绩。因此，在大型机组W型火焰炉上，要达到高效的SNCR，关键在于选择适宜的温度区间，并尽可能使烟气与还原剂充分均匀混合。为了满足以上关键条件，对锅炉进行CKM&CFD模拟，合理设计，使高效SNCR技术在650 MW级W型火焰炉上取得了良好的脱硝效果，综合脱硝效率在62.5%左右，且氨逃逸比较低。高效SNCR技术，总体投资费用低，效率一般在38%～75%，不仅能成功运用在大型机组W型火焰炉上，还能作为其他炉型的大型机组超低排放的最佳联合手段。

关键词：W型火焰炉；烟气脱硝；SNCR；氨水

中图分类号：X701.3 文獻标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.24.020

随着我国电力行业的不断发展，燃煤电厂对煤的需求量不断增加。在能源日趋紧张的情况下，低挥发分煤和低热值煤逐渐被广泛应用于大型电站。由于W型火焰锅炉采取了煤粉浓缩、分级送风燃烧、长火焰、敷设卫燃带等技术措施，有效提高了锅炉的燃煤适应性、低负荷稳态燃烧能力和飞灰燃尽率，在燃料的着火、火焰的稳定和燃料的燃尽方面也有显著的优势，所以，它被广泛应用于我国电站中。

目前，我国引进的各流派W型火焰炉共计100台左右，锅炉形势均为π型炉结构。由于W火焰炉在煤质、炉型和燃烧方式上比较特殊，导致NOx排放浓度较高。现阶段，国内现役的大型机组W型火焰炉未进行低氮燃烧器改造的NOx排放量基本在1 000～1 500 mg/Nm3之间，经低氮燃烧器改造后的NOx排放量基本都在800～1 200 mg/Nm3。由此可见，W型火焰炉NOx排放浓度远高于常规燃烧方式锅炉的NOx排放水平。为了达到国家超低排放标准，除了采用低氮燃烧器改造外，还可以联合SCR增容来提高脱硝效率。但是，SCR技术不仅投资比较高，后期更换催化剂费用也高，而且长期稳定在95%以上的脱硝效率难度比较大，仍不能满足长期超低排放要求。

与SCR增容方法相比，在大型机组W型火焰炉上，在不对锅炉进行SCR增容的情况下，采用高效SNCR技术，装置结构简单，运行可靠，便于维护，且投资费用低，锅炉整体脱硝效率可达95%以上，实现超低排放。

1 项目概述

某电厂机组为650 MW超临界燃煤发电机组，锅炉为北京B&W公司生产的超临界参数、垂直炉膛、一次中间再热、平衡通风、固态排渣、全钢构架、露天布置的∏型锅炉，采用W型火焰燃烧方式。

经现场考察，电厂原设置有氨区，可以将氨水作为脱硝还原剂，减少初期投资成本。另外，电厂脱硝用氨水含氨量不超过25%，划分为丙类物质，危险性低，可以制备一定量氨水存储使用。该工程锅炉已经过低氮燃烧器改造，改造后产生的氮氧化合物浓度在800 mg/Nm3以内，增设高效SNCR脱硝系统，设计在锅炉40%～100%BMCR负荷范围内。当氨逃逸率小于1×10-5时，长期稳定脱硝效率为35%；当氨逃逸率小于9×10-5时，长期稳定脱硝效率大于50%.

2 高效SNCR工艺流程

SNCR法，即选择性非催化还原法，在适宜温度范围内，在无催化剂的条件下，将氨水、尿素等还原剂喷入炉膛与烟气中氮氧化合物混合，最终生成N2。

不同还原剂的最佳反应温度区间不同，以氨水为还原剂的最佳反应温度区间在850～1 175 ℃。

以氨水为还原剂的主要反应如下：

将氨水作为还原剂的SNCR系统，是由氨水制备系统、氨水存储系统、氨水升压输送泵模块、稀释水升压输送泵模块、计量稀释模块、计量喷射模块、喷枪等组成的。液氨由厂区管道输送进氨水制备器中，与混合水在制备器中，制成质量分数为20%的氨水溶液后输送到氨水储罐存储；氨水罐中的质量分数为20%的氨水再通过氨水升压输送泵模块输送到计量稀释模块，稀释水由厂区水罐通过稀释水升压输送泵同时输送到计量稀释模块，质量分数为20%的氨水和稀释水在计量稀释模块内混合为质量分数为5%～10%的稀氨水。稀释后的氨水经过计量喷射模块的精确计量后，分配至每支喷枪。还原剂氨水由喷枪雾化后喷入炉膛，进行脱硝反应。

3 系统设计参数

3.1 锅炉主要运行参数

锅炉的主要运行参数如表1所示。

注：表中参数除注明外，均为设计煤种BMCR工况

3.2 锅炉设计煤种资料

锅炉设计煤种资料如表2所示。

3.3 锅炉热力计算参数（设计煤种）

锅炉热力计算参数参如表3所示。

3.4 SNCR系统设计参数

SNCR系统设计参数如表4所示。

4 SNCR脱硝系统CKM&CFD模拟

实施高效SNCR技术的关键是：①精确选取合适的温度反应区间；②在这个反应区间找出还原剂合适的喷射浓度和喷射液滴直径；③使还原剂喷射的覆盖面积相对大，与烟气充分混合均匀。这3点都做得比较好，脱硝效率就会非常高。

对于本工程650 MW的W型火焰炉来说，炉膛面积大，温度场复杂，NOx含量分布不均匀，所以，要精确锁定最佳温度反应窗口，选择合理的插枪位置，需进行CKM&CFD模拟。在模拟过程中，先要手动测量锅炉关键位置的温度；测温后，对比和分析实测温度与热力计算参数、现场DCS数据，为CKM&CFD模拟提供相对精确的温度场数据。

CKM&CFD模拟模型入口NOx含量按800 mg/Nm3设置，其他烟气成分按照经验分布设置，除了氧气水分等，并不影響脱硝反应的进行。在此设置条件下，分别在100%，75%，50%的负荷情况下进行CKM&CFD温度场模拟。SNCR系统出口采用压力出口边界条件。

模拟结果如图1、图2、图3所示。

100%负荷时，温度场分布如图1所示。

75%负荷时，温度场分布如图2所示。

50%负荷时，温度场分布如图3所示。

5 高效SNCR脱硝系统关键因素

高效SNCR系统与常规SNCR系统相比，在设计大型机组W型火焰炉上，除了要精确锁定最佳反应温度窗口外，还有几个关键因素对脱硝效率有重要的影响。由于W型火焰炉炉膛面积比较大，且最佳反应温度区间不同于常规锅炉，所以，喷射量、喷射浓度、喷射雾化颗粒大小、反应停留时间、还原剂覆盖面积等关键因素同样起着至关重要的作用。

在不同负荷下，还原剂喷射量不同，浓度不同，反应停留时间不同，与烟气的混合程度也不同。同样，雾化颗粒粒径也不能过大过小，过大，不仅不能在短时间内完全反应，还会产生液滴，引起过热器爆管；过小，穿透性差，不利于与烟气的充分混合。

因此，在设计高效SNCR系统时，如何使用少量的还原剂达到高脱硝效率，是系统的重要环节，是系统关键设计部分，而且设计时要充分考虑工程经验、项目实际情况等，不可忽略。

6 高效SNCR脱硝系统运行结果

本工程SNCR脱硝装置委托湖南电科院测试，测试项目主要包括SNCR进出口O2含量、SNCR进出口NOx浓度分布和SNCR出口氨逃逸浓度。

测点布置情况如图4所示。

测试点选取在低温省煤器出口与SCR入口之间。当SNCR不喷氨时，测点处所测NOx浓度和O2含量默认为SNCR入口NOx浓度和O2含量；当SNCR系统开始运行喷氨系统并运行稳定时，测点处所测NOx浓度和O2含量默认为SNCR出口NOx浓度和O2含量。与此同时，SNCR运行时，测点处的NH3浓度即为SNCR氨逃逸浓度。

现场测试数据如表5所示。

由表5所述结果可知，SNCR投运后，A侧脱硝效率为58.7%，B侧脱硝效率为66.3%，SNCR系统平均脱硝效率为62.5%.

氨逃逸和氨耗如表6所示。

由表6所述数据可知，SNCR系统平均氨逃逸为4.9×10-5，系统总氨耗为533.6 kg/h。

7 结论

该电厂机组650 MW级W型火焰炉测试运行时，由于水冷壁超温，A，B两侧配风比不同，导致两侧NOx含量有一定的差距。如果后期电厂可以将A，B两侧NOx调平，那么，会对SNCR脱硝系统效率有积极的影响。

总体来说，在650 MW级W型火焰炉运行的过程中，根据现场实际情况，以设计值为基础进行调试。待锅炉运行稳定后，还原剂耗量远远低于设计值，脱硝效率远远高于设计值，氨逃逸在要求范围内。高效SNCR系统在该项目的运用取得了良好的效果。

作为国内首个完成大机组W型火焰炉SNCR系统成功运行的案例，为我国未来大型机组W型火焰炉超低排放提供了宝贵的经验和有效运行数据，对国内SNCR脱硝技术在不久将来取代SCR技术起到了积极的推动作用，使超低排放工艺更加经济，为电力行业开辟了新的发展思路，具有十分重要的战略意义。

〔编辑：白洁〕