不均匀喷氨系统在SNCR+SCR耦合脱硝技术中的应用

梁存敬， 张占成， 黄国强

(宜兴华润热电有限公司， 江苏宜兴 214205)

不均匀喷氨系统在SNCR+SCR耦合脱硝技术中的应用

梁存敬， 张占成， 黄国强

(宜兴华润热电有限公司， 江苏宜兴 214205)

通过增加SCR梯度不均匀喷氨系统，克服SNCR烟气氨氮分布严重不均匀的明显缺点，也充分发挥了SNCR不需催化剂在炉内脱硝的优势。对比分析尿素水解、热解制氨的优缺点，通过实验研究优化喷氨格栅，强化了喷氨系统的适用性。分析了尿素水解SCR不均匀喷氨系统在实际工程中的效果，结果表明：尿素水解制氨结合SNCR+SCR耦合脱硝系统可以显著提高NOx的脱除效率；解决NH3/NOx分布不均匀问题。

不均匀喷氨系统； 尿素水解； SNCR； 脱硝； 超低排放

SCR烟气脱硝技术中还原剂NH3的来源有3种：液氨、氨水和尿素。液氨是危险化学品，电厂在用液氨时会受到诸多制约；氨水由于运行成本较高而具有应用局限性；作为无危险的制氨原料，尿素具有与液氨相同的脱硝性能，具有安全性、绿色无毒性，便于运输、储存和使用，应用较为广泛[1]。

SNCR烟气脱硝相较于SCR技术的特点是：SNCR脱硝过程中不使用催化剂，直接在炉内完成脱硝反应，对于未预留SCR反应器安装空间的旧型锅炉非常适用；SNCR反应整个过程没有压力损失，无需提高引风机压头，特别是改造机组无需对引风机进行改造；使用尿素作为还原剂，对于不能使用液氨的重点区域和离居民区较近的城市电厂较为适用，特别是氨站建设场地受限的电厂；脱硝改造成本及运行成本低；但是由于SNCR喷枪喷入的尿素溶液对锅炉受热面存在腐蚀问题，一般只能布置在锅炉炉膛前墙或侧墙，存在烟气NOx与氨分布严重不均匀问题。

1 机组概况

宜兴华润热电有限公司2台60 MW机组,锅炉是UG-260/9.8-M型高温、单锅筒、自然循环、П形布置的固态排渣煤粉炉。制粉系统采用中间储仓式热风送粉系统。

脱硝系统采用SNCR+SCR耦合脱硝技术，还原剂采用尿素溶液，SNCR部分采用喷枪向炉膛喷入尿素溶液，热解后生成氨气在高温区产生SNCR还原反应，将NOx还原成氮气，未反应完的氨气流向尾部SCR催化剂内，继续与剩余的NOx进行反应，从而实现脱硝的目的。由于该公司2台锅炉设计时未预留SCR反应器安装空间，锅炉与电除尘之间间距较小，SCR反应器无法引出烟道外，因此通过高温空气预热器与低温省煤器的改造腾出空间，布置1+0.5层(1层半)催化剂，考虑到燃煤灰分含量高，催化剂选用板式催化剂，目前已实现NOx质量浓度小于100 mg/m3的烟气排放。该公司通过实地调研，完成超低排放可行性研究，拟对2台锅炉实际排放烟气中的NOx质量浓度的超低排放改造(小于50 mg/m3)，同时对目前SNCR脱硝存在的问题进行优化改造。

图1为SNCR+SCR耦合法流程示意图。

图1 SNCR+SCR耦合法流程示意图

2 SNCR+SCR耦合脱硝技术

2.1SNCR+SCR耦合脱硝技术的优势

SNCR+SCR耦合法工艺兼有SNCR和SCR技术的优点,利用SNCR反应逃逸的氨供SCR反应,当要求氮氧化物脱除率不是很高时(70%～75%),采用SNCR+SCR工艺更合适,这种组合为电厂提供最经济合理的脱硝方式，SNCR+SCR耦合法工艺已成功应用于大型燃煤机组，特别适合旧锅炉的脱硝改造。其主要优势为：

(1) 利用SNCR在炉内前期初步脱硝，SNCR部分不需要催化剂，降低了催化剂的需求量，大幅降低SCR的脱硝压力，投资成本大幅减少[2]。

(2) 对于旧型锅炉未预留SCR反应器安装空间的锅炉非常适用。一些旧锅炉设计时未考虑脱硝装置，且锅炉与电除尘之间未预留SCR催化剂安装空间，无法布置SCR烟道，改造非常困难且成本高昂，采用SNCR+SCR耦合脱硝技术可解决无安装空间的难题。

(3) 对环境保护重点的电厂锅炉非常适用。一些靠近城市或重点环境保护区的电厂锅炉脱硝为考虑环境安全不允许使用液氨；另外一些电厂场地较小，氨站作为重大危险源安全距离要求高，不具备建设氨站的条件。SNCR+SCR耦合脱硝采用无污染、安全的尿素作为还原剂，因而具有非常明显的优势。

(4) SNCR反应整个过程没有压力损失，不需提高引风机压头，特别是改造机组无需对引风机进行更换，可大幅降低成本。

2.2SNCR+SCR耦合脱硝技术的不足

(1) 由于SNCR喷枪喷入的尿素溶液对锅炉受热面存在腐蚀问题，一般只能布置在锅炉炉膛前墙或侧墙，存在烟气NOx与氨分布严重不均匀问题。

(2) SNCR脱硝系统运行中氨逃逸较高，低温空气预热器、低温省煤器、电除尘内部易发生严重的积灰，影响到锅炉接带高负荷；由于低温省煤器积灰，烟气形成走廊造成磨损，国内许多采用SNCR+SCR耦合脱硝技术的锅炉机组已出现过多起低温省煤器磨损、泄漏、停炉事故。

3 不均匀喷氨系统的应用

3.1问题分析

由于SNCR合适的温度区域内有大量的受热面管束， SNCR喷枪只能以布置在前墙为主，而且布置在前墙的喷枪还要对其雾化距离做到比较严格的控制。雾化距离太长，尿素溶液雾化颗粒将会喷到屏式过热器管束，长期将会腐蚀爆管；控制雾化距离，尿素溶液雾化颗粒与烟气的混合均匀性必定受到影响。

图2为SNCR+SCR耦合脱硝还原剂NH3的分布模拟结果。

图2 SNCR+SCR耦合脱硝还原剂NH3的分布模拟结果

图3是SCR入口截面NH3分布，分布均匀度为1.2，其中X表示物理模型中烟道的水平方向尺寸，垂直于主气流；Z表示物理模型中烟道的深度方向尺寸。

图3 SCR入口截面NH3分布

从图2和图3可以看出：由于SNCR喷枪位置布置所限，导致SCR入口氨分布严重不均，烟道后墙处氨逃逸过大。要解决均匀性问题，只能通过将部分尿素溶液制成氨气通过喷氨格栅补入尾部烟道，还原剂NH3分布少的前烟道多补入氨气，后烟道多的不补或少补已达到SCR入口NH3分布均匀的目的，即结合纯SCR脱硝的优点，在现SCR上部增加喷氨格栅，通过局部补氨的方式改善SNCR带来的不均[3]。

通过加装SCR备用层催化剂，结合SNCR反应多余的氨与喷氨格栅梯度式不均匀补氨共同作用为脱硝系统提效，从而实现脱硝的超低排放。

3.2制氨方式

3.2.1 尿素制氨方式

该机组由于地理位置及设备布置不具备建氨站条件，因此选用尿素制氨。目前主要的尿素制氨方式有热解和水解两种。尿素热解：在尿素热解炉中喷入尿素溶液雾化颗粒，利用热稀释风加热至350～650 ℃使其分解为氨气和二氧化碳。热稀释风一般采用电加热或燃料加热方式，目前新出现了抽取锅炉尾部烟气加热的方式。尿素水解：50%尿素溶液在150～170 ℃、0.5～1 MPa下发生水解，水解首先产生一种氨基甲酸铵的亚稳定态物质，氨基甲酸铵极不稳定，会继续水解生成氨气和二氧化碳[4]。

3.2.2 尿素制氨方式的选择

电加热尿素热解工艺投资较少，但电耗运行成本较高，长期运行经济性差，设备系统较复杂，电加热器存在故障退出运行的风险，目前应用此工艺的有些电厂正在实施或考虑二次改造为烟气热解或水解工艺；烟气加热尿素热解工艺系统复杂，锅炉本体及烟风道系统改造量大，目前应用业绩少且投运时间短，风险相对较大，投资成本高。

选用尿素水解脱硝工艺，可充分对尿素站系统利用原有设备，设备系统简单，锅炉本体无需改动。水解装置采用撬装模块，施工简单，占地面积小，投资小。尿素水解制氨负荷响应慢，可通过增加制氨裕量加以解决，水解器排污问题均已在新的工艺设计中得到有效改进，可靠性高[5]。

无论是电加热或是烟气加热的尿素热解工艺，尿素热解中均不同程度地存在因热解不均、喷枪雾化不良、稀释风、含尘、温度控制等原因导致出口弯头管道尿素结晶堵塞现象，脱硝系统被迫退出，可靠性相对不高。综合对比两种尿素制氨技术，该公司采用尿素水解方案对脱硝超低排放进行改造。

3.3工程应用

该公司于2016年10月和12月分别完成了1号、2号锅炉脱硝超低排放改造，新增了2台尿素水解反应器，每台尿素水解反应器对应1台机组，每台产氨能力为60 kg/h(留50%裕量)，在尿素水解反应器出口至锅炉输送氨管道之间可联络，可对邻炉补氨。

图4为该公司尿素水解站。

图4 尿素水解站

质量分数为50%的尿素溶液被输送到尿素水解反应器内，饱和蒸汽通过盘管的方式进入水解反应器，饱和蒸汽不与尿素溶液混合，通过盘管回流，冷凝水由疏水箱、疏水泵回收。水解反应器内气液两相平衡体系的压力为0.6～0.9 MPa，温度为140～155 ℃。水解反应器中产生出来的含氨气流经过计量分配后进入氨空气混合器，然后与一次风在氨气-空气混合器处稀释，最后进入SCR上部喷氨格栅。水解反应器材质为316L，设置2台无油润滑空压机，通过空压机向尿素水解器内加入防腐空气，使其水解器内一直有溶解氧的存在，使尿素溶液中一直有溶解氧的存在，溶解氧使不锈钢在氧化性介质中能进行化学钝化，表面生成氧化膜，最大限度缓解腐蚀速率。

产品气为质量分数为28%氨气、35%二氧化碳和37%水蒸气的混合物。为确保产品气的温度高于露点温度以防止管道堵塞，产品气管道采用夹套保温，管内输送气氨，夹套内输送伴热蒸汽，蒸汽冷凝水回到稀释水箱回收利用。

因农用尿素中含有一些的细微杂质，水解反应过程中会产生结垢物黏结在加热盘管表面，影响传热导致反应器制氨出力下降，运行中需每周进行一次排污防止杂质结垢，每次排污5 s，从而产生少量废水。该改造项目优化了废水处理方式，废水回至尿素溶解罐，打至尿素溶液储罐后进入炉前SNCR喷射系统进行脱硝反应；另外还设置了废水池，尿素废水经稀释后进入厂内草坪灌溉系统，作为厂区草木的肥料使用。

每台锅炉设 2 台高温离心式稀释风机，一用一备，稀释风取自高温空气预热器出口热风道，风道320 ℃。喷入反应器上部喷氨格栅的氨气为热空气稀释后含 5%左右氨气的混合气体。

图5为高温省煤器上部加装喷氨格栅布置图。

图5 高温省煤器上部加装喷氨格栅布置图

因催化剂受外部空间限制布置在锅炉竖直烟道内，为利用高温省煤器管排的整流作用，保证氨氮充分混合均匀，喷氨格栅采用水平方式布置在高温省煤器管排上部，采用包墙过热器鳍片与省煤器联箱作为支撑点，并对联箱及省煤器悬吊管采用不锈钢护瓦全面防护，防止吹损和腐蚀。

因催化剂入口氨氮分布前后墙严重不均，为保证SCR出口NOx分布均匀，防止局部氨逃逸过大，喷氨格栅必须按需求不同而设计为不均匀喷氨。喷氨格栅宽度方向(前后墙)分为6个区，长度方向(左右墙)分为4个区，共24组。从前向后喷量呈梯度递减，每组喷氨模块均能单独控制喷氨量。

通过制作物理模型试验，利用CO模拟喷氨，确定了喷氨系统喷嘴数量，物模测试显示喷嘴偏置角度在45°时氨分布均匀性最好。

图6为高温省煤器上部加装喷氨格栅布置图。

图6 喷氨模块物理模型

在物理模型喷氨格栅出口截面进行CO质量浓度和速度分布测量，喷氨隔栅下游平均速度为1.68 m/s，分布相对标准偏差为0.17；CO质量分数平均值为0.061 87‰，分布相对标准偏差为0.21，各测点CO质量浓度和测点速度测量值图见图7和图8(其中X表示物理模型中烟道的水平方向，垂直于主气流；Y表示物理模型中烟道的深度方向；X、Y分别表示该方向上的测量点)。

图7 CO质量浓度实验测量图

图8 速度实验测量图

图9为不均匀喷氨系统在SNCR+SCR耦合脱硝改造应用后示意图。

图9 均匀喷氨系统在SNCR+SCR耦合脱硝改造应用后示意图

3.4效果评估

(1) 1号、2号炉改造后，完成了各负荷工况下氮氧化物质量浓度超低排放测试，均达45 mg/m3以下。

(2) 脱硝SCR出口烟气流场均匀性大幅改善，氨逃逸控制在0.003‰下。

(3) 尿素水解系统投入自动稳定运行，实现无人值守，实现水解废水零排放。

(4) 经数据统计对比，达标排放条件下，改造完成后干尿素耗量下降约30%，1号锅炉在NOx质量浓度超低排放条件下(50 mg/m3)，尿素总耗量较未改造前NOx质量浓度达标排放条件(100 mg/m3)降低12.5%。

图10和图11分别是改造前后SCR出口NOx分布测试数据(单位为mg/m3)。

图10 改造前SCR出口NOx分布

图11 改造后SCR出口NOx分布

该公司采用尿素水解技术实现尿素制氨，通过在原SNCR+SCR耦合脱硝系统基础上在高温省煤器上方增加喷氨格栅，很好地解决了SNCR脱硝系统一直以来存在的氨氮分布严重不均匀问题，SCR脱硝效率低、氨逃逸大带来的尾部受热面堵灰问题，实现了锅炉烟气NOx排放质量浓度小于50 mg/m3。

4 结语

通过尿素水解，增加SCR梯度不均匀喷氨系统，首次实现了尿素水解制氨在SNCR+SCR耦合脱硝系统上的超低排放改造，解决了SNCR脱硝系统一直以来存在的氨氮分布严重不均匀、SCR脱硝效率低及氨逃逸多带来的尾部受热面腐蚀堵灰的问题，提高了脱硝运行的安全性和可靠性，充分发挥了SNCR不需催化剂在炉内脱硝的优势。

[1] 郭伟, 崔宁. 尿素热解制氨SCR脱硝技术在电厂的应用与优化[J]. 锅炉技术, 2012, 43(3): 77-80.

[2] 段传和, 夏怀祥. 选择性非催化还原法(SNCR)烟气脱硝[M]. 北京: 中国电力出版社, 2012.

[3] 周昊. 宜兴华润热电有限公司超低排放可行性研究报告[R]. 宜兴：宜兴华润热电有限公司，2015: 18-38.

[4] 彭代军. 锅炉烟气脱硝尿素热解与水解制氨技术对比[J]. 能源与节能, 2014(1): 188-189, 192.

[5] 张弛. 烟气脱硝中尿素法制氨工艺比较[J]. 化学工业与工程技术, 2014, 35(6): 35-39.

ApplicationofNon-uniformAmmoniaInjectionSysteminHybridSNCR+SCRDenitrificationProcess

Liang Cunjing, Zhang Zhancheng, Huang Guoqiang

(Yixing China Resources Thermal Power Co., Ltd., Yixing 214205, Jiangsu Province, China)

To overcome the obvious shortcomings of uneven NH3-NOxdistribution in selective non-catalytic reduction (SNCR) flue gas, and taking full advantages of SNCR system that does not require catalyst during denitrification, a hybrid SNCR+SCR denitrification process was proposed by adding a non-uniform ammonia injection system. The advantages and disadvantages of urea hydrolysis and pyrolysis for ammonia production were compared and analyzed. The ammonia injection grid was optimized by experimental study, with focus on the applicability of the ammonia injection system. The effect of hybrid urea hydrolysis for ammonia and SCR non-uniform ammonia injection system in industrial application was analyzed. Results show that the the NOxremoval efficiency could be significantly improved by coupling the urea hydrolysis for ammonia with the hybrid SNCR+SCR denitrification system, thus solving the problem of uneven NH3-NOxdistribution.

non-uniform ammonia injection system; urea hydrolysis; SNCR; denitrification; ultra-low emission

2017-01-12；

2017-02-28

梁存敬(1965—)，男，工程师，研究方向为烟气脱硝、脱硫、除尘系统分析改造与优化。E-mail: 13921311379@qq.com

TK224.1

A

1671-086X(2017)06-0433-05