煤泥循环流化床锅炉SNCR脱硝系统的优化措施研究

赵 强，向 轶，张玉洋，冷 健，陈艳艳

（1.西安航天动力研究所，陕西西安710100；2.西安航天源动力工程有限公司，陕西西安710100）

随着大气污染物超低排放标准的全面实施，火电及非电行业的环保压力进一步加大。选择性非催化还原法（SNCR）是一种工艺成熟的烟气脱硝技术，与选择性催化还原法（SCR）相比，具有投资少、工期短、结构简单的特点，常用于循环流化床锅炉上。但SNCR单独投运时脱硝效率不高，约30%～50%，因此常与低氮燃烧技术联合使用[1]。烟气再循环是一种常见的低氮燃烧技术，其原理是把一部分炉膛尾气返回配风系统，重新进入炉膛，降低燃烧温度和氧气浓度，减少氮氧化物NOx生成量[2]。近年来SNCR 与烟气再循环联用的技术发展迅速，已有相关的研究成果和应用业绩。煤泥是煤炭洗选的副产品，具有高水分、高灰分和低热值的特性，利用价值低，给环保工作带来巨大压力。本文将煤泥用于循环流化床锅炉的燃烧发电，并通过整套启动调试及168 小时试运行数据研究SNCR 与烟气再循环联用时的脱硝效率影响因素，提出工艺优化思路，为煤泥循环流化床锅炉的应用提供参考。

1 运行状况及工艺参数

1.1 锅炉基本情况

某电厂现有3 台在运行循环流化床锅炉，燃料为选煤厂原始煤泥掺水搅拌后得到的31%含水量的煤泥，原始煤泥的煤质分析如表1所示。3台锅炉长期在中负荷下运行，表2为在全烧煤泥时的锅炉运行参数。在锅炉的排烟口设置有CEMS用于测量NOx的排放浓度。

1.2 SNCR系统

本文采用SNCR 脱硝工艺，还原剂为浓度10%～15%的氨水，包括氨水存储系统、氨水输送系统、喷射系统、雾化风系统、控制系统和在线监测系统。对于喷射系统，1#锅炉在炉膛出口处的旋风分离器筒壁布置8支喷枪，2#锅炉同样在旋风分离器筒壁布置6支喷枪，4#锅炉在炉膛水冷壁上布置8 支喷枪，如图1 所示。喷枪均为气力雾化式。

表1 原始煤泥的煤质分析

表2 锅炉运行参数

图1 三台锅炉的喷枪布置点

本次SNCR 项目调试及试运行的目标是，在投运烟气再循环的状态下，通过调试SNCR 系统的运行参数，为制定循环流化床锅炉的操作规程提供依据，使系统在稳定运行时NOx的浓度降到100 mg/m3（标准）以下。

2 调试及运行数据分析

2.1 SNCR系统调试数据分析

在SNCR 脱硝系统安装完成后，进入整套启动调试过程，具体操作步骤为：在锅炉负荷60%以上、运行稳定的情况下，先投入SNCR系统；再根据炉膛氧量调整一次风、二次风和烟气再循环风量，系统稳定后逐步调节喷氨量，得到多组调试数据，如表3 所示。基于这些调试数据，可以研究多种工艺参数对脱硝效率的影响，为煤泥循环流化床锅炉SNCR 脱硝系统的优化措施提供理论依据。

表3 SNCR系统整套启动调试数据

1）氨氮摩尔比对脱硝效率的影响

氨水作为还原剂，其供应量与总脱硝效率DΣ直接相关，评价指标采用氨气NH3与NOx摩尔量比值NH3/NOx，即氨氮摩尔比NSR，mol/mol。NOx中95%以上是NO，故SNCR脱硝的主要反应为[3]

根据式（1），理论上当NO 被完全消耗时，NSR=1，实际上由于混合不均、副反应等原因，工程应用中需要NSR＞1 才能保证较好的脱硝效率，通常NSR 取值范围为1～1.85[4]。本次调试中，除4#炉-7 工况外，NSR 值对脱硝效率D的影响见图2。

如图2所示，以1#、4#炉为例，对同一台锅炉，随着NSR 值的增大，D均呈现出升高的趋势，即反应物NH3相对浓度的增大能促使式（1）中正反应的进行。这种升高趋势主要表现为以下两个特征：

（1）在NSR 相对较低时（NSR≤1.2），随着NSR 的增大，脱硝效率D提升速度较快，即在此区间内NSR是影响脱硝反应的主要因素，此时提高氨水供应流量对改善脱硝效果较明显；当NSR＞1.2时，D提升速度相对放缓，即NSR 的影响效果减弱，要想进一步提升D，需要对其他参数进行调节。同时NSR越大，氨逃逸情况也会越严重，造成二次污染，因此需选择合适的NSR值。

图2 NSR值对SNCR脱硝效率D的影响

（2）在D≤65%时，通过提高氨水供应量，即增大NSR 的方法可以迅速提升D值；但当D＞65%后，随着NSR的增大，对D提升速度相对放缓，即当D达到相对较高的水平后，继续靠提高氨水供应量的方法对改善脱硝情况的效果逐渐减弱。该结论也可以间接说明，SNCR 技术适用于NOx浓度相对较高的工况，对于NOx初始排放浓度相对较低的工况，不建议将SNCR 作为主要脱硝手段。

综上所述，认为对于全烧煤泥的循环流化床锅炉，当NSR≤1.2、D≤65%时，增加氨水供应量可以迅速提高脱硝效率，高于这两个临界值后，单纯通过增加氨水供应量的办法对提升脱硝效果的作用逐渐减弱，氨水量增加反而可能带来严重的氨逃逸。

2）反应温度对脱硝效率的影响

SNCR的脱硝效果与反应温度密切相关，使用氨水作为还原剂时，其最佳反应温度为850～950 ℃[5]。调试中还研究了反应温度对脱硝的影响，表3中4#炉-6、4#炉-7两个工况，反应温度分别为908 ℃和844 ℃，在其他参数大致相同的情况下，发现4#炉-7的脱硝效率明显低于4#炉-6，即反应温度从908 ℃降至844 ℃时，D降低了6.42%，对SNCR 的运行是非常不利的。因此需要将反应温度控制在最佳温度区间。

此外，对比4#炉-5、4#炉-7两个工况，发现虽然4#炉-5 的NSR 值低于4#炉-7，但其反应温度更高，处于最佳温度区间，因此D比后者高2.8%。这一结论表明，对SNCR 脱硝系统，反应温度是影响脱硝效率的关键因素，在实际运行中，当SNCR的反应温度低于最佳区间时，单纯采用增加氨水供应量的方式并不能获得很好的补偿效果。

3）喷枪布置点对脱硝效率的影响

SNCR 喷枪的布置点位置直接关系到脱硝反应的温度、NH3和烟气的混合均匀度、反应区域NH3的浓度等，影响脱硝效率。以1#炉和4#炉为例，两者额定蒸发量相同，锅炉结构基本相同，但两台锅炉的喷枪布置点不同，造成最终脱硝效率有较明显的差异。根据图2中的数据，发现1#炉的D值均高于4#炉，且一直处于很高的水平，接近SNCR 的上限。分析原因，主要有以下两点：

（1）1#炉的8支喷枪布置在旋风分离器筒壁，烟气在进入旋风分离器后扰动强烈，NH3可以在极短时间内就与烟气混合均匀，强化了氨水的雾化效果和氨氮的反应速率，从而使D保持在较高水平。而4#炉的8支喷枪布置在炉膛水冷壁上，循环流化床锅炉炉膛内的扰动情况远低于旋风分离器，造成NH3和烟气的混合均匀度低于1#炉，D也相对较低。

（2）1#炉旋风分离器的横截面直径为3 000 mm，而4#炉的炉膛横截面尺寸为3 370 mm×5 470 mm，在其他参数相差不大时，旋风分离器空间更小，有利于雾化后的氨水覆盖整个横截面；炉膛的空间相对较大，氨水不能完全覆盖整个横截面，可能会出现NH3在炉膛内浓度分布不均的情况，与烟气不能均匀混合，导致脱硝效果不佳，氨逃逸加剧。

结合1#炉和4#炉的脱硝反应温度进行分析，发现1#炉的反应温度（852 ℃）要明显低于4#炉（908 ℃），但两者都在最佳反应温度区间内，根据文献资料和运行经验，在低于940 ℃的范围内，理论上反应温度越高则脱硝效果越好[6]，而实际上4#炉的D相对更低，也说明此时NH3和烟气的混合均匀度对D的影响权重要高于反应温度。因此可得出结论，在满足最佳反应温度区间的前提下，强化NH3和烟气的混合情况比提高温度更能促进脱硝效果，也建议在实际工程设计中将氨水喷枪布置在旋风分离器筒壁上。

4）氨水雾化情况对脱硝效率的影响

氨水的雾化情况直接影响到NH3产生速率和NH3与烟气的混合情况，本文采用气力式喷枪，其雾化性能与雾化空气压力相关。为研究氨水雾化情况对脱硝效率的影响，对3 台锅炉采用了不同压力的压缩空气作为雾化空气，如表3 所示。根据表中的数据，发现2#炉的雾化空气压力处于较低水平，未达到设计文件中0.3 MPa 的最低要求，因此在运行时2#炉的喷枪雾化效果很差，喷出的氨水甚至呈水柱状直接喷射到旋风分离器的内筒壁上，不能达到NH3与烟气均匀混合的目的。表3 中的数据也显示，虽然1#炉和2#炉的喷枪都布置在旋风分离器筒壁上，且2#炉的NSR 值更高，但2#炉的D值明显处于较低水平。

根据运行一段时间后的现场检修情况显示，2#炉的炉膛出口温度为860 ℃，高温烟气将旋风分离器的筒壁加热到近800 ℃，未充分雾化的氨水直接喷射到旋风分离器钢制内筒上时会迅速造成明显的腐蚀甚至炸裂，严重缩短旋风分离器的使用寿命。因此在设计和运行中，为强化NH3与烟气的混合效果，应至少保证喷枪的雾化空气压力不低于0.3 MPa，尽可能保持在0.4～0.6 MPa，以提高脱硝效率，减少氨水对设备的腐蚀。

5）烟气含氧量和烟气再循环对脱硝效率的影响

在NH3还原NO的同时，也会发生NH3在高温下被氧化的副反应：

即烟气含氧量过高会降低脱硝效果。同时为了抑制燃料型NOx的产生，在满足锅炉负荷稳定的前提下，应尽量降低烟气的含氧量。分析表3 中1#炉和4#炉的数据，发现两台锅炉的烟气含氧量均偏高，尤其是4#炉，这对低氮燃烧、SNCR 脱硝的正常工作都可能产生不利影响，因此在运行时需要注意将烟气含氧量控制在较低水平。

本文中的3 台锅炉均设置了烟气再循环，并对4#炉投运前后的烟气含氧量、脱硝效率进行了研究。根据表3中4#炉-3、4#炉-4两组数据，发现在其他参数不变时，投运烟气再循环后含氧量从14.6%降至13.2%，D也从63.64%上升至67.50%，效果显著。1#炉在投运烟气再循环后，D也一直保持在很高的水平，最高达到85.53%。因此建议在循环流化床锅炉全烧煤泥时，同时投运SNCR 脱硝和烟气再循环，以获得较好的脱硝效果和较低的NOx排放浓度。

2.2 SNCR系统168小时运行数据分析

对3 台循环流化床锅炉的SNCR 系统进行了168小时的整机试运行，此次试运行的工况在调试数据的基础上，结合NOx排放量＜100 mg/m3（标准）的目标，进行了以下优化：

（1）适当提高氨水供应量，维持较高的NSR值；

（2）喷枪的雾化空气压力均保持在0.4 MPa以上；

（3）3台锅炉均投运烟气再循环，尽可能降低烟气含氧量。

SNCR 脱硝系统从第1 天早上8：00 开始进入整机试运行，到第8天早上8：00结束，在168小时运行期间，锅炉和脱硝系统均运行稳定，数据记录见表4。

表4 SNCR系统168小时试运行数据

分析表4中的数据，发现3台锅炉的NOx排放浓度都降至（标准）100 mg/m3以下，平均78.27 mg/m3，达到了设计目标。同时总脱硝效率为77.38%～82.37%，平均值80.10%，已接近SCR的脱硝效率。与调试期间相比，3台锅炉的烟气含氧量也有所降低。由此说明基于本文中调试数据的优化思路是正确的，采用烟气再循环与SNCR联合的工艺路线可以获得很好的脱硝效果。

但此次168 小时的试运行仍存在可以改进的地方：

（1）1#炉由于运行参数控制没有达到最优，导致炉膛出口温度只有802 ℃，低于850～950 ℃的最佳范围，所以即使将NSR值提高到2.03，高于调试中的最高值1.28，但脱硝效率仍低于调试时的结果，也再次说明当反应温度低于最佳范围时，单纯采用增加氨水供应量的方式并不能获得很好的补偿效果。

（2）2#炉将雾化空气压力从调试时的0.24 MPa提高到0.48 MPa，在其他参数大致相近时，脱硝效率从调试的最高值44.66%提升至82.37%，效果明显。但在试运行时NSR值为2.97，仍高于正常水平，说明可能产生氨逃逸。为了减少二次污染，并保证脱硝效率，可以考虑适当减少氨水供应量，同时提高反应温度。

3 结 论

煤泥循环流化床锅炉SNCR 脱硝的整套启动调试和168小时试运行数据说明，采用SNCR与烟气再循环联合的工艺路线可以将总脱硝效率提高到80%以上，具有很好的应用前景，得出的数据可以为工程实践提供参考，具体如下：

（1）当氨氮摩尔比NSR≤1.2、脱硝效率D≤65%时，通过增加氨水供应量的办法可以迅速提高脱硝效率，但在高于这两个临界值后脱硝效率的提升速度逐渐降低，氨水量的增加反而可能带来严重的氨逃逸。

（2）SNCR应尽可能在850～950 ℃的最佳反应温度区间内运行，反应温度低于此区间时，单纯采用增加氨水供应量的方式并不能获得很好的补偿效果。

（3）在满足最佳反应温度区间的前提下，强化NH3和烟气混合的均匀度比提高温度更能促进脱硝效果，因此应尽量将氨水喷枪布置在旋风分离器筒壁处。

（4）应至少保证喷枪的雾化空气压力不低于0.3 MPa，尽可能保持在0.4～0.6 MPa，以强化喷枪的雾化能力，提高脱硝效率，减少氨水对设备的腐蚀。

但同时应该看到，本文中的3 台煤泥循环流化床锅炉最终排放浓度仍然在50 mg/m3（标准）以上，为了达到超低排放标准，除了继续对原有的工艺参数进行优化，还可以考虑再增加一套SCR脱硝系统，此时由于进入SCR系统的NOx浓度较低，对SCR的催化剂用量、设备规模要求也大幅降低，即SNCR+SCR 联合方案的总体投资成本仍然低于只设置SCR 的方案，具有很好的经济性。