浅析SNCR脱硝在中小型燃煤链条锅炉中的应用

2023-01-19＊吴海

当代化工研究 2022年12期

＊吴海

（兰州有色冶金设计研究院有限公司甘肃 730099）

前言

2014年5月15日，我国发布了《锅炉大气污染物排放标准》（GB 13271-2014），提高了65t/h以下的中小型燃煤锅炉的氮氧化物的排放标准。因此，自“十三五”以来，大批县市供热单位对所在地区的中小型链条锅炉进行SNCR脱硝改造，运行效果良莠不一，本文即针对中小型燃煤链条锅炉SNCR脱硝改造技术加以论述。

1.SNCR工艺概述

(1)SNCR工艺原理

SNCR脱硝技术即选择性非催化还原（Selective Non-Catalytic Reduction）技术，是一种不用催化剂，在850～1100℃的温度范围内，将含氨基的还原剂（如氨水、尿素溶液等）喷入炉内，将烟气中的NOx还原脱除，生成氮气和水的清洁脱硝技术。以尿素还原NOx的主要反应为：

2NO+CO(NH2)2+1/2O2→2N2+CO2+2H2O

SNCR脱硝系统主要包括储罐、加压泵、混合系统、分配与计量调节系统、喷雾系统及其控制系统等组成。

(2)SNCR技术特点

各地对用于中小燃煤链条锅炉的煤质都有要求，对其氮含量都有不同的限制要求，根据多地链条炉烟气排放数据调查，中小型燃煤链条锅炉的氮氧化物烟气浓度在100～300mg/m3之间，而新建锅炉氮氧化物的浓度限值在100mg/m3以下，因此，多数情况下，只要SNCR脱硝效率在30%左右，即可满足锅炉大气污染物排放标准的要求[1]。而SNCR的脱硝效率在15%～50%之间，其效率因工况变化有所不同，因此，SNCR技术可以应用于中小型燃煤链条锅炉。SNCR具有以下技术特点：

①设备简单投资低，SNCR脱硝系统工艺简单，设备较少，且由于氨与氮氧化物的摩尔比接近于1，可知烟气脱硝时还原剂用量较少，所以，储罐、泵等设施设备占地规模都比较小，这也直接决定了项目投资不会过高，这对经济条件有限的广大北方地区进行脱硝改、扩建意义深远。

②还原剂来源广泛，SNCR还原剂主要包括尿素、液氨和氨水，在中小型燃煤链条锅炉中，尿素是应用最广泛的一种还原剂，因为其价格便宜、安全性高，且市场来源广泛，不似液氨或氨水具有腐蚀性和易燃易爆特性，属于危险化学品，购置渠道较少。

③反应温度区间大，理论上，氨与氮氧化物在850～1100℃的区间内即可进行反应，但在实际运行过程中，中小型燃煤链条炉是很难做到850℃以上的运行温度的，多维持在650～800℃之间，而北方很多县市，供暖时12:00～14:00及0:00～2:00会停炉，届时炉温甚至不到400℃。尿素热解为氨的温度区间为350～650℃，因此，锅炉在正常运行时，是可以满足热解产生氨的温度需求的，但是却难以达到氨与氮氧化物良好反应的温度区间，这也导致了SNCR在中小型燃煤链条锅炉中效率较低的直接原因。但是，在实际运行、调试过程中，我们发现温度区间在650～800℃时，SNCR脱硝效率在10%～15%左右，可以去除部分氮氧化物的，这对于本身煤质较好，且需要进一步提标改造的脱硝项目，是具有一定的借鉴意义的[2]。

④改造方便，SNCR技术是通过炉内喷还原剂进行脱硝的，因此，改造过程中，最关键的是在合适的温度区间安装一定数量的喷枪，喷枪数量和规格根据废气量、氮氧化物的浓度及排放要求进行核算即可。

2.链条锅炉床层燃烧特性分析及污染物控制要求

(1)链条锅炉燃烧特性分析

中小型燃煤链条锅炉是以床层为组织方式的燃烧形式，其运行原理是燃料在进入燃烧炉仓后，会随链条炉排向前移动，在煤层上部煤闸门阻挡作用下形成均匀分布状态，炉膛部位的煤层在上部高温烟气等热辐射作用下，基于蒸发、挥发、着火及焦炭燃烧等流程，实现热量由上至下的传递。在链条炉排向前系统时，会形成数个倾斜的反应层界面，最终达到完全燃烧目的。在燃烧过程中，焦炭燃烧是热量的主要来源，但是存在大颗粒时，焦炭反应性会明显降低，不仅燃烧效率低下，同时也会带来较为明显的污染现象[3]。基于燃烧原理，燃烧效果主要受温度、停留时间、可燃物与氧气混合水平三个方面因素影响，在燃烧不完全时，会造成明显的不完全燃烧热损失、机械不完全燃烧热损失和排烟热损失。

对链条锅炉燃烧特性进行精准分析，燃烧效果控制影响因素主要包括如下方面：

①炉拱，在锅炉系统中，炉拱能够起到引燃、保温促燃和加强气体混合三个方面作用。在煤质较好的情况下，可以采用无拱或短高炉拱方式，但是在煤质较差时，只能采用长炉拱方式。

②配风方式，在不同床层阶段，可以根据燃煤特性合理确定配风时间，优化配风方式，在燃烧旺盛区域，则应当合理加大配风量。

③煤层厚度，主要是根据不同煤种的挥发分、灰分含量和颗粒大小等，合理确定煤层厚度，以确保燃烧效果和安全。

④炉排速度，在锅炉负荷发生变化时，则可以通过调整炉排速度，确保负荷保持较低水平，提升燃烧热效率。

⑤煤颗粒粒径，粒径过大或过小，均会对燃烧效率产生影响，应当在综合考虑焦炭反应性、灰层散阻力及飞灰未燃尽损失等方面要求，合理确定粒径分布。

⑥燃煤含水量，更为适当比例的含水量，能够确保良好的热量传递效果，增加细煤之间的团聚力，减少飞灰和漏煤损失，有效改善燃烧效果。

⑦过量空气系数，在锅炉运行中，受多方面因素影响，实际供给总风量通常偏大，使得燃煤与空气的混合不够充分，进而产生燃烧不完全现象。因此通过合理控制空气系数，能够更好的提升燃烧效率，进而达到良好的燃烧效果。

做好链条锅炉燃烧特性影响因素分析，是明确污染物控制重点，对SNCR问题进行深化研究，对SNCR脱硝系统进行优化调整的关键支撑。

(2)链条锅炉污染物控制要求

链条锅炉污染物的产生，主要以氮氧化物（NOx）为主，实际表现为燃烧过程中会出现不同程度的冒黑烟现象，这也是SNCR脱硝系统应用和处理的主要方面。NOx析出主要包括NO和NO2两种物质，两者比例约为95:5，但是由于NOx析出机理尚不够明确，因此只能够分析其生成途径，也给脱硝系统设计带来一定困难。基于不同地区污染防控标准，对NOx的排放标准界定要求也有所不同。以北京市为例，新建、扩建、改建锅炉标准为100mg/m3以下，在用锅炉不同时段标准为100mg/m3和250mg/m3两种标准[4]；上海市300MW以下现有燃煤锅炉标准为50～150mg/m3；山东省规定在不同时段最高允许排放标准为50～100mg/m3；重庆市相关标准则界定为200mg/m3之间，新建锅炉为80mg/m3。基于多数地区中小型燃煤链条锅炉运行现状，脱硝系统改造难度较大，需要进一步强化相关技术改进，确保污染物排放达到规定要求。

3.SNCR问题探讨

(1)燃煤链条锅炉脱硝技术设计基本准则

国家相关规范要求中，对于脱硝技术设计提出明确规定，设计工作开展主要遵循如下方面要求：①脱硝效率要求在80%以上的机组，首选SCR脱硝工艺；②机组容量为600MW等级及以下，脱硝效率等于小于40%，则可以选用SNCR脱硝工艺；③脱硝效率要求在60%～80%之间的机组，则需要综合考虑各方面因素，选用SCR脱硝或混合工艺。在选择混合工艺时，需要根据实际情况确定SCR装置位置，合理确定整体架构方式[5]。④还原剂主要是液氨或尿素为主，在具体选择时，需要综合考虑技术、经济、安全评价要求，达到系统平衡。

(2)燃煤链条锅炉燃烧污染物排放超标基本表现

基于部分燃煤链条锅炉运行现状，在燃烧启动时，最为容易出现污染排放超标问题，主要表现为冒黑烟现象。在煤完全燃烧时，烟气成分主要为二氧化碳、氧气、水及少量氮氧化物，由于上述多方面因素影响，在燃烧不完全时，则会出现较为显著的冒黑烟现象。在燃烧时碳氢化合物挥发量明显增加，并在进入炉膛后经过复杂反应而形成碳黑，碳黑不仅难以达到完全燃烧要求，还会对人类健康和环境保护产生负面影响。在锅炉SNCR脱硝技术改造中，重点关注这方面问题，是技术改造的重点问题。

(3)传统SNCR脱硝控制系统运行问题

在环保考核标准不断提高背景下，SNCR脱硝系统NOx排放标准普遍要求控制在50mg/m3以下，多数企业在没有进行技术改造情形下，难以达到标准要求，在控制系统运行中，主要存在如下方面问题：①自动化运行水平低，部分还是以手动控制为主，原因主要在于机组现有DCS控制策略较为简单，无法满足NOx浓度复杂变化处理要求，控制系统运行滞后。②传统CEMS取样系统较为简单，单点取样的测量值缺乏系统运行代表性，无法满足动态调节要求。③SNCR控制策略主要是以反馈控制为主，无法综合反馈锅炉内燃烧因素，会导致控制系统振荡，控制效果欠佳。

4.SNCR脱硝在中小型燃煤链条锅炉中应用优化

(1)优化思路

基于现有工艺运行体系，对SNCR脱硝系统优化，主要从以下方面着手：①工艺简化，对于氮氧化物排放标准要求较低的区域，可以简化工艺流程，达到降低成本和运维方便的目的。A.合并尿素储罐和尿素溶解罐，将尿素配制成合适的浓度，以便直接使用；B.利用配置好的尿素溶液，取消静态混合器，无需再混合尿素和除盐水进行浓度稀释和调配。②材质优化，针对不同的环境、项目特征和投资成本，选择不同材质的管道、储罐，可采用低密度聚乙烯材质储罐，以达到节约成本、便利施工的目的[6]。③设备集成，SNCR设备的一些元件，包括阀门阀件、仪器仪表都可以集成安装到一起，既方便检修，同时外形也美观。例如分配模块的电磁流量计、电动调节阀、转子流量计、针型阀、压力开关等都可以集成为计量分配柜，置于锅炉附近，便于操作人员巡检及设备现场管理。

(2)混合取样改造方案

取样优化改造是确保烟气参数测量更加精准，确保喷氨总阀调节更加灵活的改造方法。具体优化方式如下所述：首先是根据系统现有设计形式，将SNCR出口截面均匀划分为网格形式，在网格中心布置取样点并利用取样管引至烟道外，利用CEMS取样探头，准确测定取样的NOx浓度值。混合取样需在关闭反吹控制阀状态下进行，在取样完成后，重新打开控制器进行热风反吹，避免在管路出现积灰现象。通过更加精准的取样，优化喷氨总阀调节方式。

(3)基于MPC的脱硝控制优化

该方案思路是以控制烟囱入口净烟气环保考核点NOx浓度值为核心，结合省煤器出口浓度值控制，实现综合控制目的。在控制系统运行中，由于净烟气NOx浓度值控制延迟性较强，与烟囱入口NOx浓度值存在偏差，并且稳定性不足。因此在对脱硝控制系统进行优化时，必须在明确上述控制要求基础上，综合考虑锅炉内氧含量的前馈作用，并构建系统控制系统，以降低NOx浓度值的波动幅度，提升控制系统运行精准度。

脱硝控制系统优化，主要是将PID控制器替换为MPC控制器，有效解决原有控制系统中存在的滞后问题。在MPC控制器作用下，能够将喷氨过量调节方式，转变为不过量或少过量提前调节，确保氨水用量与烟囱入口NOx变化保持一致，有效控制由于控制系统数据滞后引起的振荡现象，实现提前控制。

(4)SNCR脱硝系统炉内氧含量的优化

在SNCR控制系统运行中，如NOx浓度较为平稳，则SNCR脱硝系统能够达到较好的控制效果，但是在氧含量出现明显波动，并且机组管理人员没有进行对应控制情形下，则会使得控制效果欠佳，NOx浓度产生剧烈波动，产生较为明显的氨逃逸和污染现象，对周边环境产生明显污染。因此在系统优化过程中，可以对一次风量、二次风量、总煤量等各个参数进行采集，分析不同参数作用条件下省煤器出口氧含量的具体变动，以此明确氧含量与NOx浓度波动变化趋势对应关系。以分析结果调整喷氨总阀作业状态，确保在各种工况下氧含量变动与工况负荷水平保持一致，进而达到良好的控制效果。

(5)中小型燃煤链条锅炉脱硝系统改造要点

基于SNCR脱硝技术的燃煤锅炉改造，已经成为当前电力、热力等行业锅炉系统技术改造的重要形式，对提升污染防控水平具有重要的促进意义，但是在改造过程中，还应当关注以下方面要点：①改造设计的系统性。SNCR脱硝技术改造应用，需要涉及锅炉系统运行的各个环节，受多方面因素影响，改造工作难以直接到位，因此在进行改造设计时，应当在确保当前控制目标达成的前提下，为后续技术优化奠定良好基础，确保锅炉污染防控水平不断提升。②成本与效益统一。技术改造必然会产生运行管理成本增加，因此在进行技术改造时，需要重视经济效益和生态效益的同步实现，确保污染防控效果达到最优化水平。③技术改造安全控制。燃煤锅炉运行中，安全管理是最为重要的方面，在技术改造过程中，必须分析SNCR脱硝系统运行产生的新型隐患，强化安全教育，确保安全管理措施落实到位。