CFB鍋爐SNCR脫硝技術研發

張定海，張 芳，吳繼品，韋 耿，毛 宇，周 棋，葉 茂

（1.東方鍋爐股份有限公司，成都611731； 2.江蘇徐礦綜合發電利用有限公司，徐州221011）

隨著環保要求越來越嚴格，不僅新建機組需要同步建設脫硝裝置，老機組也要進行脫硝改造。由于SNCR脫硝技術設備系統簡單、造價相對低廉，不存在反應器堵塞等問題，因此在CFB鍋爐上的應用具有一定優勢。

1 CFB鍋爐SNCR脫硝過程模擬研究

CFB鍋爐SNCR過程模擬的難點主要有幾個方面［1］：

（1）尿素或者氨水溶液在爐內蒸發熱解的準確模擬。

（2）尿素-SNCR過程的化學動力學機理。

（3）CFB鍋爐旋風分離器流場的準確把握。

商業化CFD軟件fluent為CFB鍋爐旋風分離器流場及粒子追蹤模擬提供了手段，目前CFD軟件已經廣泛地使用于指導研發、設計、調試以及改造中。

CFB鍋爐旋風分離器不同工況下氮劑的擴散及反應模擬結果見圖1。

由圖1可以明顯地看出：旋風分離器出口氮劑和煙氣的混合效果非常好。通過SNCR過程模擬可計算出脫硝效率和氨逃逸率，并對CFBSNCR技術進行優化，使脫硝效率達到60%以上。

圖1 不同工況下還原劑的擴散效果圖

2 CFB鍋爐SNCR脫硝技術試驗研究

2.1 試驗裝置

3MW CFB鍋爐SNCR試驗臺配置有：氮劑儲罐、攪拌器、計量泵、分配器及噴射器等。計量泵采用柱塞式計量泵，其行程可在0～100%無級調節，泵的流量為100L／h，泵的材料選用316L，泵前配置過濾器，泵后配置背壓閥、流量計，管子選用Dn＝15mm。

試驗臺主要設計參數見表1。

表1 CFB-SNCR試驗臺設計參數

2.2 試驗內容

試驗內容如下：

（1）不同噴射位置對脫硝效率及氨逃逸率的影響。

（2）最佳噴射位置下不同氨氮比（NSR）對脫硝效率及氨逃逸率的影響。

（3）不同霧化噴槍對脫硝效率的影響。

（4）旋風分離器區域不同溫度對脫硝效率及氨逃逸率的影響。

（5）鍋爐負荷對脫硝效率及氨逃逸率的影響。

2.3 試驗結果

通過不同位置及噴槍形式的優選，確定出最佳的噴射位置及噴槍形式。在最佳噴射位置及噴槍形式的基礎上進行了3個不同NSR工況下的脫硝效率及氨逃逸率的測試。NOx質量濃度變化曲線見圖2。

圖2 不同工況下NOx質量濃度變化曲線

各工況下NOx質量濃度m（NOx）的變化值、脫硝效率及氨逃逸率見表2。

表2 各工況氨逃逸測試值

由表2可見：CFB鍋爐采用SNCR技術雖能達到60%以上的脫硝效率，但是隨著脫硝效率的增加，氨逃逸率也相應地有所增加。

3 CFB鍋爐SNCR脫硝技術工程應用

將SNCR技術應用于江蘇徐礦綜合發電利用有限公司2臺300MW CFB鍋爐上，還原劑為尿素。

3.1 SNCR技術工藝系統

3.1.1 尿素溶液制備系統

運送至現場的袋裝顆粒尿素儲存在尿素儲存間中，經電動葫蘆吊裝送入尿素溶解罐，使尿素充分地溶解在按比例補充的新鮮除鹽水中，配制成質量分數為40%～50%的尿素溶液。溶解罐中除鹽水通過蒸汽加熱維持在40～50℃，溶解罐設置有攪拌器。溶解罐中的尿素溶液通過尿素溶液泵送入尿素溶液儲罐中。

3.1.2 尿素溶液稀釋與計量系統

尿素溶液通過循環泵先在本系統進行稀釋及尿素溶液計量，根據鍋爐負荷調節尿素溶液供應量，多余的尿素溶液返回尿素溶液儲罐。本系統入口設置稀釋水壓力調節閥，以保證入口稀釋水壓力變化時泵的出口壓力仍保持恒定，從而保證噴槍入口的尿素溶液壓力，達到要求的噴射效果。

來自廠區除鹽水母管的除鹽水經稀釋水箱穩壓后再接至稀釋水泵。稀釋水泵出口的兩條稀釋水管路分別與尿素供液泵出來的兩條尿素溶液管路連接，尿素與除鹽水通過靜態混合器混合后配置成質量分數為10%～20%的溶液，并輸送至鍋爐區域作還原劑使用。

尿素溶液稀釋與計量系統通過尿素溶液線和稀釋水線的流量控制閥，以及手動閥門、壓力調節閥自動調節進入每個鍋爐注入區域的尿素溶液質量分數和流量，以響應煙氣中NOx的質量濃度、鍋爐負荷和燃料量的變化。

3.1.3 尿素溶液分配和噴射系統

尿素溶液通過稀釋與計量之后進入分配系統，由分配系統分配到各個旋風分離器SNCR噴槍區域。在鍋爐不同負荷下，選擇煙氣溫度處在最佳反應區間的噴射區噴入還原劑。噴射區域的位置和噴槍的設置通過對旋風分離器溫度場、煙氣流場、還原劑噴射流場、化學反應過程的精確模擬確定。

還原劑在旋風分離器內的停留時間一般大于0.5s。根據不同負荷狀況對噴嘴的幾何特征、噴射的角度和速度、噴射液滴直徑進行優化，通過改變還原劑擴散路徑，達到選定最佳停留時間的目的。

還原劑噴射系統的設計能適應鍋爐在最低穩燃負荷工況和BMCR之間的任何負荷下的安全連續運行，并能適應機組負荷變化和機組啟停次數的要求。

還原劑噴射系統設置12根噴槍，用于擴散和混合尿素霧滴。噴槍采用墻式噴槍噴射器。

噴射器由于處于高溫和高煙塵的環境中，易因磨損和腐蝕導致損壞，因此噴射器選用耐磨、耐腐蝕的不銹鋼材料制造。

噴射器的設計參數依據計算機模擬計算結果，并結合鍋爐結構而確定，向每個噴射器提供壓縮空氣，以霧化尿素液滴。

從尿素溶液稀釋計量系統出來之后的尿素溶液通過一系列的手動閥門分別接至每根噴槍，調試階段將手動閥門調節至適當位置后不變，保證單個區域內每個噴槍的尿素溶液量相同，尿素溶液管道上設置就地壓力表。霧化空氣系統同樣也通過一系列的手動閥門將壓縮空氣分別接至每根噴槍，調試階段將手動閥門調節至適當位置后不變，保證每個噴槍的霧化空氣量相同，霧化空氣管道上也設置就地壓力表。

通過SNCR過程模擬指導12支噴槍布置位置，達到脫硝效率的最大化。

3.1.4 輔助系統

壓縮空氣站用于提供尿素溶液的霧化介質；系統配置2臺空壓機（一運一備），空壓機排氣流量8m3／min，壓力0.75MPa；設置一個容積2m3的壓縮空氣儲罐；同時接入廠區公用壓縮空氣系統作為備用。

3.2 SNCR脫硝效果

2012年6月2 7日，江蘇徐礦綜合利用發電有限公司2臺300MW CFB鍋爐SNCR煙氣脫硝改造工程實現整套系統試投運，經環保局測試：1號鍋爐NOx質量濃度從190mg／m3下降至30mg／m3；2號鍋爐NOx質量濃度從220mg／m3下降至70mg／m3（見圖3）。

圖3 實例鍋爐NOx質量濃度變化圖

3.3 對鍋爐運行的影響

在SNCR投運時，不斷地向爐膛內噴入質量分數為10%～15%的尿素溶液，噴入量約為1.8～3.0t／h。尿素溶液進入爐膛后，除尿素與NO反應生成CO2／H2O／N2，其中的水分將不發生化學變化，瞬間蒸發后隨煙氣向尾部流動。

整個試運期間，噴水量約2t／h，SNCR系統投運對鍋爐排煙溫度的影響很小，升高1～2K；鍋爐過熱蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度與SNCR系統未投前比較沒有發生明顯的變化，減溫水流量也沒有明顯的變化。實踐表明：SNCR脫硝系統的投入和退出對鍋爐運行的穩定性沒有明顯的影響。運行期間飛灰及爐渣可燃物質量分數與SNCR投入前比較，沒有明顯的變化，說明SNCR的投運對鍋爐燃燒沒有明顯影響。

4 結語

CFB鍋爐因燃料灰分質量分數大、NOx排放質量濃度低等特點，導致實施SCR脫硝技術經濟性不佳，而采用SNCR脫硝技術為最佳。東方鍋爐研發的CFB鍋爐SNCR脫硝系統簡單，維護方便，在工程實施后脫硝效率能夠達到60%以上；同時對鍋爐運行經濟性影響較小，設備可靠。CFB鍋爐采用SNCR脫硝技術，可一步達到最嚴格的環保NOx排放質量濃度限值的要求。

［1］趙立平，曹慶喜，吳少華.NH3選擇性非催化還原NO的化學動力學計算及分析［J］.電站系統工程，2008，24（1）：27-29，32.