選擇性非催化還原法（SNCR）高效脫硝技術在650 MW級W型火焰爐上的應用

陳海杰

摘 要：介紹了以氨水為還原劑，利用選擇性非催化還原法（SNCR）的高效煙氣脫硝技術在某電廠650 MW級W火焰爐上的應用實例。常規SNCR技術脫硝效率比較低，一般情況下，中小型機組的脫硝效率在40%左右，大型機組的脫硝效率在30%左右，而W型火焰爐的脫硝效率在25%以下。對于大型機組W型火焰爐來說，爐膛面積比較大，溫度場復雜，煙氣量大，低氮后NOx含量高，更是給SNCR脫硝技術的實施增加了難度。目前，國內尚無大型機組W型火焰爐SNCR脫硝技術高效率的項目業績。因此，在大型機組W型火焰爐上，要達到高效的SNCR，關鍵在于選擇適宜的溫度區間，并盡可能使煙氣與還原劑充分均勻混合。為了滿足以上關鍵條件，對鍋爐進行CKM&CFD模擬，合理設計，使高效SNCR技術在650 MW級W型火焰爐上取得了良好的脫硝效果，綜合脫硝效率在62.5%左右，且氨逃逸比較低。高效SNCR技術，總體投資費用低，效率一般在38%～75%，不僅能成功運用在大型機組W型火焰爐上，還能作為其他爐型的大型機組超低排放的最佳聯合手段。

關鍵詞：W型火焰爐；煙氣脫硝；SNCR；氨水

中圖分類號：X701.3 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.24.020

隨著我國電力行業的不斷發展，燃煤電廠對煤的需求量不斷增加。在能源日趨緊張的情況下，低揮發分煤和低熱值煤逐漸被廣泛應用于大型電站。由于W型火焰鍋爐采取了煤粉濃縮、分級送風燃燒、長火焰、敷設衛燃帶等技術措施，有效提高了鍋爐的燃煤適應性、低負荷穩態燃燒能力和飛灰燃盡率，在燃料的著火、火焰的穩定和燃料的燃盡方面也有顯著的優勢，所以，它被廣泛應用于我國電站中。

目前，我國引進的各流派W型火焰爐共計100臺左右，鍋爐形勢均為π型爐結構。由于W火焰爐在煤質、爐型和燃燒方式上比較特殊，導致NOx排放濃度較高。現階段，國內現役的大型機組W型火焰爐未進行低氮燃燒器改造的NOx排放量基本在1 000～1 500 mg/Nm3之間，經低氮燃燒器改造后的NOx排放量基本都在800～1 200 mg/Nm3。由此可見，W型火焰爐NOx排放濃度遠高于常規燃燒方式鍋爐的NOx排放水平。為了達到國家超低排放標準，除了采用低氮燃燒器改造外，還可以聯合SCR增容來提高脫硝效率。但是，SCR技術不僅投資比較高，后期更換催化劑費用也高，而且長期穩定在95%以上的脫硝效率難度比較大，仍不能滿足長期超低排放要求。

與SCR增容方法相比，在大型機組W型火焰爐上，在不對鍋爐進行SCR增容的情況下，采用高效SNCR技術，裝置結構簡單，運行可靠，便于維護，且投資費用低，鍋爐整體脫硝效率可達95%以上，實現超低排放。

1 項目概述

某電廠機組為650 MW超臨界燃煤發電機組，鍋爐為北京B&W公司生產的超臨界參數、垂直爐膛、一次中間再熱、平衡通風、固態排渣、全鋼構架、露天布置的∏型鍋爐，采用W型火焰燃燒方式。

經現場考察，電廠原設置有氨區，可以將氨水作為脫硝還原劑，減少初期投資成本。另外，電廠脫硝用氨水含氨量不超過25%，劃分為丙類物質，危險性低，可以制備一定量氨水存儲使用。該工程鍋爐已經過低氮燃燒器改造，改造后產生的氮氧化合物濃度在800 mg/Nm3以內，增設高效SNCR脫硝系統，設計在鍋爐40%～100%BMCR負荷范圍內。當氨逃逸率小于1×10-5時，長期穩定脫硝效率為35%；當氨逃逸率小于9×10-5時，長期穩定脫硝效率大于50%.

2 高效SNCR工藝流程

SNCR法，即選擇性非催化還原法，在適宜溫度范圍內，在無催化劑的條件下，將氨水、尿素等還原劑噴入爐膛與煙氣中氮氧化合物混合，最終生成N2。

不同還原劑的最佳反應溫度區間不同，以氨水為還原劑的最佳反應溫度區間在850～1 175 ℃。

以氨水為還原劑的主要反應如下：

將氨水作為還原劑的SNCR系統，是由氨水制備系統、氨水存儲系統、氨水升壓輸送泵模塊、稀釋水升壓輸送泵模塊、計量稀釋模塊、計量噴射模塊、噴槍等組成的。液氨由廠區管道輸送進氨水制備器中，與混合水在制備器中，制成質量分數為20%的氨水溶液后輸送到氨水儲罐存儲；氨水罐中的質量分數為20%的氨水再通過氨水升壓輸送泵模塊輸送到計量稀釋模塊，稀釋水由廠區水罐通過稀釋水升壓輸送泵同時輸送到計量稀釋模塊，質量分數為20%的氨水和稀釋水在計量稀釋模塊內混合為質量分數為5%～10%的稀氨水。稀釋后的氨水經過計量噴射模塊的精確計量后，分配至每支噴槍。還原劑氨水由噴槍霧化后噴入爐膛，進行脫硝反應。

3 系統設計參數

3.1 鍋爐主要運行參數

鍋爐的主要運行參數如表1所示。

注：表中參數除注明外，均為設計煤種BMCR工況

3.2 鍋爐設計煤種資料

鍋爐設計煤種資料如表2所示。

3.3 鍋爐熱力計算參數（設計煤種）

鍋爐熱力計算參數參如表3所示。

3.4 SNCR系統設計參數

SNCR系統設計參數如表4所示。

4 SNCR脫硝系統CKM&CFD模擬

實施高效SNCR技術的關鍵是：①精確選取合適的溫度反應區間；②在這個反應區間找出還原劑合適的噴射濃度和噴射液滴直徑；③使還原劑噴射的覆蓋面積相對大，與煙氣充分混合均勻。這3點都做得比較好，脫硝效率就會非常高。

對于本工程650 MW的W型火焰爐來說，爐膛面積大，溫度場復雜，NOx含量分布不均勻，所以，要精確鎖定最佳溫度反應窗口，選擇合理的插槍位置，需進行CKM&CFD模擬。在模擬過程中，先要手動測量鍋爐關鍵位置的溫度；測溫后，對比和分析實測溫度與熱力計算參數、現場DCS數據，為CKM&CFD模擬提供相對精確的溫度場數據。

CKM&CFD模擬模型入口NOx含量按800 mg/Nm3設置，其他煙氣成分按照經驗分布設置，除了氧氣水分等，并不影響脫硝反應的進行。在此設置條件下，分別在100%，75%，50%的負荷情況下進行CKM&CFD溫度場模擬。SNCR系統出口采用壓力出口邊界條件。

模擬結果如圖1、圖2、圖3所示。

100%負荷時，溫度場分布如圖1所示。

75%負荷時，溫度場分布如圖2所示。

50%負荷時，溫度場分布如圖3所示。

5 高效SNCR脫硝系統關鍵因素

高效SNCR系統與常規SNCR系統相比，在設計大型機組W型火焰爐上，除了要精確鎖定最佳反應溫度窗口外，還有幾個關鍵因素對脫硝效率有重要的影響。由于W型火焰爐爐膛面積比較大，且最佳反應溫度區間不同于常規鍋爐，所以，噴射量、噴射濃度、噴射霧化顆粒大小、反應停留時間、還原劑覆蓋面積等關鍵因素同樣起著至關重要的作用。

在不同負荷下，還原劑噴射量不同，濃度不同，反應停留時間不同，與煙氣的混合程度也不同。同樣，霧化顆粒粒徑也不能過大過小，過大，不僅不能在短時間內完全反應，還會產生液滴，引起過熱器爆管；過小，穿透性差，不利于與煙氣的充分混合。

因此，在設計高效SNCR系統時，如何使用少量的還原劑達到高脫硝效率，是系統的重要環節，是系統關鍵設計部分，而且設計時要充分考慮工程經驗、項目實際情況等，不可忽略。

6 高效SNCR脫硝系統運行結果

本工程SNCR脫硝裝置委托湖南電科院測試，測試項目主要包括SNCR進出口O2含量、SNCR進出口NOx濃度分布和SNCR出口氨逃逸濃度。

測點布置情況如圖4所示。

測試點選取在低溫省煤器出口與SCR入口之間。當SNCR不噴氨時，測點處所測NOx濃度和O2含量默認為SNCR入口NOx濃度和O2含量；當SNCR系統開始運行噴氨系統并運行穩定時，測點處所測NOx濃度和O2含量默認為SNCR出口NOx濃度和O2含量。與此同時，SNCR運行時，測點處的NH3濃度即為SNCR氨逃逸濃度。

現場測試數據如表5所示。

由表5所述結果可知，SNCR投運后，A側脫硝效率為58.7%，B側脫硝效率為66.3%，SNCR系統平均脫硝效率為62.5%.

氨逃逸和氨耗如表6所示。

由表6所述數據可知，SNCR系統平均氨逃逸為4.9×10-5，系統總氨耗為533.6 kg/h。

7 結論

該電廠機組650 MW級W型火焰爐測試運行時，由于水冷壁超溫，A，B兩側配風比不同，導致兩側NOx含量有一定的差距。如果后期電廠可以將A，B兩側NOx調平，那么，會對SNCR脫硝系統效率有積極的影響。

總體來說，在650 MW級W型火焰爐運行的過程中，根據現場實際情況，以設計值為基礎進行調試。待鍋爐運行穩定后，還原劑耗量遠遠低于設計值，脫硝效率遠遠高于設計值，氨逃逸在要求范圍內。高效SNCR系統在該項目的運用取得了良好的效果。

作為國內首個完成大機組W型火焰爐SNCR系統成功運行的案例，為我國未來大型機組W型火焰爐超低排放提供了寶貴的經驗和有效運行數據，對國內SNCR脫硝技術在不久將來取代SCR技術起到了積極的推動作用，使超低排放工藝更加經濟，為電力行業開辟了新的發展思路，具有十分重要的戰略意義。

〔編輯：白潔〕