選擇性非催化還原脫硝技術在W型鍋爐的應用

張纏保

（山西華仁通電力科技有限公司，太原 030000）

前言

山西陽城電廠總裝機容量3300MW，共8臺機組。其中一期陽城國際發電有限責任公司建設規模6×350MW亞臨界W型火焰鍋爐燃煤發電機組，鍋爐及汽輪發電機組分別采用美國福斯特·惠勒能源公司（FWEC）和德國西門子公司的產品，6臺機組于2001年1月至2002年7月相繼投入運行；二期大唐陽城發電有限責任公司建設規模2×600MW亞臨界W型火焰鍋爐燃煤發電機組，鍋爐及汽輪發電機組分別采用哈爾濱鍋爐廠和東方汽機廠的產品，2臺機組分別于2007年8月和9月投入運行。

W型火焰鍋爐主要燃用無煙煤，燃燒區域溫度高達1400℃，沿寬度方向的爐溫偏差大，導致NOx初始生成量最高可達2100mg/Nm3，平均濃度在1500mg/Nm3左右，且爐膛界面分布不均勻。僅靠SCR（Selective Catalytic Reduction 選擇性催化還原法），很難實現NOx超低排放（≤50mg/Nm3）。即使通過大量噴氨，階段性實現超低排放，也會導致氨逃逸加劇，二次污染嚴重，空預器堵塞，煙道腐蝕[1]。長時間運行，導致風機滑出正常工作區域，風機效率降低，并帶來其他嚴重后果。

陽城電廠通過摻燒煙煤，能將鍋爐出口NOx濃度控制在約1000mg/Nm3。2012年該電廠陸續對6臺機組進行了SCR脫硝工程改造，使NOx排放濃度控制在160mg/Nm3左右，滿足《火電廠大氣污染物排放標準》（GB 13223—2011）標準限值要求，但無法滿足山西省的超低排放標準（≤50mg/Nm3）。雖然低氮燃燒技術也可以降低鍋爐出口NOx濃度，但效果有限，且降低鍋爐效率1%以上，不能實現穩燃高效的目標[2]。

本文主要針對高效SNCR（Selective Non-Catalytic Reduction選擇性非催化還原）的工藝系統設計及組成進行闡述，對其運行數據進行分析，論證該系統的高效、穩定性能[3、4]。將該系統與SCR結合的聯合脫硝工藝路線，在滿足W型火焰鍋爐超低排放的同時，保證整個脫硝系統能實現全鍋爐負荷運行、靈活的調整方式、穩定的脫硝效率和可優化的經濟運行模式，為W型爐火焰鍋爐實現NOx的超低排放提供了一種新的技術路線。

1 工藝系統

1.1 工藝系統描述

高效SNCR脫硝技術以爐膛為反應器，將40%尿素溶液作為還原劑，經稀釋噴入爐膛溫度為850℃～1100℃的區域，還原劑迅速熱解成NH3，與煙氣中的NOx反應生成N2和水。

高效SNCR系統耦合了精確可靠的溫度場測量系統，結合鍋爐負荷、煙氣流量、總排口NOx濃度等參數，控制制備輸送單元，計量混合、分配單元的運行情況及不同區域、不同組合噴射單元的投退情況，實現SNCR系統對鍋爐負荷、爐膛截面溫度及同一截面溫度偏差變化的跟隨，保證將還原劑噴入最佳溫度窗口范圍內，最終達到SNCR脫硝系統的高效經濟運行的目的。

1.1.1 SNCR技術原理

在850℃～1100℃范圍內，尿素還原NOx的主要反應為：

式中，尿素為還原劑。

1.1.2 SNCR系統組成

該系統由五個單元組成，分別為全自動控制單元、溫度場檢測單元、尿素溶液制備輸送單元，SNCR精確計量混合分配單元、多區域組合靈活性噴射單元。系統組成如圖1所示。

圖1 SNCR系統組成圖

1.1.3 SNCR煙氣脫硝流程（圖2）

1.2 SNCR工藝設計

本工程單元機組SNCR脫硝系統，根據各臺機組爐膛內部的實際情況，分別在不同標高布置噴射系統：設計6組計量與混合模塊，54個噴射器。其中后墻布置2層×9個噴射器，前墻布置4層×9個噴射器。尿素溶解系統全廠集中布置，在1號爐旁邊布置尿素溶液儲罐。

圖2 SNCR煙氣脫硝流程圖

1.3 尿素溶解系統

全廠共設計了3套溶解系統，母管制，供8臺機組共用。1～6號機組每單元（2臺機組一個單元）設計安裝1個稀釋水罐，2臺機組公用。每臺機組設計安裝1個尿素溶液存儲罐，配套安裝2臺尿素溶液循環泵。SNCR脫硝系統所需的濃度為40%尿素溶液。

1.4 尿素溶液存儲系統

通過2臺輸送泵把尿素溶液從溶解罐轉移到儲存罐。在尿素溶液儲存罐上設置液位聯鎖，以避免存儲罐溢流。當存儲罐達到最高液位時，閥門自動關閉。

1.5 尿素溶液計量與混合分配系統

在計量與混合模塊中，尿素溶液和稀釋水混合，并分成若干等份。計量與混合分配系統包括所有用于制作尿素溶液與水的稀釋液的儀器、分配液體的儀器以及把空氣壓縮到噴射位置的儀器。流量計監測每個管線噴射器的流量。混合與分配柜控制霧化液體的壓縮空氣以及控制閥的操作。所有的測量、控制設備及閥門操作裝置都安裝在封閉的操作柜里。閥門均勻地把混合液體分配到每一個噴槍的噴嘴。為避免噴槍噴嘴的堵塞，混合用稀釋水進入系統前通過管道過濾器過濾。SNCR系統設計安裝6組計量與混合模塊，每組4套模塊控制柜，共24套。

1.6 自動噴射系統

稀釋后的尿素溶液通過霧化噴嘴，分布在燃燒室的截面上。噴槍（壁噴射器）的安裝方式與之相似，從而保證了NOx與還原劑處于最佳的反應溫度。噴嘴噴出霧滴狀還原劑，使之與煙氣能均勻混合。

SNCR噴射系統在爐膛內部分別在4個標高布置。根據鍋爐負荷和鍋爐爐膛內的煙氣溫度，噴射器投入數量和溶液濃度可自動調整，以保證SNCR系統達到最佳效率。

1.7 全自動控制系統

通過NOx分析系統發出的信號等確定尿素溶液的噴射量。尿素溶液的噴射量由NOx控制器的輸出量確定。NOx控制器的輸入值來源于機組CMES的NOx值。每個噴嘴組的尿素溶液的流量都單獨控制。混合液經流噴射器組的分配情況與燃燒室內測量煙氣溫度分布情況保持一致。根據溫度測量系統，高溫計測得截面煙氣溫度，并進一步決定噴射級別的選擇。全自動控制系統控制原理如圖3所示。

圖3 全自動控制系統控制原理圖

1.8 爐膛溫度監測系統

采用分層設計布置的12套輻射型高溫計，通過檢測殘余碳/顆粒和二氧化碳的輻射量來測量煙氣溫度，可測溫度范圍為750℃～2000℃。對SNCR脫硝過程的效率來說，溫度的范圍非常重要。因此，尿素溶液必須注入到鍋爐最佳反應溫度區內，而這可通過測溫系統的高溫計來實現。

噴槍按組排列，每一組與一個溫度確定區域相關。通過切換合適的噴槍組進行工作或根據溫度范圍來控制投退，從而實現SNCR系統控制的優化。FTD-2D爐膛溫度測量系統監控圖見圖4。

圖4 FTD-2D爐膛溫度測量系統監控圖

2 工程實施及測試結果

2.1 工程實施

2016年10月開始對1號機組SNCR系統進行安裝，并于2016年11月底完成了1號機組SNCR+SCR系統的調試，12月完成168h試運行并正式移交生產。

2.2 運行數據

2.2.1 性能測試數據

1號機組的性能測試數據如表1所示。

表1 1號機組性能測試數據

由表1可知，在215～340MW負荷范圍內，高效SNCR系統均能實現50%以上的脫硝效率，且隨著鍋爐負荷的降低脫硝效率有升高趨勢，當負荷降到215MW時，能實現約80%的脫硝效率。造成這種情況的原因可能有以下幾種：1）高負荷下的爐溫過高，滑出最佳SNCR反應溫度窗口，而隨著負荷的降低，噴槍安裝區間溫度逐漸落入最佳脫硝反應溫度窗口，導致反應效率的提高；2）高負荷下煙溫高、煙氣流速大，液滴蒸發速度變得更快，還原劑穿透性下降，與煙氣的混合效果變差；同時，煙氣流速高，導致煙氣在脫硝區間的停留時間更短，最終導致脫硝效率下降。

2.2.2 實際運行工況下的數據

在330MW運行工況下，SNCR投運前后A、B兩側SCR入口NOx的數值對比見表2。

表2 330MW運行工況數值

表2的運行數據表明，在330MW工況下，當高效SNCR系統40%尿素溶液用量降低至902kg/h時，依然可實現31%的脫硝效率。當初始生成量降低至724mg/Nm3以下時，高效SNCR系統將SNCR出口NOx濃度穩定控制在500mg/Nm3以下，實現超低排放的同時，控制SCR出力在合理范圍，降低氨逃逸，減緩空預器的堵塞及煙道的腐蝕。

2.2.3 初始NOx生成量遠高于設計值工況下運行數據

在340MW運行工況下，當初始NOx生成量超過設計值時，SNCR投運前后A、B兩側SCR入口NOx的數值對比見表3。

表3 340MW運行工況數值

表3的數據表明，初始NOx生成量在超過設計值1000mg/Nm3的工況下，高效SNCR脫硝效率依然能達到54.2%，可以保障SNCR出口（SCR入口）煙氣NOx濃度小于565mg/Nm3。

3 結論

（1）脫硝各項指標處于國際領先水平，高效SNCR的脫硝效率達50%以上，在初始設計值1000mg/Nm3以下時，可保證SCR入口NOx濃度控制在500mg/Nm3以下。SCR脫硝技術實現90%的脫硝效率，表明高效SNCR結合SCR可以實現超低排放（總排口NOx濃度＜50mg/Nm3），為W型火焰鍋爐NOx超低排放提供了新的技術路線，可避免因低氮燃燒改造造成的鍋爐效率降低、水冷壁腐蝕等問題。

（2）通過配煤燃燒，系統在實際運行工況下，原始生成量約為700mg/Nm3，保證30%左右的脫硝效率即可滿足SNCR出口NOx低于500mg/Nm3，此時SNCR尿素溶液耗量控制在900kg/h左右，高效SNCR可以實現經濟脫硝。

（3）在高、低負荷不變的工況以及高向低、低向高負荷轉化的變負荷工況下，該脫硝系統均能穩定運行，且各項參數均能滿足設計要求。

綜上，高效SNCR系統可在原始生成量遠大于1000mg/Nm3，達到1200～1300mg/Nm3時，實現約55%的脫硝效率；原始生成量在700mg/Nm3時，可實現40%尿素溶液耗量在900kg/h，實現經濟脫硝；在高負荷、低負荷、變負荷工況下，高效SNCR脫硝系統均能實現穩定運行。