煙氣高效脫硝一體化技術的研究及應用

林歡

（永清環保股份有限公司，長沙 410330）

引言

大氣污染治理中，如脫硝系統產生的飛灰、SO3、氨逃逸等含量過高，對下游的脫硫、除塵設備及脫除效率會造成影響。飛灰會導致設備磨損、積灰等問題[1]；SO3濃度增加產生的黏性沉積物會堵塞和腐蝕除塵器；氨逃逸會導致除塵器上產生板結，影響除塵效率；粉塵過高則會影響脫硫效率。所以，高效脫硝技術對煙氣治理至關重要。為達到《煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014～2020年）》[2]大氣污染物排放濃度NOx≤50mg/Nm3的要求，某電力公司對4號600MW機組進行了脫硝改造。

1 改造前脫硝情況

某電力公司4號機組鍋爐排渣煤粉爐。鍋爐的設計參數以最大連續負荷MCR工況為依據，在汽輪機主汽門全開且超壓5%的情況下，鍋爐最大連續蒸發量為2023t/h。為適應調峰的要求，該鍋爐可滑壓運行，滑壓運行的控制負荷為40%THA。采用水封式固態排渣方式。省煤器出口煙氣中NOx的濃度為400mg/Nm3。為改善電廠及周邊地區的空氣環境質量，對4號機組實施煙氣脫硝改造。

2 改造目標

本次脫硝改造采用低氮燃燒+SCR脫硝工藝，脫硝系統性能保證值滿足：SCR出口污染物濃度（6%O2、標態、干基）NOx≤50mg/Nm3的要求，NH3逃逸≤3ppm、SO2/SO3轉化率＜1%。

3 技術分析

燃煤鍋爐脫硝技術主要有三種，1）燃燒前控制技術：燃料脫硝；2）燃燒中控制技術：改進燃燒方式和生產工藝；3）燃燒后控制技術：煙氣脫硝[3]。目前燃料脫硝技術的開發較少。根據鍋爐中NOx的生成機理，降低NOx排放的主要技術有低氮燃燒、爐膛噴射脫硝和煙氣脫硝[4]。

3.1 低氮燃燒技術

低氮燃燒技術是指通過對燃燒區域溫度和空氣量的控制，降低NOx的生成。低氮燃燒主要有低過量空氣燃燒技術、空氣分級燃燒技術、燃料分級燃燒技術、煙氣再循環技術[4]、低氮燃燒器技術等。

低過量空氣燃燒技術是通過控制燃燒空氣量，調整鍋爐燃燒配風，降低過量空氣系數，在接近理論空氣量的條件下進行，從而降低NOx的生成。空氣分級燃燒技術是目前較為成熟且應用廣泛的低氮燃燒技術。通過對風量的分配，減少燃燒高溫區域的空氣量，減少NOx的生成。燃料分級燃燒技術是利用烷烴與未完全燃燒產物混合燃燒時，NOx發生還原反應的原理，燃料在第一燃燒區域富氧燃燒后，在第二燃燒區進行缺氧燃燒，將NOx進行還原，同時抑制NOx的生成。煙氣再循環技術是將鍋爐尾部的低溫煙氣送入爐膛，從而降低燃燒區的氧濃度，減少NOx的生成。低氮燃燒器是利用空氣分級燃燒、燃料再燃燒和煙氣再循環等技術，通過調節燃燒空氣和燃燒頭，獲得最佳的燃燒參數。

3.2 爐膛噴射脫硝技術

爐膛噴射脫硝技術較為成熟的是爐膛噴氨（尿素）法。爐膛上部噴射作為還原劑的氨或尿素，與煙氣中的NOx發生反應，來降低NOx的排放濃度。主要的還原反應有：

爐膛噴射脫硝技術對氨的噴射點及噴氨量的選擇要適當。此技術投資較少，運行費用低。當脫出效率要求較高時，易造成過大的氨泄漏。

3.3 煙氣脫硝技術

煙氣脫硝技術主要有選擇性催化還原工藝（SCR）和選擇性非催化還原工藝（SNCR）。

選擇性催化還原工藝（SCR）是指在催化劑的作用下，通過注射氨或尿素等還原劑，選擇性地將NOx還原成N2。SCR的脫硝效率較高，可到80%～90%。煙氣進入反應器之前需要預熱。配套設施復雜，投資成本與運行成本較高。催化劑需要按危險廢物進行特殊處理。

選擇性非催化還原工藝（SNCR）無需催化劑，在750℃～900℃區間，可直接通過爐內注射還原劑，將NOx還原成N2。與SCR相比，SNCR的脫硝效率較低，為30%～50%。設備簡單，投資少，費用僅為SCR的1/3。脫硝工藝在焚燒爐爐膛內利用余溫即可完成，無需消耗更多的能量。脫硝的效率滿足相應排放要求。但存在氨過量等問題，氨逃逸會造成二次污染。

4 改造技術線路

由于項目場地空間有限，本著節約用地的原則，根據項目特點，煙氣高效脫硝技術工藝具體改造路線為：1）低氮燃燒改造，采用低氮燃燒器；2）采用高灰型煙氣脫硝（SCR）工藝，反應器裝設在鍋爐后側與靜電除塵器之間的水平煙道上方，每臺鍋爐設兩個SCR反應器，尿素熱解產生氨氣制備還原劑；3）在SCR裝置的進口設置灰斗，采用氣力輸灰方式；4）采用蜂窩式催化劑，按“2+1”層模式布置；5）采用計算機流場分析技術對煙道和氨噴射進行優化設計；6）采用半伸縮耙式蒸汽吹灰器+聲波吹灰器的吹灰方式，主機DCS控制和監視吹灰系統所有設備和參數；7）脫硝反應器進、出口安裝煙氣參數檢測裝置；8）設立獨立系統的氨逃逸監測NH3含量設備。

5 改造技術分析

5.1 特殊布置SCR反應器及高效催化劑

SCR系統采用高粉塵布置，SCR反應器布置在省煤器和空預器之間。送風機房與除塵器入口之間上方空間，不占用現場用地。為減小整體結構阻力，不設置SCR旁路系統。煙氣溫度在300℃～400℃，是大多數金屬氧化物催化劑的最佳反應溫度。無需加熱即可獲得較高的脫硝效率。為提高脫硝效率，SCR按2+1層布置，催化劑采用蜂窩式模塊化設計，不但可以減少更換催化劑的時間，還可有效防止煙氣短路。為防止煙氣中的飛灰堵塞催化劑通道，使催化劑磨損和中毒，優化裝置的流場分析。反應器入口應設氣流均布裝置，煙氣通過均布板后流向大部分垂直向下，可減少煙氣流向的偏離角度。大顆粒灰撞擊在均布板上可被擊碎。反應器入口及出口段、彎道段設導流板，對于反應器內部易于磨損的部位設計必要的防磨措施。反應器內部各類加強板、支架設計成不易積灰的形式，確保脫硝效率。

5.2 煙道優化

脫硝區煙道在鍋爐后豎直煙道兩側引出，分別進入SCR反應器后接入鍋爐空預器入口處。整個脫硝煙道及SCR反應器采用雙煙道雙反應器煙道的布置形式。在SCR反應器進口煙道設置灰斗，輸灰系統采用氣力除灰。在外削角急轉彎頭和變截面收縮急轉彎頭處等，利用計算機煙氣流動模型模擬，設置導流板，導流裝置采用耐磨材質制作。確保入口煙氣流速偏差小于±15%（均方根偏差率）；入口煙氣流向小于±10°；入口煙氣溫度偏差小于±10℃；NH3/NOx摩 爾比絕對偏差小于5%（均方根偏差率）。

5.3 噴氨及混合裝置優化

氨噴射系統采用噴氨格柵，將煙道截面分成大小不同的控制區域，每個區域有多個噴射孔，每個區域的流量單獨可以調節，以匹配煙氣中NOx的濃度分布，噴氨格柵包括噴氨管道、手動流量調節閥門、支撐、配件和氨氣分布裝置等。根據煙氣量及煙道的布置，通過模擬試驗確定噴氨格柵的位置及噴嘴形式，保證混合均勻。噴氨格柵前后氨濃度分布如圖1所示。煙道和反應器氨濃度分布如圖2所示。

每臺反應器設一套噴射系統，噴射系統總管設置電動流量調節閥，控制噴氨總量；支管設置手動流量調節閥，能根據煙氣不同的工況進行微調節，保證NH3/NOx沿煙道截面均勻分布，手動流量調節閥是靠煙氣風管的取樣所取得的NH3/NOx比來調節。保證NH3/NOx摩爾比最大相對標準偏差不大于±5%。催化劑入口截面氨濃度相對標準偏差為3.2%。

6 改造后運行結果

該脫硝改造工程完成調試后投入使用，4號機組SCR反應器出口NOx排放濃度≤50mg/Nm3，設備運行穩定，滿足國家污染物排放標準。

圖1 噴氨格柵前后氨濃度分布圖

圖2 煙道和反應器氨濃度分布圖

7 結論

煙氣脫硝超低排放改造中，應用煙氣高效脫硝一體化技術，采用特殊布置SCR反應器、高效催化劑、利用計算機流場分析優化煙道設計，噴氨及混合裝置，實現煙氣脫硝的超低排放；控制了飛灰、SO3、氨逃逸等含量過高問題，避免對下游的脫硫、除塵設備產生不利因素而影響脫除效率。