SNCR脫硝技術在液態排渣煤粉工業鍋爐中的應用

陳賽，賈明生，郭明高，劉高珍

（廣東海洋大學機械與動力工程學院，廣東湛江524088）

燃煤工業鍋爐作為NOx排放的主要來源之一，國家對其NOx的限排要求日趨嚴格，我國發布的新版《鍋爐大氣污染物排放標準》GB 13271—2014規定[1]，重點地區燃煤工業鍋爐NOx排放限值為200mg/m3，而目前絕大多數燃煤工業鍋爐將面臨因NOx排放超標而被迫淘汰的困境。本文作者課題組與上海某企業合作研發了高效煤粉工業鍋爐燃燒技術，以高效低NOx液態排渣煤粉燃燒器為核心設備，在燃燒器內采用分區段控制、高溫低氧氣氛下燃燒、旋風燃燒等組合的低NOx燃燒技術路線，最終達到NOx排放值低于150mg/m3的優異特性[2-4]。同時，針對燃煤工業鍋爐的NOx實施超低排放已成大勢所趨，部分省市已提出燃煤工業鍋爐的NOx排放值低于50mg/m3的要求。選擇性非催化還原（SNCR）作為一種成熟的脫硝技術，在我國大中型循環流化床鍋爐中應用廣泛。由于SNCR脫硝效率受鍋爐結構、爐膛溫度等影響較大，小型燃煤工業鍋爐通常不滿足SNCR脫硝所需的溫度窗口、爐內停留時間等條件，導致SNCR脫硝技術未能有效應用。一些研究表明，小型燃煤工業鍋爐應用SNCR脫硝效果不理想，脫硝效率很低[5-7]。賈明生等[8]已對液態排渣煤粉工業鍋爐爐內SNCR脫硝技術可行性進行了論證，提出的“低NOx燃燒+SNCR 脫硝”技術方案是可行的，有望達到NOx低于50mg/m3的超低排放要求。本文對一臺8.4MW 液態排渣煤粉工業鍋爐爐內SNCR 脫硝技術進行工業化試驗研究，檢驗SNCR脫硝應用于該類型燃煤工業鍋爐的實際效果。

1 鍋爐系統概況

上海某公司新建一臺有機熱載體高效煤粉工業鍋爐，搭載自行研發的高效低NOx液排渣煤粉燃燒器，鍋爐型號為YFL-8400KW，鍋爐額定熱功率8.4MW，排煙溫度150℃，設計鍋爐效率89%。現在爐膛增設SNCR脫硝技術方案，向爐膛內部噴射還原劑對煙氣進行更深層次脫硝處理。

該鍋爐以有機熱載體為換熱介質，有機熱載體在爐膛和對流段吸熱升溫后將熱量送入車間使用，降溫后又回到爐膛和對流段加熱，換熱過程循環進行。該煤粉工業鍋爐系統簡圖如圖1所示。精確計量的煤粉由一次風送進燃燒器入口，經過預熱的助燃二次風分級送入燃燒器內，煤粉在燃燒器中高溫、低氧氣氛下劇烈旋流燃燒，煤粉中的灰分在1500℃以上的高溫下大部分形成液態渣排到爐外，高溫煙氣進入爐膛后，在爐膛完成輻射和對流換熱后依次進入對流段、空氣預熱器、布袋除塵器、脫硫塔等單元，最后潔凈煙氣經煙囪排入大氣。高溫煙氣在爐膛換熱同時，未燃盡的還原性氣體在爐膛區域補入三次風后完成進一步的燃盡。在空氣預熱器中二次風與煙氣換熱后溫度可達300℃以上。脫硫塔與煙囪一體化設計，在脫硫塔中噴淋堿液脫除煙氣中的SO2，達到國家排放標準。

2 噴槍位置和測點選取

在SNCR系統中，反應溫度窗口、爐內停留時間和煙氣混合程度等因素對SNCR脫硝效果影響很大，這三個因素取決于噴槍位置，故噴槍位置的選擇至關重要，直接決定了脫硝效果的優劣。根據鍋爐運行監測數據及先前對該鍋爐SNCR脫硝可行性的研究[8]，確定爐膛噴槍位置如圖1 所示，該爐膛長4m，寬2.8m，高約9m，噴槍位置距爐膛頂部約4.2m，距爐膛溫度測點2.9m。通過噴射孔進行溫度測試，噴射區域爐膛溫度范圍可保持在800～950℃，滿足SNCR 脫硝反應要求溫度窗口[9]，同時噴射位置的選取也保證了在溫度窗口下的停留時間。根據爐膛尺寸在爐膛單側面布置3個噴槍，噴槍噴射面與煙氣來流方向垂直，增強還原劑噴霧與煙氣的混合程度。噴槍選用氣液雙流體噴槍、圓錐形霧化噴頭，噴槍材質為310S 不銹鋼，具備較好的耐磨耐高溫性能。煙氣測點選在空預器出口，測試儀器為德國testo-340 煙氣分析儀；爐膛溫度測點設置在爐膛上部，爐膛溫度由測點熱電偶監測并反饋到鍋爐自動控制系統顯示界面，煙氣測點及爐膛溫度測點位置見圖1。

圖1 高效低NOx液態排渣煤粉工業鍋爐系統簡圖

3 SNCR脫硝系統模塊

在工程應用中，相比于液氨和氨水，尿素在運輸、存儲及管理方面更加安全[10]。根據實際需要，本項目還原劑選用尿素。SNCR 脫硝系統主要由尿素溶液配制模塊、尿素溶液儲存模塊、尿素溶液計量輸送模塊及尿素溶液噴射模塊構成，各模塊需要根據煙氣參數合理設計，針對工況條件和介質特點，嚴格選擇設備材料。SNCR 脫硝系統工藝流程見圖2。

3.1 尿素溶液配制模塊

尿素溶液配制模塊由攪拌罐、攪拌機、冷軟水管、熱軟水管、溫度計、給液泵等構成，考慮到尿素溶液的腐蝕性，設備材料均選擇304 不銹鋼材質。尿素原料選用市場銷售的袋裝尿素顆粒，尿素純度大于99%。溶解水為經過除鹽處理的軟水，采用軟水可較好地避免管道及噴槍處的結垢堵塞現象。根據工程經驗，尿素溶液濃度一般為10%～20%（質量分數，余同），考慮到冬季溫度較低，為增大尿素溶解度和避免結晶，接入熱軟水管道，熱軟水溫度保持在50℃左右。攪拌罐內壁面有刻度線，可準確控制軟水量，在溶液配制過程中，通過攪拌罐上的溫度表監測溶液溫度。配制好的尿素溶液由給液泵打入尿素溶液儲液桶中存放。

3.2 尿素溶液儲存模塊

尿素溶液儲存模塊由儲液桶和排污閥構成，用以存放配制好的尿素溶液以供給使用，儲液桶和排污閥均為耐酸堿聚乙烯（PE）塑料材質。由于尿素溶液配制方便，可以做到及時配制和輸送，因此儲液桶不用選擇過大。根據鍋爐SNCR脫硝所需尿素溶液量，選擇容積為2m3，桶內雜質或廢液可通過排污閥排出。

3.3 尿素溶液計量輸送模塊

尿素溶液計量輸送模塊由球閥、過濾器、輸送泵、止回閥、壓力表、流量計等構成，該模塊可控制定量的尿素溶液加壓輸送到噴射模塊，整個模塊材料均為304 不銹鋼材質。根據計算所需尿素流量，輸送泵選擇立式多級離心泵，流量2m3/h，揚程67m，配備變頻器調節流量。泵進口前安裝了Y型過濾器，去除溶液中顆粒雜質，保護泵及后續管件。泵出口安裝止回閥，防止停運過程中葉輪倒轉。系統運行時，可通過調節變頻器頻率調節尿素溶液流量，尿素溶液壓力和流量可通過壓力表和轉子流量計直接讀出。

3.4 尿素溶液噴射模塊

圖2 SNCR脫硝系統工藝流程

尿素溶液噴射模塊包括壓縮空氣和尿素溶液兩部分管路，管道及部件選用304不銹鋼材質，壓縮空氣和尿素溶液通過軟管接入噴槍。壓縮空氣來自于廠用壓縮空氣站，壓力約為0.6MPa，壓縮空氣分兩路進入噴槍，一路走噴槍內管用以霧化尿素溶液，另一路走噴槍外管用以冷卻噴槍。為穩定噴射壓力，在尿素溶液支路前設置了穩壓罐，在壓縮空氣支路前設置了氣缸。系統工作時，壓縮空氣與加壓后的尿素溶液共同進入噴槍內管，混合后通過噴嘴霧化噴入爐膛。為方便管路調節，在各管路上均安裝了球閥，霧化氣路和液路安裝了止回閥。

4 SNCR脫硝試驗及結果分析

試驗期間所用煤種為蒙煤，煤質分析數據見表1。試驗所用高效低NOx煤粉工業鍋爐系統在精確控制時完全能夠實現NOx初始排放值低于150mg/m3。因工業鍋爐負荷變化大、司爐工操作不當等問題，供粉穩定性難以持續精準控制，鍋爐運行過程中可能造成風煤比配合偏離最佳參數，導致NOx排放量有一定波動[11]。因此，在低NOx燃燒的基礎上，適當放寬了NOx初始排放濃度范圍，在爐膛內部耦合SNCR脫硝技術，實現NOx低于50mg/m3的超低排放目標。

SNCR脫硝效率計算如式(1)所示。

式中，CNOx為NOx初始濃度；C'NOx為SNCR 脫硝后NOx濃度。

4.1 不同氧含量下NOx濃度

根據生產需要，鍋爐需保持長期較高負荷運行，測試工況選擇80%負荷。在此負荷下，通過調節鼓風和引風量來調節燃燒區空氣量供給，放寬NOx初始排放濃度范圍。圖3 是不同鍋爐出口氧含量下NOx初始值和爐膛溫度變化情況。

圖3 不同氧含量下NOx初始值與爐膛溫度

由圖3可知，在鍋爐出口氧含量為3.8%（體積分數，余同）時，NOx初始值低于150mg/m3，隨著氧含量的增加，NOx濃度快速升高，爐膛溫度也隨之升高。煤粉在高效低NOx液排渣煤粉燃燒器中燃燒時，氧含量和溫度對NOx生成影響顯著，隨著鍋爐出口氧含量增加，燃燒器主燃燒區的氧含量增加，促進了煤中N 元素和空氣中N2與O2的接觸，加快了NOx生成速度，同時氧含量的增加抑制了燃燒過程中還原性物質對NOx的還原反應；另一方面，氧含量的增加促使煤粉燃燒速度加快，燃燒強度增強，燃燒室內溫度升高，在氧濃度增加和高溫的雙重作用下進一步加快了NOx生成速度，使NOx生成總量增加[12-14]。

4.2 不同尿素溶液噴射量下脫硝效果

選擇鍋爐負荷80%，鍋爐出口氧含量4.35%，NOx初始值265mg/m3的工況，研究不同尿素溶液噴射量下SNCR 脫硝效果。試驗采用10%、15%、20%三種濃度的尿素溶液進行，試驗期間噴射區爐膛溫度在800～900℃，不同尿素溶液噴射量下SNCR脫硝效果見圖4。

由圖4(a)可知，隨著尿素溶液噴射量由50L/h增至90L/h，NOx濃度由90mg/m3迅速降至20mg/m3，脫硝效率由66%增至92%；由圖4(b)可知，隨著尿素溶液噴射量由40L/h 增至80L/h，NOx濃度由78mg/m3迅速降至10mg/m3，脫硝效率由71%增至96%；由圖4(c)可知，隨著尿素溶液噴射量由40L/h增至100L/h，NOx濃度由60mg/m3迅速降至10mg/m3，脫硝效率由77%增至96%。上述結果表明，隨著尿素溶液噴射量的增加，NOx濃度迅速降低，脫硝效率迅速增大。

根據尿素溶液脫硝反應機理[15]，得到主要反應方程式如式(2)～式(4)。

表1 煤質分析數據

圖4 不同尿素溶液噴射量下SNCR脫硝效果

隨著尿素溶液噴射量的增大氨氮比增大，噴入爐膛的尿素量增加，加快了尿素分解反應式(2)的進行，生成的NH3濃度增大，從反應平衡的角度，提高NH3的濃度會使得反應式(3)和式(4)的平衡向右移動，NOx還原率增加；從反應動力學的角度，提高NH3的濃度會加快反應式(3)和式(4)的速度，從而獲得很高的脫硝效率。但氨氮比過高，未反應的NH3存在于煙氣中，必然會造成氨逃逸量過大，還會增大脫硝成本，為減少氨逃逸及節省成本，尿素溶液噴射量不宜過大。由圖4 可知，20%濃度、45L/h 噴射量時，NOx濃度為40mg/m3，脫硝效率為85%，此時氨氮比為4.23；15%濃度、60L/h 噴射量時，NOx濃度為35mg/m3，脫硝效率為87%，此時氨氮比為4.14；10%濃度、80L/h噴射量時，NOx濃度為30mg/m3，脫硝效率為89%，此時氨氮比為3.6。以上都能滿足NOx低于50mg/m3的排放要求，且尿素溶液噴射量較為適宜。

4.3 不同氧含量下脫硝效果

在80%鍋爐負荷下對不同氧含量下的脫硝效果進行研究，試驗過程中噴射區溫度在850～950℃，圖5為不同氧含量下SNCR脫硝效果。

圖5 不同氧含量下SNCR脫硝效果

由圖5(a)可知，氧含量在4.74%以下，10%、15%、20%三種濃度尿素溶液噴射后，NOx濃度分別 在39mg/m3、41mg/m3、44mg/m3以 下，均 低 于50mg/m3的超低排放要求；氧含量大于4.74%后NOx濃度大于50mg/m3。圖5(b)表明3種濃度尿素溶液噴射下的脫硝效率均在80%以上，且隨著氧濃度的增加脫硝效率出現下降趨勢。脫硝效率下降主要是因為隨著氧含量的增加NOx初始值迅速增大。由圖3可知，氧含量為4.74%時，NOx濃度高達305mg/m3，已經超過了運行過程中NOx濃度的波動上限。因此，在80%鍋爐負荷運行時，3種濃度尿素溶液均能達到50mg/m3以下的脫硝效果。

不同氧含量下3 種濃度尿素溶液脫硝效果表明，10%濃度、80L/h 工況下NOx濃度最低、脫硝效率最高，15%濃度、60L/h 工況下次之，20%濃度、45L/h工況下效果最差。且氧含量為4.74%時，20%、45L/h，15%、60L/h，10%、80L/h 三種濃度尿素溶液脫硝的氨氮比依次為3.65、3.59、3.22，10%、80L/h 尿素溶液以最小的氨氮比獲得了最佳脫硝效果。出現上述現象應是噴射量大所導致，隨著尿素溶液濃度減小，尿素溶液噴射量增大，噴槍噴射壓力增大，使霧化液滴顆粒更細，同時更高的噴射壓力也給尿素溶液提供了更大的噴射動量，噴入爐膛后能更加快速、充分的與煙氣混合，從而增大了還原劑與NO 接觸并反應的機率，脫硝效率提高[16]。

在80%鍋爐負荷試驗工況下，尿素溶液的噴射會一定程度地造成爐膛煙氣溫度的下降，降低鍋爐熱效率，但80L/h尿素溶液噴射量對鍋爐熱效率的影響小于0.66%，60L/h、45L/h 尿素溶液噴射量對鍋爐熱效率的影響會更小，SNCR 脫硝不會影響鍋爐的正常運行。

4.4 不同鍋爐負荷下NOx濃度

在工業生產中，需要根據生產需要調節鍋爐負荷，圖6 表示不同鍋爐負荷下NOx、CO 和爐膛溫度。

由圖6(a)可知，在不同鍋爐負荷下，CO 濃度均低于2000mg/m3，達到了很好的燃燒效果。圖6(b)表明，隨著鍋爐負荷的增大，爐膛溫度快速升高，NOx初始值隨著鍋爐負荷的增大明顯升高。鍋爐負荷在36%時，NOx濃度為164mg/m3，處于較低的排放水平，主要是因為，鍋爐負荷低時煤粉耗量少，入爐燃料總氮相對較少，燃料型NOx生成量少；同時低負荷時燃燒器溫度較低，很大程度上抑制了熱力型NOx的生成。隨著鍋爐負荷增大，煤粉耗量增大，入爐燃料總氮量增加，燃料型NOx的生成量增大，且負荷增大時燃燒溫度升高，很大程度上促進了熱力型NOx的生成，因此NOx排放總量增大[4]。

4.5 不同鍋爐負荷下脫硝效果

采用3種濃度尿素溶液對不同鍋爐負荷下的脫硝效果進行研究，SNCR脫硝效果如圖7所示。

由圖7 可知，3 種濃度尿素溶液噴射下，不同鍋爐負荷下的NOx排放濃度均低于50mg/m3，脫硝效率均大于80%，且隨著鍋爐負荷的降低，NOx濃度減小，脫硝效率增大。3種濃度尿素溶液脫硝效果對比發現，10%濃度、80L/h 尿素溶液噴射下的NOx濃度最小，脫硝效率最大，變化趨勢與上文討論相同，尿素溶液噴射量的增大有利于增強脫硝效果。

圖6 不同鍋爐負荷下NOx與CO含量、爐膛溫度的關系

圖7 不同鍋爐負荷下SNCR脫硝效果

5 結論

（1）80%鍋爐負荷下，隨著尿素溶液噴射量的增大，NOx濃度減小，脫硝效率增大。20%濃度、45L/h 噴射量時，NOx濃度為40mg/m3，脫硝效率為85%；15%濃度、60L/h 噴射量時，NOx濃度為35mg/m3，脫硝效率為87%；10%濃度、80L/h噴射量時NOx濃度為30mg/m3，脫硝效率為89%；均可滿足NOx低于50 mg/m3的排放要求。

（2）80%鍋爐負荷下，不同氧含量下SNCR 脫硝均能達到超低排放要求，SNCR 脫硝效率均在80%以上，且隨著氧含量的增加脫硝效率出現下降趨勢。10%濃度、80L/h 工況下NOx濃度最低、脫硝效率最高，且氧含量為4.74%時，20%、45L/h，15%、60L/h，10%、80L/h 三種濃度尿素溶液脫硝氨氮比依次為3.65、3.59、3.22，10%、80L/h 尿素溶液以最小的氨氮比獲得了最佳脫硝效果。提高尿素溶液噴射量可增強霧化效果，強化尿素溶液與煙氣的混合程度，在最少尿素耗量下得到最大的脫硝效果。

（3）三種濃度尿素溶液噴射下，不同鍋爐負荷下的NOx排放濃度均低于50mg/m3，脫硝效率均大于80%，且隨著鍋爐負荷的降低，NOx濃度減小，脫硝效率增大。

（4）提出的“低NOx燃燒+SNCR脫硝”耦合技術方案是可行的，在低NOx燃燒的基礎上，不同試驗工況下SNCR脫硝效率均可達到80%以上，完全能夠達到煙氣中NOx低于50mg/m3的超低排放要求。