SNCR脫硝技術在循環流化床鍋爐的應用及優化

趙洋，肖康(陜西陜焦化工有限公司，陜西 渭南 711712)

1 氮氧化物生成機理及控制手段

1.1 研究現狀

為滿足環保部門提出的治理要求，近年來SNCR脫硝技術在循環流化床鍋爐中的優化應用開始引起業界高度關注，SNCR脫硝改造實踐也大量涌現，陜西陜焦化工有限公司鍋爐能效升級脫硝優化應用實踐便屬于其中代表。結合實際調研可以發現，SNCR脫硝技術屬于現階段最主流的循環流化床鍋爐脫硝技術，該技術在國內外均有著廣泛應用，很多理論研究和實踐探索也已經證明該技術的實用性和市場前景。在爐膛區域內通過噴射器噴入還原劑，SNCR脫硝技術能夠在不使用催化劑的前提下使煙氣中的氮氧化物與還原劑發生化學反應，生成二氧化碳、水和氮氣。尿素、氨水、液氨屬于SNCR脫硝技術常用的還原劑，噴射、輸送、儲存、吹掃等設備構成還原劑系統[1]。

1.2 氮氧化物生成機理

循環流化床鍋爐生成的氮氧化物主要由一氧化氮、二氧化氮、一氧化二氮組成，結合燃煤生成氮氧化物的過程進行分析可以發現，氮氧化物的生成存在的途徑主要有3種，包括快速型氮氧化物、熱力型氮氧化物、燃料型氮氧化物。對于循環流化床鍋爐來說，如采用燃用煙煤、頁巖、褐煤等劣質燃料，燃料性氮氧化物將大量生成[2]。

1.3 氮氧化物控制手段

煙氣脫硝和燃燒中控制屬于現階段循環流化床鍋爐主要的氮氧化物控制手段，SNCR脫硝技術、SCR脫硝技術均屬于常用的煙氣脫硝方法，燃燒調整、低氮改造、低氮燃燒器則屬于常見的燃燒中控制手段。SCR脫硝技術的應用能夠使煙氣中氮氧化物與還原劑發生反應生成水和氮氣，但該技術需要應用催化劑。SNCR脫硝技術無需使用催化劑，通過在鍋爐水平煙道噴入還原劑，能夠在合適的溫度和條件下還原氮氧化物。對比兩種技術可以發現，SCR脫硝技術、SNCR脫硝技術的反應溫度分別在400～500 ℃、850～1 150 ℃區間，前者多在空氣預熱器前、省煤器后布置，但對于使用燃用高灰分劣質煤的循環流化床鍋爐來說，較高的煙氣含塵量很容易引發催化劑堵塞問題，催化劑中毒失效情況也較為常見。后者由于不需要采用催化劑，不會出現反應器堵塞等問題，煙氣成分對其脫硝效果帶來的影響較小，具備更高實用性。總的來說，SNCR煙氣脫硝技術相較于SCR脫硝技術存在較小的占地面積、較低的運行成本、較短的建設工期以及更高的脫硝效率，能夠較好滿足環保要求，在大型循環流化床鍋爐領域的應用價值較高。而結合計算論證和實際調研能夠確定，在排煙溫度、鍋爐效率、鍋爐受熱面、腐蝕影響方面，SNCR脫硝技術均具備優秀表現，能夠較好保證循環流化床鍋爐的安全運行，且無需開展針對性設備改造。在SNCR煙氣脫硝技術應用后，循環流化床鍋爐的氮氧化物排放量能夠得到有效控制，一般擁有80%左右的脫硝效率，且具備系統造價降低、設備簡單、運行維護簡單、不增加引風機電耗、不使用催化劑、不增加煙氣系統阻力、不會造成尾部煙道腐蝕和積灰、氨逃逸控制出色、安裝及操作簡單等優勢，因此SNCR煙氣脫硝技術能夠較好滿足循環流化床鍋爐的環保需要，在脫硝改造等領域具備較高實踐價值，理應得到業內人士的高度重視[3]。

2 實例分析

2.1 鍋爐基礎條件及現存問題

為提升研究的實踐價值，本文以陜西陜焦化工有限公司鍋爐能效升級脫硝優化應用實踐作為研究對象，該企業采用的高壓蒸汽鍋爐型號為TG-75/3.82-M55(兩用一備)，屬于典型的自然循環、單鍋筒、循環流化床鍋爐，由2臺絕熱式高溫旋風分離器、1個膜式水冷壁爐膛、1個尾部豎井三部分組成，其中膜式壁爐膛室外布置，鍋爐運行負荷區間為40%～100%，年運行時間為6 000～7 000 h，鍋爐出口煙氣量、氮氧化物、O2平均數值分別為140 000 Nm3/h、50～100 mg/Nm3、6%～12%。在長期運行中，陜西陜焦化工有限公司的循環流化床鍋爐存在一定問題，包括床溫不均勻明顯、鍋爐無法達到額定負荷、鍋爐分離器效率不高、鍋爐原始排放較高，其中鍋爐原始排放較高是由于存在不合理的SNCR脫硝噴槍位置選擇，鍋爐因此存在較大的氨水噴灑量和逃逸氨量，易于卡澀、堵塞的引風機擋板門也很容易對循環流化床鍋爐的正常運行造成影響，這使得60 t/h以上負荷時鍋爐無法滿足環保排放要求。結合陜西陜焦化工有限公司鍋爐能效升級脫硝優化應用實踐，本節將圍繞SNCR脫硝技術優化應用的必要性及目標、SNCR脫硝技術優化技術難點及路徑選擇開展深入探討。

2.2 SNCR脫硝技術優化應用的必要性及目標

在環保監管不斷加強、焦化行業綠色轉型加快和一體化趨勢明顯、行業集中度不斷提高、產品附加值增加的大背景下，陜西陜焦化工有限公司必須不斷推動設備升級和技術改造，向集約化、規模化方向發展，同時需要通過精深加工延伸產業鏈，這些均離不開SNCR脫硝技術的優化應用支持。2016以來，我國很多焦化企業因環保不達標而關停限產，這使得焦化行業的盈利有所好轉，而為了獲得更廣、更多的市場發展空間，企業必須在環保、技術、產業鏈延伸等方面加大投入。作為典型的高能耗、高污染企業，隨著國家環保政策、產業政策要求的持續提升，陜西陜焦化工有限公司受到較大沖擊。陜西陜焦化工有限公司擁有較為完整的產業鏈且50%左右的原料源于集團公司內部，屬于省內焦化龍頭企業，而通過不斷優化改善煉焦工藝流程，企業存在較大的提高附加值、節約能源的潛力。近年來我國各行業在能源綜合利用、環境保護、資源節約等方面取得了不俗成果，能源節約、保護環境已經成為基本國策，但相較于發達國家，我國在節能減排和資源綜合利用方面仍存在一定不足，主要表現為能源浪費巨大、資源利用效率低、環境污染嚴重，這類不足在焦化行業有著直觀體現，如司爐人員技術水平欠缺、燃煤管理不完善、鍋爐運行參數調整不合理、SNCR脫硝技術應用不當。

結合陜西陜焦化工有限公司的實際情況可以發現，該企業存在SNCR脫硝技術應用不當問題，為實現節能減排目標，提升企業整體經濟效益并推動其轉型升級，SNCR脫硝技術優化應用存在較高必要性。在陜西陜焦化工有限公司鍋爐能效升級脫硝優化應用實踐中，該企業明確了鍋爐增容改造、低氮燃燒改造、脫硝系統優化提效改造目標，其中脫硝系統優化提效改造涉及原有脫硝系統噴槍的重新布置和數量變更，以此降低氨水用量并提高氮氧化物脫除效率，即可保證循環流化床鍋爐滿出力安全穩定運行和超低排放順利實現[4]。

2.3 SNCR脫硝技術優化技術難點分析

陜西陜焦化工有限公司設置有選擇性非催化還原法SNCR脫硝工藝系統，以20%氨水作為循環流化床鍋爐煙氣脫硝裝置的還原劑，能夠在80～100 mg/Nm3以內控制正常氮氧化物排放濃度。為實現投資節約和現有資源充分利用，在鍋爐能效升級脫硝優化應用實踐中，企業更換了現有噴射系統的噴槍并同時進行優化布置，這是由于脫硝效率直接受到噴射系統優劣影響。由于原有輸送設施能夠保證系統穩定性，為實現SNCR脫硝技術優化應用，提高脫硝效率，需保證存在質量高且較為可靠的噴射設備，噴槍的布置位置也需要設法合理布置。不同的噴槍數量和噴槍位置對脫硝效率的影響較大，因此必須科學選擇噴槍數量，并結合同類型成功經驗，通過仿真模擬、現場測試確定最佳噴射位置，以此控制脫硝效率。結合陜西陜焦化工有限公司循環流化床鍋爐實際情況，改造在每個分離器設置3個噴槍，在爐內脫硫系統正常投運且存在40～75 t/h的鍋爐日常運行蒸發量時，需設法保證煙氣中氮氧化物折算后排放濃度測試結果在50 mg/Nm3以下。結合實際情況進行分析可以發現，SNCR脫硝技術優化的技術難點主要體現在噴槍位置合理選擇方面。

2.4 SNCR脫硝技術優化路徑

噴槍參數主要包括霧化錐角、霧化粒徑、流速等，而結合現有研究可以發現，過高的噴槍流速會導致氨水溶液濃度降低，隨之拉長的蒸發用時會降低還原反應速率，中心筒受此影響將直接排出大量NH3，過大的霧化液滴粒徑也會導致蒸發耗時拉長，進而降低還原反應速率。但如果存在過小的霧化粒徑，蒸發過快則會催生浪費問題，較差的顆粒剛性則很容易被煙氣攜帶排出，還原反應因無法深入分離器內部而無法充分進行，液滴穿透能力和分布的均勻程度會受到霧化錐角影響。一般來說，30～80 μm的噴嘴霧化粒徑較為合適，噴射壓頭則需要控制在0.4～0.8 MPa(4～8 bar)區間，壓縮空氣屬于常用霧化介質，液滴射程能夠得到保障；考慮到噴槍數量和噴射位置直接影響脫硝效率，因此陜西陜焦化工有限公司通過仿真模擬、現場測試確定了最佳噴射位置，并每個分離器設置3個噴槍。SNCR脫硝技術優化改造后，煙氣中氮氧化物折算后排放濃度測試結果在50 mg/Nm3以下，技術優化取得預期效果，同時優化后的噴槍布置能夠實現還原劑全覆蓋，煙氣與氨水能夠良好混合反應，做到了混合均勻、反應及時，輔以鍋爐增容改造、低氮燃燒改造，陜西陜焦化工有限公司循環流化床鍋爐床溫得以穩定并在反應區間，爐內工況改善明顯，達到最佳脫硝反應狀態，這使得流化效果更佳且能耗降低顯著，因此案例企業的SNCR脫硝技術優化應用具備較高借鑒價值。

3 結語

綜上所述，SNCR脫硝技術在循環流化床鍋爐中的應用價值較高。為更好提升循環流化床鍋爐的環保性能，SNCR脫硝技術的應用還應關注煤質變化的應對、風量比例的動態調整、反饋時間的有效縮短、國家環保政策要求的嚴格貫徹，技術本身的優化研究也需要得到重視。