改進型SNCR煙氣脫硝裝置

孟宏君，王尚尚，張凱奇，印 江，李麗鋒

（1.山西大學 自動化與軟件學院，太原030013；2.山西大學 數(shù)學科學學院，太原030006；3.山西河坡發(fā)電有限責任公司，陽泉045011）

燃煤電廠在實現(xiàn)發(fā)電任務的同時，會產(chǎn)生一系列副產(chǎn)物，如氮氧化物NOx、二氧化硫SO2、煙塵等。近些年為響應國家環(huán)保政策的號召，電廠污染物的排放標準越來越嚴苛。NOx包括NO、N2O、NO2、NxOy等，主要危害有在大氣中形成酸雨，破壞建筑物和土壤；對臭氧層造成破壞；麻痹人體中樞神經(jīng)系統(tǒng)等。山西省2018年發(fā)布的《燃煤電站大氣污染物排放標準》氮氧化物排放濃度上限值下調為50 mg/Nm3，對NOx的脫除刻不容緩。本文介紹了常見的脫硝技術，以山西省某電站2×350 MW 循環(huán)流化床機組（CFB）為背景，分析其SNCR 脫硝原理與脫硝工藝流程。基于現(xiàn)場已有的SNCR 脫硝裝置，設計了一種改進型SNCR煙氣脫硝裝置，論述其結構、工作原理和預期效果。

1 脫硝技術

目前氮氧化物NOx的脫除技術按照燃料燃燒時期的不同大致可以分為燃料脫硝技術、低氮燃燒技術、煙氣脫硝技術3 種[1]。

1.1 燃料脫硝技術

燃料脫硝技術是指在燃燒前采取的脫硝措施，選用含氮量低的燃料或者利用一定方法使得燃料中的氮成分含量減少。燃料脫硝技術是一種從源頭上降氮的技術，常見的方法有洗選法、加氫脫硝法、煤的氣化和液化法、微生物脫氮法等[2]。

1.2 低氮燃燒技術

低氮燃燒技術是指在燃燒過程中采取的脫硝技術。對于燃煤電廠，影響NOx生成的主要因素有燃燒煤質、燃燒過程的床溫、爐膛含氧量、鍋爐機組負荷、加入的石灰石的量、煤燃燒時間等[3]。低氮燃燒技術通過控制燃燒溫度、含氧量、燃燒方式或環(huán)境來減少NOx生成，常見的方法有空氣分級燃燒法、低NOx燃燒器、煙氣再循環(huán)法、低氧燃燒、燃燒優(yōu)化等[4]。

1.3 煙氣脫硝技術

煙氣脫硝技術指在燃燒后采取的脫硝措施，是一種從終端上降氮的技術，采用一定的物理或化學方法脫除煙氣中NOx，是目前大多數(shù)燃煤電廠采用的脫硝手段，分為干法脫硝和濕法脫硝兩大類。濕法脫硝是利用液態(tài)吸收劑和煙氣中NOx反應，常見的液態(tài)吸收劑有稀硝酸HNO3、氫氧化鉀KOH、氫氧化鈉NaOH、氨水NH3·H2O、尿素CO（NH2）2、亞鐵螯合劑（FeⅡEDTA 和FeSO4）等。干法脫硝常用的方法有等離子體活化法、利用活性炭、分子篩和沸石等吸附法、選擇性催化還原技術（SCR）、選擇性非催化還原技術（SNCR）等[5]。

2 CFB 機組及SNCR 脫硝現(xiàn)狀

以山西省某電站2×350 MW 循環(huán)流化床機組（CFB）為背景，鍋爐型號為DG1184/25.31-Ⅱ1，超臨界參數(shù)變壓運行直流爐、單個爐膛、呈M 型半露天布置、一次中間再熱、3 臺高溫冷卻式旋風分離器，并配套有350 MW 超臨界汽輪發(fā)電機組[6]。對于該機組燃燒的煤種主要是無煙煤，此外為響應國家超低排放、低熱值煤燃燒的號召，該電站充分利用煤泥凝聚結團和爆裂燃燒的特性，采用先進的濕煤泥爐頂拋灑燃燒方式，以及利用機組發(fā)電做功后的乏汽，采用蒸汽間接熱干化工藝將污泥含水率由80%降低到30%，處理后的干化污泥與原煤混摻燃燒，大大提高了鍋爐燃燒特性和經(jīng)濟效益。在燃燒過程中，還是會產(chǎn)生一系列污染物，NOx的主要來源依舊是燃料型NOx。

該電站采用SNCR 煙氣還原脫硝技術進行NOx脫除，還原劑為尿素CO（NH2）2，通過在每臺旋風分離器入口、頂部和出口布置5 支墻式噴槍進行20%Wt 尿素溶液的噴射與煙氣中的NOx反應，利用脫除NOx的反應式見式（1）和式（2）。SNCR 煙氣脫硝工藝流程如圖1 所示。為保證煙囪出口NOx排放濃度達標，通常尿素溶液會過噴，出口NOx排放濃度雖降低，但容易造成氨逃逸問題，未反應逃逸的氨與煙氣中的硫化物反應生成黏性銨鹽，堵塞省煤器與空預器，增加了系統(tǒng)阻力，加劇設備的腐蝕，同時布袋除塵器糊袋影響除塵等，從而使成本上升，影響經(jīng)濟效益。

圖1 SNCR 脫硝工藝流程Fig.1 SNCR denitration process

與此同時伴隨著副反應的發(fā)生：

3 改進型SNCR 脫硝裝置

基于該電站SNCR 脫硝裝置，設計了一種改進型SNCR 煙氣脫硝裝置。

3.1 主要設備

改進型SNCR 煙氣脫硝裝置主要設備包括反應箱、冷卻箱、活塞筒、攪拌桿與絲桿、傳動皮帶與皮帶輪、液泵、風扇、伺服電機、溫度傳感器、連接管、安裝板、制冷板、支撐板、固定板與移動板等。該裝置整體示意圖如圖2 所示，內部示意圖如圖3 所示，圖3 中A 處局部放大圖如圖4 所示，裝置俯視圖如圖5 所示。

圖2 改進型SNCR 煙氣脫硝裝置整體示意圖Fig.2 Overall schematic diagram of improved SNCR flue gas denitrification device

圖3 改進型SNCR 煙氣脫硝裝置內部示意圖Fig.3 Internal schematic diagram of improved SNCR flue gas denitrification device

圖4 改進型SNCR 煙氣脫硝裝置A 處局部放大圖Fig.4 Partial enlarged drawing of improved SNCR flue gas denitrification device at A

圖5 改進型SNCR 煙氣脫硝裝置俯視圖Fig.5 Top view of improved SNCR flue gas denitrification device

圖中，1-反應箱；2-冷卻箱；3-降溫套；4-進煙口；5-出煙口；6-伺服電機；7-攪拌桿；8-第一皮帶輪；9-活塞筒；10-第一連接管；11-第二連接管；12-推桿；13-連接板；14-絲桿；15-第二皮帶輪；16-傳動皮帶；17-移動板；18-第一液泵；19-第二液泵；20-吸液管；21-出液管；22-制冷板；23-支撐板；24-固定板；25-安裝板；26-風扇；27-溫度傳感器。

3.2 結構原理

該改進型SNCR 煙氣脫硝裝置，包括有反應箱與冷卻箱，反應箱底部通過支撐柱與冷卻箱頂部固定連接，反應箱外固定連接有降溫套，反應箱上設有進煙管和出煙管。進煙管的上端從反應箱的頂壁穿出，進煙管的下端伸入反應箱內且向反應箱的底部空間延伸，出煙管設于反應箱右側壁的上部，出煙管可將反應箱內空間與外界連通。

反應箱頂部安裝有伺服電機，反應箱內設有攪拌桿。伺服電機的輸出端向下與攪拌桿的上端傳動連接，攪拌桿的下端從反應箱的底部穿出，攪拌桿下端固定連接有第一皮帶輪。反應箱右側壁固定連接有活塞筒，活塞筒的上部空間通過第一連接管與反應箱內空間連通，活塞筒的下部空間通過第二連接管與反應箱內空間連通，對應活塞筒設有推桿，推桿的上端位于活塞筒內，推桿的下端從活塞筒底部穿出。冷卻箱的右側壁上端和下端均設有連接板，兩塊連接板之間設有絲杠，絲杠與兩塊連接板可轉動連接，且絲杠的上端從上方連接板的頂部穿出，絲杠的上端固定連接第二皮帶輪，第二皮帶輪與第一皮帶輪通過傳動皮帶連接。絲杠上可轉動連接有移動板，移動板的頂部與推桿的下端固定連接。

冷卻箱的側壁設有第一液泵和第二液泵，第一液泵的吸液端通過吸液管與降溫套內空間連通，第一液泵的出液端與冷卻箱內部空間連通，第二液泵的出液端通過出液管與降溫套內空間連通，第二液泵的吸液端與冷卻箱內部空間連通，冷卻箱底部設有制冷板。

降溫套與反應箱的前壁、后壁和左側壁固定連接。

冷卻箱的底部通過兩塊支撐板連接有固定板，兩塊支撐板之間設有安裝板，安裝板上設有可對制冷板進行降溫的風扇。

反應箱內設有溫度傳感器，溫度傳感器與伺服電機電性連接。

支撐柱設置有4 個，均勻分布設于冷卻箱頂部四角。

第一連接管內設有第一單向閥，第二連通管內設有第二單向閥。

3.3 反應原理與預期效果

與該電站SNCR 脫硝裝置相比，改進型SNCR煙氣脫硝裝置，通過設置有攪拌桿、活塞筒與連通管，伺服電機的輸出端帶動攪拌桿轉動，使得攪拌桿帶動第一皮帶輪轉動，通過傳動皮帶帶動第二皮帶輪轉動，帶動往復絲桿轉動，帶動移動板移動，使得推桿上移，同時反應箱內部的尿素溶液通過連接管進入活塞筒內部，推桿推動活塞筒內部的尿素溶液通過連通管進入反應箱內部，使得反應箱內部的尿素溶液流動，尿素溶液與煙氣進行充分接觸，從而提高了煙氣與尿素溶液的反應率，提高脫硝裝置的工作效率。

與此同時改進型SNCR 煙氣脫硝裝置通過設置有降溫套、進液管與出液管，當溫度傳感器檢測到反應箱內部溫度過高時，制冷片對冷卻箱內部的冷卻液進行降溫，第一液泵的吸液端將冷卻箱內部的冷卻液吸入，第一液泵的出液端將冷卻液排入進液管內部，通過進液管輸入至降溫套內部，通過降溫套對反應箱內部進行降溫，同時第二液泵的吸液端通過出液管將降溫套內部的冷卻液吸入，然后第二液泵的出液端將冷卻液排入至冷卻箱內部進行重新降溫使用，使得反應箱內部的溫度降低，尿素溶液與煙氣的反應溫度降低，從而提高煙氣與尿素溶液的反應率。

4 結語

本文通過分析山西省某2×350 MW 循環(huán)流化床機組（CFB）其脫硝原理與脫硝工藝流程，在已有脫硝裝置基礎上進行改進，設計出了一種改進型SNCR 煙氣脫硝裝置，利用伺服電機帶動攪拌桿、傳動帶、皮帶輪、推桿等一系列的傳動，使得尿素溶液往復進入至反應箱內部，反應箱內部的尿素溶液不斷流動，尿素溶液與煙氣進行充分接觸，從而提高了煙氣與尿素溶液的反應率，從而提高了本裝置的工作效率。溫度傳感器、制冷片、風扇、兩級液泵在裝置中的配套使用，大大降低了反應過程中放熱溫度，起到循環(huán)降溫的作用。為該電廠后續(xù)脫硝裝置的改進提供了一種新的思路。