SNCR+SCR聯(lián)合脫硝的影響因素及解決方案
張煜1 王曾祺2 呂瑞亮2
1.中冶南方都市環(huán)保工程技術(shù)股份有限公司，湖北武漢 430000
2.寶雞市熱力有限責(zé)任公司，陜西寶雞 721006
摘要：鍋爐運(yùn)行過(guò)程中，一次網(wǎng)供水溫度、尿素溶液濃度、噴槍流量及噴槍氣壓（霧化效果）、煙氣混合程度均會(huì)影響脫硝效果。一次網(wǎng)供水溫度不超過(guò)92℃時(shí)，尿素溶液濃度可為7.6%~10%之間；當(dāng)一次網(wǎng)供水溫度高于95℃時(shí)，尿素溶液濃度需同步提高至14%。一定條件下，初寒期時(shí)，可調(diào)整爐后噴槍流量、氣壓至40L/h、0.25MPa，爐前50L/h、0.25MPa，嚴(yán)寒期時(shí)，可調(diào)整爐后噴槍流量、氣壓至60L/h、0.3MPa，爐兩側(cè)，爐前流量、氣壓為25L/h、0.25MPa，保證NOx穩(wěn)定、達(dá)標(biāo)排放。
關(guān)鍵詞：一次網(wǎng)供水溫度；尿素溶液濃度；霧化效果；煙氣混合程度
氮氧化物（NOx）是造成大氣污染的主要污染物之一[1]。人類活動(dòng)產(chǎn)生的NOx90%以上來(lái)自于燃料的高溫燃燒。對(duì)于燃煤鍋爐，NOx產(chǎn)生的主要形式是熱力型，即原子氧和氮之間的化學(xué)反應(yīng)。目前，消減氮氧化物排放量較為成熟且有效的方法為催化/非催化還原法，即SCR（選擇性催化還原技術(shù)）和SNCR（選擇性非催化還原技術(shù)）[2-3]。隨著最新的大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（DB61/941-2018）的實(shí)施，燃煤鍋爐均進(jìn)行了超低排放改造工程，其中脫硝系統(tǒng)采用SNCR+SCR聯(lián)合脫硝，氮氧化物去除率達(dá)到90%以上。某公司供熱站采用3臺(tái)70MW鏈條式熱水鍋爐進(jìn)行集中供暖，并配備SNCR+SCR聯(lián)合脫硝，經(jīng)調(diào)節(jié)尿素溶液濃度，噴槍流量及壓力、尿素溶液與煙氣混合度等影響因素，可保證NOx排放濃度在不同供水溫度下穩(wěn)定、達(dá)標(biāo)排放。
1 供熱站脫硝系統(tǒng)概述
該供熱站采用3臺(tái)70MW鏈條式熱水鍋爐，年供熱面積約為500萬(wàn)m2，脫硝系統(tǒng)采用SNCR+SCR聯(lián)合脫硝工藝，一爐一器（SCR反應(yīng)器）設(shè)計(jì)，SCR反應(yīng)器設(shè)計(jì)兩層TiO2/V2O5催化劑，分設(shè)兩層聲波吹灰裝置。尿素制備系統(tǒng)主要有：尿素濃溶液制備罐（半徑0.6m，高1.6m）1個(gè)，尿素稀溶液制備罐2個(gè)，稀釋水系統(tǒng)1套。尿素溶液輸送泵4個(gè)（3用1備），單臺(tái)鍋爐設(shè)計(jì)噴槍數(shù)為18支。正常運(yùn)行工況下，煙氣進(jìn)入SCR反應(yīng)器溫度為280℃-400℃，經(jīng)超低排放改造，NOx排放濃度低于50mg/m3，脫硝效率穩(wěn)定維持在90%以上，生產(chǎn)運(yùn)行穩(wěn)定。圖1為脫硝系統(tǒng)工藝流程圖。
圖1 3×70MW熱水鍋爐脫硝過(guò)程工藝流程圖
掃碼聯(lián)系 杜工15150501663
獲取具體脫硝空預(yù)器改造資料
2 脫硝過(guò)程中的影響因素
2.1 一次網(wǎng)供水溫度
根據(jù)外界環(huán)境溫度的變化情況，鍋爐一次網(wǎng)供水溫度會(huì)進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整，保證熱用戶室內(nèi)溫度為18±2℃。氮氧化物的產(chǎn)生量與溫度密切相關(guān)，研究表明：隨著反應(yīng)溫度T的升高，其反應(yīng)速率按指數(shù)規(guī)律增加[4]。因此，一次網(wǎng)供水溫度的升高，需相應(yīng)提高爐膛、爐后的燃燒溫度，單位時(shí)間內(nèi)，熱力型NOx反應(yīng)速率增加，其產(chǎn)生量隨之增加。選取一次網(wǎng)供水溫度分別為85℃、90℃、92℃、95℃、100℃、102℃時(shí)，統(tǒng)計(jì)分析氮氧化物濃度值和尿素溶液濃度的變化情況。表1為一次網(wǎng)不同供水溫度下，NOx濃度值和尿素溶液濃度。
表1 一次網(wǎng)不同供水溫度下NOx濃度值和尿素溶液濃度
一次網(wǎng)供水溫度/℃
85
90
92
95
100
102
尿素溶液濃度/%
7.6
10
10
12
12
14
NOx濃度值/( mg·m-3)
33
35
45
42
44
40
注：NOx濃度值是鍋爐運(yùn)行5天內(nèi)的平均值。
從表1可知，通過(guò)調(diào)整尿素溶液濃度，可避免因一次網(wǎng)供水溫度升高而導(dǎo)致NOx濃度值超標(biāo)的問題。即一次網(wǎng)供水溫度不超過(guò)92℃時(shí)，尿素溶液濃度可為7.6%~10%之間；當(dāng)一次網(wǎng)供水溫度高于95℃時(shí)，尿素溶液濃度需同步提高至14%。
2.2 尿素溶液濃度
尿素溶液經(jīng)熱解產(chǎn)生的氨氣是脫硝系統(tǒng)的還原劑[4]，如方程式（1）所示，配制尿素溶液濃度時(shí)，在保證SNCR反應(yīng)所需氨氣的同時(shí)，還應(yīng)確保SCR正常運(yùn)行。通過(guò)對(duì)鍋爐負(fù)荷、煙氣量、NOx排放限值的了解，確定了尿素溶液濃度值（7.6%~14%）的范圍，但具體的取值應(yīng)根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行狀況而定。遵循的原則為：在保證NOx達(dá)標(biāo)排放的前提下，應(yīng)盡可能減少尿素的消耗，節(jié)約成本。
CO(NH2)2+H2O 2NH3+CO2 (1)
根據(jù)以往運(yùn)行結(jié)果，尿素溶液濃度往往采取大流量、小濃度，小流量、大濃度兩種運(yùn)行模式。初、末寒期，供水溫度為80±5℃，采取大流量（380L/h）,小濃度（7.6%），NOx排放濃度可穩(wěn)定維持在33mg/m3左右。嚴(yán)寒期，供水溫度達(dá)到95℃以上時(shí)，大流量、小濃度運(yùn)行模式無(wú)法保證NOx達(dá)標(biāo)排放。因此，選取嚴(yán)寒期下的鍋爐一次網(wǎng)供水溫度，探究尿素溶液濃度對(duì)NOx排放的影響規(guī)律。圖2為同一供水溫度下，NOx排放濃度隨尿素溶液濃度的變化情況。
圖2 同一供水溫度下，NOx排放濃度隨尿素溶液濃度的變化情況
由圖2可以看出，初、末寒期的尿素溶液濃度（7.6%）均會(huì)造成NOx排放濃度超標(biāo)。隨著尿素溶液濃度的提高，相同一次網(wǎng)供水溫度下，NOx排放濃度明顯下降。分別達(dá)到最低值42 mg/m3、43 mg/m3、41mg/m3，再增加尿素溶液濃度，下降趨勢(shì)并不明顯。這種結(jié)果的呈現(xiàn)說(shuō)明，并不是尿素溶液濃度越大，NOx排放濃度就會(huì)越低?？刂芅Ox排放濃度的因素有很多，溫度，尿素溶液濃度、煙氣混合程度等，單從尿素溶液濃度來(lái)說(shuō)，合適的尿素?zé)峤鉁囟纫约按呋€原的反應(yīng)溫度，才是重中之重。
2.3 噴槍流量及噴槍氣壓（霧化效果）
尿素溶液的霧化效果主要由噴槍流量和噴槍氣壓決定，良好的霧化效果不僅可以降低NOx排放濃度，還可以節(jié)省尿素用量，反之，差的霧化效果，不僅不能降低NOx排放濃度，還會(huì)對(duì)鍋爐的水冷壁管造成腐蝕，甚至出現(xiàn)爆管現(xiàn)象[5]。在以往運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取不同時(shí)段，不同尿素溶液濃度，通過(guò)不定期的手動(dòng)調(diào)節(jié)噴槍流量和氣壓，觀察總排口NOx排放濃度的變化情況，如表2所示。
注：“-”表示未投運(yùn)。
由表2可知：（1）從噴槍的霧化效果來(lái)看，噴槍氣壓最佳范圍在0.25MPa-0.30MPa之間，隨著鍋爐負(fù)荷及NOx濃度值變化情況，可小范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)。（2）初寒期，NOx小時(shí)均值為38mg/m3（平均），單臺(tái)鍋爐尿素最高流量為550L/h，平均值為520L/h，為降低部分未熱解的尿素溶液對(duì)鍋爐水冷壁管的腐蝕，可調(diào)整爐后噴槍流量至40L/h（0.25MPa），爐前為50L/h（0.25MPa），保證NOx穩(wěn)定、達(dá)標(biāo)排放。（3）嚴(yán)寒期，①NOx小時(shí)均值為42mg/m3（平均），其中3#爐負(fù)荷變化對(duì)總排口NOx濃度值影響較大，因此建議非必要條件下，保證3#爐穩(wěn)定運(yùn)行；②單臺(tái)鍋爐尿素最低流量為390L/h，平均值為460L/h，為降低尿素用量，可調(diào)整爐后噴槍流量至60L/h（0.3MPa），爐兩側(cè)、爐前流量為25L/h（0.25MPa），或減少爐前噴槍數(shù)量，使單臺(tái)鍋爐尿素平均流量為410L/h，但該方法會(huì)對(duì)爐后水冷壁管造成影響。（4）①投運(yùn)鍋爐前，應(yīng)在鍋爐外進(jìn)行噴槍調(diào)式，選擇適合的氣壓和流量，保證噴槍無(wú)滴液現(xiàn)象；②保持管道溫度在40℃以上，避免管道內(nèi)有尿素結(jié)晶析出；③非必要情況下，建議不投運(yùn)煙道噴槍，避免煙道腐蝕及SCR催化劑因硫酸銨發(fā)生中毒[6]，催化劑中毒如方程式（2）所示。因此，在鍋爐供熱參數(shù)變化的情況下，及時(shí)、有效、科學(xué)地調(diào)整噴槍的霧化效果，可避免因鍋爐參數(shù)發(fā)生變化導(dǎo)致NOx瞬時(shí)超標(biāo)現(xiàn)象的發(fā)生，同時(shí)調(diào)節(jié)噴槍流量在一定程度上可以降低尿素使用量，節(jié)省生產(chǎn)成本。
2NH3+H2O+SO3→ (NH4)2SO4 （2）
2.4煙氣混合程度
煙氣混合程度是指鍋爐燃燒后產(chǎn)生的煙塵與尿素溶液（氨氣）的接觸情況，主要以停留時(shí)間和接觸面積兩個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)判煙氣混合程度[7]。區(qū)域集中供熱鍋爐系統(tǒng)保證煙氣混合程度主要通過(guò)：尋找合適的溫度場(chǎng)[8]，保證尿素溶液熱解和催化還原反應(yīng)溫度，如方程式（3）、（4）所示；選擇合適的噴槍型號(hào)，安裝合適的噴槍角度[9]。
4NH3+4NO+O2 → 4N2+6H2O (3)
8NH3+6NO2 → 7N2+12H2O (4)
SNCR反應(yīng)溫度區(qū)間為850℃~1100℃，鍋爐負(fù)荷達(dá)到95%時(shí)，爐膛溫度可以達(dá)到900℃左右，因此在爐前、爐兩側(cè)共設(shè)置10把噴槍，主要噴射區(qū)域?yàn)闋t膛，保證SNCR反應(yīng)；經(jīng)改造后，爐后旗式受熱面溫度范圍為733℃~814℃，此處煙氣流速為5m/s左右，煙氣流速相對(duì)較低，且溫度場(chǎng)滿足尿素?zé)峤鉁囟?，保證脫硝催化器的正常工作。
爐膛間距2.3m，噴槍噴射距離最大不超過(guò)2.3m；在此位置的10把噴槍的噴嘴采用110度實(shí)心扇形噴嘴。爐后旗式受熱面布置的4把噴槍，選擇30度實(shí)心錐噴嘴，此處噴射距離向上直管段約6m，減少尿素溶液對(duì)水冷壁的腐蝕。噴槍結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 噴槍結(jié)構(gòu)圖
3 結(jié)論
一次網(wǎng)供水溫度、尿素溶液濃度、噴槍流量及噴槍氣壓（霧化效果）、煙氣混合程度均可影響脫硝效果，在保證NOx濃度達(dá)標(biāo)排放的前提下，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
（1）隨著一次網(wǎng)供水溫度的升高，應(yīng)相應(yīng)地提高尿素溶液濃度，一次網(wǎng)供水溫度不超過(guò)92℃時(shí)，尿素溶液濃度可為7.6%~10%之間；當(dāng)一次網(wǎng)供水溫度高于95℃時(shí)，尿素溶液濃度需同步提高至14%。
（2）在一定條件下，NOx排放濃度與尿素溶液濃度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。當(dāng)NOx排放濃度出現(xiàn)最低值時(shí)（40mg/m3），增加尿素溶液濃度毫無(wú)意義。
（3）初寒期時(shí)，可調(diào)整爐后噴槍流量、壓力至40L/h、0.25MPa，爐前為50L/h、0.25MPa，保證NOx穩(wěn)定、達(dá)標(biāo)排放；嚴(yán)寒期時(shí)，可調(diào)整爐后噴槍流量、壓力至60L/h、0.3MPa，爐兩側(cè)、爐前流量、壓力為25L/h、0.25MPa，或減少爐前噴槍數(shù)量，使單臺(tái)鍋爐尿素平均流量為410L/h，但該方法會(huì)對(duì)爐后水冷壁管造成影響。
（4）噴槍型號(hào)與尿素噴射區(qū)域溫度場(chǎng)決定煙氣混合程度的好壞。爐后旗式受熱面溫度范圍為733℃~814℃，噴嘴型號(hào)為30度實(shí)心錐噴嘴，可有效降低NOx排放濃度。
掃碼聯(lián)系 杜工15150501663
獲取具體脫硝空預(yù)器改造資料
