麦电网讯：对选择性非催化还原(SNCR)脱硝工艺的设计流程和设计关键点进行了论述分析.结果表明:SNCR脱硝反应的温度窗口并非一个固定的温度范围,其随还原剂种类、烟气成份、还原剂浓度及雾化特性的不同而改变;喷枪的分区和布置是SNCR系统工艺设计的核心,准确的喷枪分区和布置能够在锅炉不同负荷时自动调节喷枪参数,达到最优脱硝效果;建议设置还原剂高流量循环模块和除盐水箱,以稳定进入计量模块的还原剂流量和稀释水压力.该结论可为SNCR脱硝技术的工程应用提供技术支持.

随着环保标准的不断提高,电站锅炉面临的环保压力越来越大:火电机组NOx排放限值从GB13223—2003[1]中的450mg/m3(标准状态,6%O2,下同)降至GB13223—2011[2]中的100mg/m3,2014年发布的《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014—2020年)》[3]要求东部地区11省、中部地区8省的新建机组NOx排放达到超低排放标准(50mg/m3),并鼓励西部地区新建机组接近或达到该标准.

目前,适用于燃煤电站锅炉成熟的NOx控制技术主要有低氮燃烧技术(LNB)[4-5]、选择性非催化原(SNCR)脱硝技术[6-8]、选择性催化还原(SCR)脱硝技术[9-11]等.

这些技术可单独使用,也可组合使用.为了达到GB13223—2011中NOx排放限值100mg/m3的要求,大部分电站锅炉都进行了脱硝改造.其中,大部分锅炉的改造技术路线为LNB+SCR方案,也有部分锅炉采用了LNB+SNCR+SCR方案.采用LNB可降低燃烧过程中生成的NOx:褐煤/烟煤锅炉炉膛出口NOx质量浓度降至250~400mg/m3[12-13],贫煤锅炉炉膛出口NOx质量浓度降至450~600mg/m3[14],无烟煤锅炉炉膛出口NOx质量浓度降至800mg/m3以下[15-16].

采用SNCR技术,可使煤粉锅炉NOx排放质量浓度降低30%~50%,循环流化床锅炉NOx排放质量浓度降低60%~75%.SCR技术可使NOx排放质量浓度降低90%,但不建议单SCR系统脱硝效率高于90%.

在上述3种NOx排放控制技术中,SNCR技术对锅炉的改动最小,其项目初投资较低,在电站锅炉脱硝改造中有一定范围的应用.对于燃用无烟煤的锅炉,由于LNB改造只能将NOx排放质量浓度控制在800mg/m3以下,单独使用SCR技术也很难将NOx质量浓度降至50mg/m3,因此需要增加SNCR脱硝装置,使用LNB+SNCR+SCR方案可将NOx质量浓度降至50mg/m3以下.

随着火电机组NOx排放标准的进一步提高,SNCR技术将得到更广泛的应用.但是,目前国内的SNCR市场较为混乱,在具体实施过程中存在较多的问题.为此,本文从SNCR脱硝原理出发,对SNCR脱硝工艺设计流程及系统设计关键技术进行了论述,以期为SNCR脱硝技术的应用提供技术支持.

1SNCR脱硝原理

SNCR脱硝技术是利用机械式喷枪将氨基还原剂(如氨水、尿素、异氰酸等)溶液雾化成液滴喷入炉膛合理的区域.氨基还原剂蒸发或热解生成气态NH3,在一定的温度区域和无催化剂的条件下,NH3与NOx发生化学反应,将NOx还原成N2与H2O.

SNCR脱硝反应路径如图1所示.由图1可以看出,与NO反应的主要基元物质为NH2和NCO,而NH2和NCO的产生均需要OH.OH浓度对SNCR脱硝反应至关重要,在氨选择性还原NO反应的“温度窗口”内,仅在一定的温度区间且OH活性根的浓度比较适宜时,脱硝反应才能有效进行.另外,OH活性根的产生必须有O2存在.

图1SNCR脱硝反应路径

SNCR反应的温度窗口不固定,其随还原剂种类和烟气中CO的含量变化而变化.一般以尿素作为还原剂时,SNCR反应温度窗口为900~1150℃;以氨水作为还原剂时,温度窗口为870~1100℃.此温度窗口只能作为SNCR设计时的1个参考值,如果烟气中CO含量较多,温度窗口会向低温方向移动,而尿素溶液或氨水稀释的浓度、还原剂雾化的颗粒直径也会对该温度窗口有影响.

2SNCR工艺设计流程

SNCR工艺设计流程为:还原剂选择、评估、流场模拟和优化调整实验.燃煤锅炉SNCR脱硝系统常用的还原剂有氨水和尿素2种.还原剂主要根据当地所处的地理位置以及还原剂的成本、来源、安全性、运输费用等确定.

另外,由于还原剂喷入高温烟气中要经过表面水分蒸发和尿素热解2个步骤后才与NOx发生反应,尿素溶液喷射距离比氨水远,所以建议煤粉锅炉优先选择尿素溶液作为还原剂.

评估时,首先根据NOx排放质量浓度初始值、温度、燃烧条件、炉型、煤种等,预测能否达到NOx排放质量浓度目标值;然后根据核对后的锅炉相关参数,给出喷枪的大致布置位置、数量及SNCR系统的物料消耗等.

流场模拟的主要作用是确定喷枪的布置位置和能够达到的脱硝效率.首先,通过流体动力学模拟来确定关键工艺参数的有效边界条件,以及喷枪喷出还原剂的覆盖面积和反应温度.此时,需要根据实测的温度参数调整计算结果,使模拟结果更接近真实情况.然后,通过化学动力学模拟来确定脱硝效率.此时,应注意烟气中CO对脱硝效率的影响.

通常在SNCR系统安装完成后会进行工程调试和优化调整试验,将SNCR系统调试到满足技术协议要求的水平,并投入自动.优化调整试验需要测试锅炉在高、中、低负荷工况及不同SNCR系统投运参数下,空气预热器入口截面上NH3的分布情况,据此确定SNCR系统的最佳运行策略,从而实现在达到NOx排放目标值的前提下,获得最佳还原剂耗量和最少氨逃逸量.

优化调整试验不能依据在线NH3测试仪的测量数据,而应采用化学法测量.这是因为:1)在线NH3测试仪只能测量局部NH3体积分数,因此测量值不能代表整个截面的水平;2)目前,在线NH3测试仪不能精确测量低体积分数的NH3.

3系统设计关键技术

3.1确定喷枪布置位置SNCR技术的核心在于将还原剂喷到烟气温度适合SNCR反应的位置.由于SNCR反应的温度窗口较窄,而电站锅炉负荷经常变化,所以准确确定SNCR喷枪布置位置关系到SNCR系统能否达到最优脱硝效果(最高的脱硝效率、最小的氨逃逸量以及最佳的还原剂用量,下同).

喷枪的位置和层数需要综合考虑锅炉的负荷情况和各负荷下需要的脱硝效率.图2为循环流化床锅炉SNCR系统典型喷枪布置示意.第1层喷枪布置在旋风分离器入口烟道上,满负荷时炉膛出口温度较高,该位置烟气温度处于SNCR反应的温度窗口内,可投运此处喷枪;第2层布置在炉膛上部区域的空间,低负荷时炉膛出口温度较低,该位置烟气温度在SNCR反应的温度窗口内,可投运此处喷枪.

当锅炉负荷在低负荷和高负荷之间变化时,可同时投运2层喷枪,并相应调节喷入炉膛中还原剂溶液的参数以适应锅炉负荷改变引起的温度变化,从而获得最优脱硝效果.

图2循环流化床锅炉SNCR系统典型喷枪布置示意

3.2设计还原剂计量稀释模块

计量稀释模块的作用即将还原剂与稀释水按一定的比例混合均匀后送入分配模块.注意该混合比例不能预先设定,而应通过优化调试确定,对于不同喷射层该比例各不相同.如果喷枪设置2层,则必须有2个计量稀释模块.

这2个计量稀释模块可以单独调节送入每层喷枪的还原剂质量浓度、流量和压力.如果喷枪需要设置3层,则根据喷枪需要投运的情况设置2个或3个计量稀释模块.图3为计量稀释模块系统.稀释水和还原剂溶液分别流经球阀、调节阀、球阀、涡轮流量计或电磁流量计后进入到还原剂和稀释水混合器,稀释水和还原剂溶液在混合器中混合稀释,然后经球阀和止回阀进入分配模块.

还原剂溶液调节阀调节还原剂溶液流量,其开度随锅炉运行负荷及生成的NOx质量浓度而变化;而稀释水调节阀是1个压力调节阀,其主要作用是当还原剂溶液流量改变后保持稀释后的还原剂溶液压力维持在某个固定值,从而保证喷枪的雾化性能.

图3计量稀释模块系统

计量稀释模块在SNCR系统中非常重要,并且其设计必须与设置的喷枪层数相对应,以保证在投运相应层数的喷枪时,能够分区调节喷枪参数,以确保获得最优脱硝效果.

3.3设计分配模块分配模块的作用是将计量稀释后的还原剂溶液分配到每层的各支喷枪,同时将压缩空气按照一定压力送入喷枪.分配模块与喷枪的层数一一对应.

图4为分配模块系统.从计量模块来的尿素溶液分成4条支路供入4支喷枪.每条支路的尿素溶液先经过1个球阀进入转子流量计,然后进入喷枪.转子流量计能够使运行人员直观地掌握每支喷枪的运行状态.压缩空气经过1个球阀和1个减压阀后进入喷枪.调试时首先调节粗调球阀,使压缩空气的压力达到喷枪要求的压力范围,然后再细调减压阀,使喷枪的压力达到目标值.调试结束后运行过程中,分配模块中的阀门开度不能改变.

图4分配模块系统

3.4设计还原剂制备储存系统图5为尿素溶液制备储存系统.尿素颗粒在溶解罐里溶解成质量分数为50%的尿素溶液,经过尿素溶液转存泵送入尿素溶液储罐,然后经尿素溶液循环泵抽出形成1个高流量循环系统,所需要的尿素溶液从该循环管路中取出.

为了保证计量模块中尿素溶液的流量稳定,高流量循环系统的尿素溶液流量通常为计量模块中的3~5倍.另外,在稀释水泵之前需要设置1个除盐水罐,以保证进入计量模块的稀释水压力相对稳定.

图5尿素溶液制备储存系统

4结论

1)SNCR脱硝反应的温度窗口并非一个固定的温度范围,其随还原剂种类、烟气成分、还原剂浓度及雾化特性的不同而改变.

2)喷枪的分区和布置是SNCR系统工艺设计的核心.准确的喷枪分区和布置能够在锅炉不同负荷时自动调节喷枪参数,从而使SNCR反应处于合理的温度区间,达到最优脱硝效果.

3)还原剂溶液计量模块和分配模块的设置与喷枪的分区对应,应能独立调节进入各分区喷枪的还原剂参数.

4)还原剂区的设计应能保证稳定的还原剂和稀释水供应.建议设置还原剂高流量循环模块和除盐水箱,以稳定进入计量模块的还原剂流量和稀释水压力.