混合法脱硝工艺在燃煤机组超低排放中的应用
摘 要
混合法脱硝工艺是结合了 SCR 技术高效、SNCR 技术投资省的特点而发展起来的一种新型的、成熟的工艺。通过伊敏电厂三期 2×600MW 机组 SNCR+SCR 混合法脱硝工艺方案的论述。首先对 SNCR 系统的供氨能力进行了摸底测试，结果发现 SNCR 系统能够产生足够的氨逃逸满足 SCR 系统的使用，但氨逃逸分布的均匀性较差。然后根据测试的结果对 SCR 系统烟道进行了优化设计并安装了烟气混合器，改善了进入 SCR 反应器的氨逃逸分布均匀性。通过改造，成功的将 NOx从 260mg/m3降至 90mg/m3以下；并且通过进一步增加 SNCR 系统四区喷枪喷入的尿素溶液流量能够将 SCR 出口的 NOx降低至 50mg/m3以下。
关键词：SNCR；SCR；氨逃逸；均匀性
1 概况
自从 SNCR 脱除 NOx工艺在上世纪 70 年代由美国人发明并申请了专利之后，这种技术就由于其具有较高的性价比而得到了广泛的应用。我国于 2007 年在江苏利港电厂引进了第一台 600MW 机组的 SNCR 脱硝装置。近几年，随着我国环境污染的加剧和环保标准的日益提高，配备 SNCR 脱硝系统的锅炉数量也在持续增长。特别是 2014年发布的《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014-2020年）》，许多已进行 SCR 改造的 W 火焰锅炉，由于其初始NOx排放浓度较高，单纯靠加装一层催化剂已难以达到超低排放的要求。在这种情况下，使用 SNCR+SCR 混合法脱硝技术才是经济可行的超低排放技术路线。
伊敏电厂三期 2×600MW 机组在 2010 年建成投运时配套建设了 SNCR 脱硝系统来。使用尿素作为脱硝的还原剂，脱硝系统的设计效率为 35%（NOx从 260mg/m3降低至170mg/m3）。SNCR 脱硝设备由大唐集团和美国 FuelTech,Inc. 提供，于 2011 年 7 月通过“168”试运行。经过西安热工院调试，后又经电厂技术人员一年多的调试，5、6 号炉NOx排放值为 170mg/m3，平均干尿素耗量每天约 17 吨。西安热工院“千人计划”专家徐宏杰博士根据现场摸底试验，对现有设备提出了改进意见，通过对 6 号炉 40 多天消缺以及优化调试，以及对 5 号炉 20 多天调试，将 5、6 号炉NOx排放值控制在 150mg/m3，平均干尿素耗量每天约 9吨，如果按原排放目标值 170mg/m3运行，尿素耗量每天只需 4~5 吨，即每年为电厂节约近千万元运行成本。
随着国家环保标准的提高，要求这两台机组的 NOx排放要低于 100mg/m3。通过分析论证，计划采用 SNCR+SCR的技术路线来对这两台机组进行脱硝系统的升级改造，并可实现 50mg/m3的超低排放目标。保留原来的 SNCR 装置，仅对省煤器和空预器之间尾部烟道进行改造，安装两层催化剂（1+1），使用 SNCR 系统产生的逃逸氨作为 SCR 反应的还原剂。本文对这两台机组 SNCR+SCR 脱硝改造情况进行介绍，并探讨了在混合法脱硝技术下达到超低排放要求的可行性。
2 脱硝系统介绍
伊敏电厂三期机组 SNCR 系统采用尿素作为还原剂，其 SNCR 系统包括尿素溶液制备储存系统、尿素溶液循环供给系统、尿素溶液计量稀释系统、尿素溶液分配喷射系统。其中尿素溶液喷枪分四层布置：第一层喷枪为伸缩式短喷枪，布置在炉膛折焰角下部区域，沿炉膛四周布置；第二层喷枪为固定式短喷枪，布置在炉膛折焰角区域，只布置在锅炉前墙；第三层喷枪为固定式短喷枪，布置在炉膛折焰角上部区域，只布置在锅炉前墙上；第四层喷枪为长枪，布置在炉膛折焰角上方区域，从锅炉左墙和右墙插入布置。在添加 SCR 系统时，先将省煤器和空预器之间的水平和竖直烟道进行改造，在水平烟道上安装了烟气混合器，以减少或消除由 SNCR 系统产生逃逸氨在截面上的分布不均匀现象。然后将空预器进口竖直烟道进行改造，将反应器布置在竖直烟道上。整体脱硝系统示意图见图 1 所示。
图 1 伊敏电厂 SNCR+SCR 脱硝系统示意图
相比于常见的 SNCR+SCR 混合法脱硝技术来说，伊敏电厂使用的混合法脱硝技术具有两个特点：
（1）SCR 脱硝反应的还原剂完全靠上游 SNCR 系统反应生成的逃逸氨，没有在锅炉尾部烟道温度较低的位置安装补氨喷枪；
（2）SCR 反应器直接安装锅炉省煤器和空预器之间的烟道上。
因此伊敏电厂的混合法脱硝技术改造具有改造施工难度低、投资成本少的优点；但同时这两个特点对于混合法脱硝技术本身有比较大的挑战。其一，SNCR 系统喷枪都布置在烟气温度为 850~1050℃的炉膛位置。此温度范围下，能否获得足够的氨逃逸是保证下游 SCR 脱硝效率的关键因素之一；其二，由于没有安装补氨喷枪或喷氨格栅，SNCR系统产生的逃逸氨在 SCR 反应器入口截面上的分布是否均匀也是保证 SCR 脱硝效率的关键因素之一。
3 原 SNCR 系统产生氨逃逸能力测试
在进行 SCR 脱硝系统设计前，首先对原 SNCR 系统的产生氨逃逸能力及其在空预器入口截面上的分布进行了实验测试。实验测量了 600MW 下基础工况，即按照原运行参数运行的工况，此时喷枪投入三区和四区，控制 NOx浓度为 150mg/m3。同样测量了当仅增加四区喷枪喷入尿素溶液流量的工况，此时其它运行参数保持不变，比较这两种工况下氨逃逸浓度的增加和氨逃逸的分布。
图2伊敏电厂6号炉基础工况氨逃逸分布图
图3伊敏电厂6号炉基础工况NOx分布图
实验使用化学法对氨逃逸量进行测量，使用便携式烟气分析仪对烟气中的 NO 和 O2进行测量。测量的位置在空预器入口截面上。图 2 和图 3 给出了伊敏电厂 6 号炉在基础工况下测量得到的空预器入口截面上的氨逃逸和 NOx分布云图，图 4 和图 5 给出了伊敏电厂 6 号炉在增加 4 区喷枪喷入尿素溶液流量后空预器入口截面上氨逃逸和 NOx分布云图。从图 2 和图 4 我们可以看到，当 SNCR 系统在满负荷时，投运三区和四区喷枪时，空预器入口处的氨逃逸浓度分布很不均匀，呈现出前后墙浓度较高，而中间浓度较低的趋势。同时可以看到，增加四区投入的尿素溶液流量，能够较显著的增加系统的氨逃逸数量。从图 3 和图 5 可以看到，增加四区的尿素溶液流量，NOx的数量变化不大，其分布规律也基本都呈现出前墙浓度较高的趋势。
通过对原 SNCR 系统各工况下逃逸氨浓度及其分布趋势的测试可以得出结论：通过增加 SNCR 系统四区喷枪投入的尿素溶液流量能够使系统产生较多的氨逃逸，但此氨逃逸在空预器入口截面上的浓度分布是不均匀的。
图4伊敏电厂6号炉增加尿素溶液后氨逃逸分布图
图5伊敏6号炉增加尿素溶液后NOx分布图
图6 SCR系统流场数值模拟结果
4 SCR 系统改造
通过对原 SNCR 系统氨逃逸分布的测试得知 SNCR 系统产生的氨逃逸在空预器入口截面上的分布是不均匀的，如果仅将SCR 反应器安装在空预器入口烟道上而不采取任何措施的话，那么进入 SCR 反应的氨逃逸分布会很不均匀，从而会影响脱硝效率甚至催化剂的化学寿命。
通过采用数值模拟的方法对 SCR 系统烟道进行了流场设计，并添加了烟气混合器，以改善进入 SCR 反应器的氨氮摩尔比分布的均匀性。图 6给出了加装烟气混合器和导流板后省煤器出口和第一层催化剂入口氨浓度分布的云图，从图中可以看到，当原 SNCR 系统产生的氨逃逸浓度不均匀时，经过优化设计的 SCR 系统进口烟道后，进入第一层催化剂入口面上的氨浓度分布均匀性有很大的改善。
5 SNCR+SCR 混合法脱硝的实际效果
通过对伊敏电厂三期两台机组原 SNCR 系统的摸底测试，以及根据测试结果对 SCR 系统烟道进行优化设计之后，对这两台机组进行了脱硝改造。6 号炉在428MW 负荷下 SCR 系统的 DCS画面，改造后两个反应器的脱硝效率在 47%左右，SCR 反应器出口 NOx浓度低于 90mg/m3。同时在调试的时候也发现，继续增大SNCR 系统四区喷枪的尿素溶液流量，能够将 SCR 反应器出口的NOx调节到 50mg/m3以下。
6 结束语
通过对伊敏电厂三期 2×600MW 机组SNCR 系统进行摸底测试及 SCR 系统改造，我们成功的实施了在不增加补氨喷枪情况下的 SNCR+SCR 混合法脱硝技术。得到的主要结论如下：
（1）SNCR 系统能够产生足够的氨逃逸供下游 SCR 反应使用。
（2）SNCR 系统产生的氨逃逸的分布均匀性较差，需要加设烟气混合器和导流板才能使进入反应器的氨逃逸分布相对比较均匀。
（3）在目前的 SNCR+SCR 混合法脱硝运行情况下，适当增大 SNCR 系统四区的尿素溶液流量能够使 SCR 反应器出口的 NOx降低到 50mg/m3以下。将来进行超低排放改造的时候，仍然可以使用 SNCR+SCR 混合法脱硝的技术路线。
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