提高SNCR脱硝喷枪寿命的实践

陈江涛,赵 峰,周建强,孙为民,秦光耀,杨建华

(郑州电力高等专科学校动力工程系，郑州 450004)

提高SNCR脱硝喷枪寿命的实践

陈江涛,赵 峰,周建强,孙为民,秦光耀,杨建华

(郑州电力高等专科学校动力工程系，郑州 450004)

通过对SNCR脱硝喷枪实际使用过程中弯曲变形情况的调查，从喷枪结构、使用方式和工作环境等角度出发，分析导致喷枪变形的原因，并提出相应的改进措施，在实际生产中取得了延长喷枪使用寿命的优良效果。

脱硝喷枪；弯曲变形；寿命

0 引 言

目前，烟气脱硝技术主要包括选择性催化还原反应(SCR)技术和选择性非催化还原反应(SNCR)技术[1]。SCR脱硝工艺的脱硝效率可达80%以上，但初投资较高，且催化剂易中毒导致运行费用较高。SNCR脱硝工艺具有脱硝效率中等(30%～70%)、无需催化剂、运行费用较低、建设周期较短等特点，尤其适合中小型锅炉的改造，成为脱硝领域国内外学者研究的热点之一[2-5]。

SNCR脱硝系统关键的环节在于喷枪系统的设计和布置。脱硝喷枪受炉内烟气流动、高温(800～1 100 ℃)以及积灰等外界因素的影响，喷枪热应力分布不均，导致喷枪在使用一段后弯曲变形，严重影响了喷枪的使用寿命，从而使喷枪维护更换频繁，制约了脱硝生产效率的进一步发挥。以某秸秆发电厂75 t/h生物质锅炉脱硝改造为例，喷枪系统采用小型化的多喷嘴喷枪向炉内喷射氨水蒸汽。通过脱硝改造，发电厂氮氧化物污染物排放满足了环保指标，达到了预期的目标。但在半年来的使用过程中发现脱硝喷枪出现了较大的弯曲变形，影响了喷枪的正常使用。文中结合现场实际对脱硝喷枪变形原因进行了分析，并提出相应的改进措施，对延长喷枪使用寿命和提高脱硝效率具有实践意义。

1 原因分析

1.1 喷枪结构

喷枪结构如图1所示。

小型化的多喷嘴喷枪如图1所示，氨水通过还原剂入口进入喷枪蒸发管，在蒸发管内氨水与炉内烟气进行换热汽化，氨水汽化后进入喷射管道，通过喷射管道两侧锥形喷嘴和端部的扇形喷嘴喷射到脱硝还原区域进行脱硝反应。

图1 喷枪结构图1-扇形喷嘴；2-锥形喷嘴；3-喷射管；4-滑动支架；5-安装法兰；6-蒸发管；7-固定支架；8-压缩空气入口；9-还原剂入口

1.2 喷枪变形情况

现场使用中的脱硝喷枪典型弯曲变形情况如图2所示。通过现场观察，喷枪变形主要表现为固定支架焊点开裂引起蒸发管弯曲变形，在蒸发管末端的弯管处尤为严重。蒸发管的扭曲变形进一步引起滑动支架分离，喷射管失去滑动支架的限制，出现不同程度的弯曲变形，使预先设定的喷射点出现变动，影响氨水蒸汽与烟气的混合过程，进一步影响脱硝效率的发挥。

图2 脱硝喷枪弯曲变形图

1.3 原因分析

(1)结构原因

通过对现场喷枪的全面分析发现，固定支架焊点开裂是引起喷枪弯曲变形的主要原因。由于热变形是热应力的宏观表现，因此需要对喷枪结构进行热应力分析。氨水的汽化主要在U形蒸发管中完成，氨水在蒸发管流动过程中吸热温度逐渐升高，同时冷却蒸发管的管壁，防止管壁超温。根据氨水流动方向可知，U形蒸发管下分支氨水溶液温度小于上分支，下分支管壁温度小于上分支。温度不同会导致上下分支管的热伸长量不同，这种非等值的变形会进一步引起固定支架的开裂；同时热应力不断在蒸发器末端的弯管处积累，这也是末端弯管处扭曲变形较大的原因。固定支架的开裂使蒸发管失去变形限制，末端的变形进一步引起整个蒸发管的弯曲变形，最终导致出现如图2所示的变形情况。

(2)使用原因

脱硝喷枪的数量和布置方式是按照锅炉满负荷运行情况下进行设计，在使用过程中喷枪的投入量要随着负荷的变化进行调整。根据现场工作人员的反馈，在锅炉负荷降低时一些未投入使用的喷枪未及时从炉膛内抽出，也没有通入压缩空气冷却喷枪，导致这些喷枪处于干烧状态，变形尤为严重。

(3)环境原因

脱硝喷枪在炉内被高温的烟气冲刷，由于缺少吹灰装置灰渣不可避免的沉积在管壁上，导致管壁的传热热阻增加，管壁冷却效果变差，使喷枪的使用寿命降低。

2 改进措施

针对脱硝喷枪变形现状的调查分析，依据变形原因，采取的主要改进措施如下：

(1)改进喷枪蒸发管结构，确保蒸发效果。由原因分析可知蒸发管采用U形结构是导致喷枪弯曲变形的主要原因。蒸发管的主要作用是加热脱硝还原剂溶液，如果去掉蒸发管则需要在炉外对溶液进行汽化，会使整个喷射系统结构变得复杂，造价增加。为此，蒸发管可采用套管形式。蒸发管由两根管子套接，还原剂溶液在套管内折流与炉内烟气进行换热汽化。折流过程使套管前后温度分布均匀，从而减少热变形的发生。

(2)改进喷枪支架结构，合理分配热变形。采用套管的蒸发管，内管的固定可采用支架的形式简单固定，尽量不影响内部流道。蒸发管与喷射管的固定可采用左右两个管夹固定。管夹不仅可以允许蒸发管和喷射管温度不同引起的线性变形，还可以约束蒸发管和喷射管垂直方向的变形。管夹可采用焊接或螺栓连接。

(3)优化喷枪使用数量，规范喷枪投入和退出机制。根据负荷的变化，分阶段的投入和退出喷枪。可根据50%、80%和100%锅炉负荷确定喷枪的使用数量，在各个阶段内为防止氨逃逸量超标可采用通入压缩空气的方式冷却喷枪。

3 改进效果

根据改进措施，对喷枪结构进行了重新设计，如图3所示。脱硝还原剂通过喷枪还原剂入口进入喷枪蒸发套管，还原剂在套管内折流与炉内烟气进行换热汽化，还原剂汽化后进入喷射管，再通过喷射管两侧锥形喷嘴和端部的扇形喷嘴喷射到脱硝还原区域进行脱硝反应。

改进后喷枪与改进前脱硝效果基本相同，但抗变形能力大大提高。通过在锅炉内进行工业试验，喷枪在使用较长一段时间内未出现弯曲变形，提高了喷枪的使用寿命。

图3 改进后喷枪结构图1-扇形喷嘴；2-锥形喷嘴；3-管夹；4-喷射管；5-蒸发套管；6-安装法兰；7-压缩空气入口；8-还原剂入口

4 结束语

通过对SNCR脱硝喷枪实际使用过程中弯曲变形状况的调查，从喷枪结构、使用方式和工作环境等角度出发，分析了导致喷枪变形的原因：

(1)U形蒸发管上下分支管壁温度不同导致热伸长量不同，从而引起蒸发管末端弯曲变形。

(2)蒸发管变形后引起固定支架失效，喷枪整体变形逐渐形成。

(3)停止使用的喷枪未及时冷却或退出，存在干烧状况。

(4)喷枪管壁的积灰对喷枪的寿命有一定的影响。并提出了相应的改进措施：①改进喷枪蒸发管结构，采用套管形式减少弯曲变形的发生；②改进喷枪支架结构，采用管夹形式固定蒸发管和喷射管，允许水平变形限制垂直变形；③采用合理的喷枪投入和退出机制，防止喷枪出现干烧状况。

通过在锅炉内的实际应用，在保证脱硝效率的同时变形情况得到了解决，取得了延长喷枪使用寿命的优良效果。

[1] GB13223—2011，火电厂大气污染物排放标准[S].

[2] AYOUB M, IRFAN M F, YOO K S. Surfactants asadditives for NOx reduction during SNCR process with urea solution as reducing agent[J]. Energy Conversion and Management, 2011, 52(10) : 3083-3088.

[3] 卢志民. SNCR反应机理及混合特性研究[D]. 杭州：浙江大学，2006.

[4] 屈卫东，周建强，杨建华，等.循环流化床锅炉SNCR脱硝系统优化及应用[J].热力发电，2014，43(1)：133-136.

[5] 赵立平. SNCR过程反应动力学模型的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008.

Practice on Prolonging the Service Life of Injection Gunfor Denitration with SNCR

CHEN Jiang-tao, ZHAO Feng, ZHOU Jian-qiang, SUN Wei-min, QIN Guang-yao, YANG Jian-hua

(Henan Zhengzhou Electric Power College, Zhengzhou 450004, China)

Based on the observation of the damage to the injection gun for denitration with SNCR in use, the primary causes to the damage are analyzed from the lance structure, using way and work environment. Then technological improvement measures are put forward. In the end, prominent results have been achieved in the actual production.

Injection gun for denitration; Bending deformation; Service life

2014-10-11

2014-11-09

陈江涛(1987-)，男，河南新乡人，硕士，助理讲师，主要从事清洁燃烧和污染物减排技术的教学和研究。

10.3969/j.issn.1009-3230.2014.12.002

TK227.6

B

1009-3230(2014)12-0005-03