选择性非催化还原脱硝技术在循环流化床锅炉中的应用

柳　振

(中国石化上海石油化工股份有限公司热电部，上海 200540)



选择性非催化还原脱硝技术在循环流化床锅炉中的应用

柳振

(中国石化上海石油化工股份有限公司热电部，上海 200540)

摘要：针对中国石化上海石油化工股份有限公司(以下简称上海石化)620 t/h循环流化床锅炉效率偏低及氮氧化物排放质量浓度不能达到环保排放标准的现状，在炉内燃烧脱硝技术的基础上，通过实施锅炉尾部烟气脱硝改造，采用当前先进的选择性非催化还原(SNCR)脱硝技术，进一步提该锅炉的脱硝水平。同时通过设计、模拟和应用的对比研究，总结出SNCR脱硝技术在循环流化床锅炉上使用的适应性和进一步提高效率的必要性。

关键词：脱硝系统氮氧化物减排选择性非催化还原脱硝技术

2013年中国石化上海石油化工股份有限公司(以下简称上海石化)对7#循环流化床燃煤锅炉进行了低氮燃烧技术改造，改造后锅炉燃烧氮氧化物排放水平有了一定程度的下降。但是随着国家对燃煤锅炉的污染排放控制水平进一步的提升，该燃煤循环流化床锅炉的脱硝控制调节水平还需要进一步加强改进，故采用当前较为先进的选择性非催化还原(SNCR)脱硝技术进一步提升该型锅炉的脱硝水平。

1脱硝技术的研究现状

在目前的发电企业中，大多数已建成的锅炉采用最为普遍的是燃烧后的烟气脱硝方式，其主要工艺就是对锅炉煤粉燃烧后产生的含氮氧化物(NOx)的烟气进行相应的脱硝处理，这也是近几年来燃煤锅炉中NOx排放和控制中最有效的方法[1]。按照脱硫的适用介质形态，烟气脱硝的方法主要可分为湿法脱硝、半干法脱硝和干法脱硝3种。湿法脱硝是指反应剂为液态的工艺，NOx被吸收至液态的反应剂中反应生成副产品，主要优点是生产成本较低，但与干法脱硝工艺相比，该技术的成熟性和稳定性还有待考证；半干法脱硝是指先通过气相的催化反应将NO转化为NO2，再用水溶液或碱液吸收的脱硝工艺，此种工艺主要针对锅炉烟气量中等、脱硝效率要求不高的锅炉，在当前大多热电联产锅炉当中使用也不多见；干法脱硝是指反应剂为气态的工艺，可分为选择性催化还原(SCR)和选择性非催化还原(SNCR)。干法脱硝技术在我国使用广泛，改造实施简单易行，相对其他脱硝工艺而言脱硝效率更高，性能也更加稳定。通常所说的SNCR脱硝工艺简单说来就是控制锅炉燃烧时NOx的过程。在燃煤锅炉炉膛燃烧的850～1 175 ℃的反应温度范围内，将一种特殊的反应剂喷入炉膛与含有NOx的烟气混合反应，此时尽管炉膛内存在过量氧气，但喷入炉膛的反应剂会有选择性地与燃烧产生烟气中的NO发生反应，生成N2，从而达到锅炉燃烧减少氮氧化物排放的目的。目前在我国很多燃煤锅炉采用SNCR脱硝技术，主要原因是因其具备较多优点：结构简单、无需催化剂、易于安装、适应性广、安装运行成本低、不受飞灰的影响以及便于和其他的低NOx技术联合使用[2]。

2上海石化循环流化床(CFB)锅炉SNCR脱硝改造的方案设计

2.1锅炉概况

上海石化热电部主要承担上海石化所属生产装置以及生活区域供电、供热任务，共有7台供热汽轮机组，1#～4#炉为4台410 t/h的燃煤锅炉，5#A/B炉为2台310 t/h CFB锅炉，7#炉为620 t/h CFB锅炉，装机总容量425 MW，锅炉总蒸发量2 880 t/h，设计供热能力1 375 t/h。

上海石化热电部7#燃煤锅炉是由上海锅炉厂设计制造的620 t/h自然循环汽包炉，其烟气量为5.9×105m3/h(干基、6% O2)，NOx初始排放质量浓度250 mg/m3(以NO2计、干基、6% O2)。锅炉的NOx排放质量浓度超出了国家标准GB 13223—2011规定的不超过100 mg/m3的排放标准，因此在锅炉燃烧过程中脱硝工艺完成的基础上，上海石化计划再结合燃烧后的SNCR技术对7#锅炉进行改造，进一步提升该型锅炉的脱硝水平。本次锅炉SNCR脱硝改造的还原剂为尿素，要求SNCR脱硝效率不小于62%，其出口NOx质量浓度降至95 mg/m3以下[3-5]。

2.2SNCR脱硝方案的设计

2.2.1脱硝入口设计条件

经综合考虑，此次7#锅炉SNCR脱硝设计进口参数[6]如表1所示。

表1　设计烟气参数

2.2.2还原剂

脱硝采用颗粒尿素来制备还原剂[7]，颗粒尿素品质见表2，品质必须符合国家标准GB 2440—2001技术指标的要求。

表2　颗粒尿素品质参数　　%(质量分数)

2.2.3喷枪位置的设计

锅炉在不同负荷下，炉内的温度有差异。本方案设计采用一种喷枪布置方案，在炉膛出口烟道上布置了12 支SNCR 喷枪，每个炉子包含2个旋风分离器，每个分离器入口烟道上布置6支SNCR 喷枪，标高依次为37.315，38.115，38.915，39.715，40.515，41.315 m，布置在烟道侧面，与烟道壁面相垂直。

对上海石化620 t/h 热电机组的SNCR脱硝进行了数值模拟[8]，在满负荷的条件下，本方案提出的喷枪安装方式对氨分布和脱硝效率的影响模拟结果见表3。

表3　喷枪安装方式对氨分布和脱硝效率的影响

从表3中可以看出：采用本次喷枪布置方案，当采用尿素作为还原剂时，7#炉能实现 68.2%的脱硝效率，且氨逃逸不超过8 mg/m3。

2.2.4温度和氨氮比对NOx排放质量浓度的影响

在炉内温度低于1 500 K的相同温度情况下，随着氨氮比(氨氮比)的增加，脱硝效率也随之增加，这说明在炉膛内同一温度情况下氨还原NO的化学反应将进行得更加充分和彻底(见图1)。

图1　温度和氨氮比对NOx排放质量浓度的影响

从图1中可以看出：在炉内温度高于1 500 K的情况下，随着氨氮比的增加，NOx的排放浓度不断增高，也就是说循环流化床锅炉燃烧反应中多余的氨成分反而会导致还原剂的氧化反应变得更为彻底。在炉内温度为1 250 K，氨氮比等于1时，NOx的排放质量浓度为95.3 mg/m3，脱硝效率为68.2%；此温度下氨氮比等于2时，NOx的排放质量浓度为22.3 mg/m3，脱硝率高达92.6%，脱硝率增加了24.4%，因此提高氨氮比对增加SNCR的脱硝率具有明显的效果。同时随着氨氮比的提升，NOx排放质量浓度和烟气的脱硝率均未见显著变化。因此，从减少还原剂的喷入量、降低运行成本费用等角度考虑，通过试验和对比计算出7#炉的炉内氨氮比的最佳值为1.5[9]。

3SNCR脱硝改造的实施与成效

3.1SNCR脱硝改造的实施

这次SNCR脱硝改造使用的脱硝还原剂为质量浓度50%的尿素溶液。

将质量浓度为50%的尿素溶液通过尿素溶液循环输送泵从溶解罐输送入尿素溶液储罐，高流量循环模块将储罐中的尿素溶液送入稀释计量模块，其中部分尿素溶液循环回流到尿素溶液储罐。在稀释计量模块中精确计量尿素溶液流量，加入一定量的稀释除盐水，将质量浓度为50%尿素溶液进一步稀释到5%左右，然后输送到分配模块。5%左右的尿素溶液被分配到各喷射组件，经压缩空气雾化后通过喷枪喷射入锅炉炉膛内，雾化的尿素溶液液滴在炉膛的横截面上与烟气垂直接触，尿素在高温条件下分解，产生的NH3捕捉烟气中的NOx并迅速与之反应，达到脱除NOx的目的。

该SNCR系统将细小的还原剂溶液雾滴喷入炉膛中并使其均匀分布。SNCR系统是一个炉内的燃烧后脱硝反应，还原剂溶液雾滴在炉膛内相应温度窗口区域的精细分布程度是该系统性能的重要影响因素。系统储存一定浓度的还原剂溶液并将它循环输送到炉侧，然后利用厂区内提供的稀释水将还原剂溶液进一步稀释到预设的浓度，并通过计量模块精确计量脱硝反应所需的还原剂溶液输送到喷枪，喷枪利用压缩空气雾化将所需的还原剂溶液喷入炉膛中。

3.2SNCR脱硝系统投运效果评价

7#锅炉SNCR脱硝系统投入运行后，在锅炉正常工况(使用锅炉燃用设计煤种；锅炉正常负荷范围为40%～110%额定负荷，脱硝装置入口NOx质量浓度为250 mg/m3)运行时，锅炉SNCR 脱硝装置基本能够保证出口NOx浓度小于95 mg/m3(标态，干基，6% O2)；SNCR脱硝效率不低于62%，单台机组的尿素(10%)耗用量小于150 kg/h，基本能够满足当前国家对锅炉NOx排放的环保要求。但随着SNCR脱硝系统投运时间的增加，其工艺也出现需要进一步改进的地方。

(1)尿素实际消耗量与实际存在较大差异。从设计脱硝运行情况看，初始NOx质量浓度为160 mg/m3左右，要完全达到NOx排放不超过95 mg/m3的指标，尿素耗量要达到150 kg/h，而调整门已基本开足，因此为后续正常调整带来很大挑战。主要原因有：①原设计未考虑CO质量浓度对脱硝效率的影响，7#炉受风量限制，炉内CO质量浓度明显偏高(炉膛出口最高达2 000 mg/m3)，CO质量浓度将直接影响脱硝温度反应窗口和最佳脱硝温度，从而影响到脱硝效率，因此建议在炉膛内部增加CO在线监测仪表；②喷枪雾化场偏移影响到脱硝效果，建议在系统运行过程中，发现脱硝效率有所降低时，注意检查喷枪投用情况以及制备系统是否正常；③尿素颗粒来料成分可能存在差异，建议采购使用优等品尿素并定期进行成分检测。

(2)从运行情况看基本处于可控状态，但脱硝系统对炉内床温、风机耗电以及锅炉效率影响由于尚未安排性能测试，无法进行正确的定量分析，因此在运行过程中需加强监督工作。

(3)虽然目前的脱硝效率满足了国家排放标准，但根据国家发展改革委员会、环境保护部及能源局[2014]2093号关于印发《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014—2020年)》的最新通知，要求烟囱出口污染物中NOx排放限值降低到50 mg/m3，届时仍然需对锅炉脱硝工艺进一步升级改造。

4结语

在当前石化行业减排技术不断完善的背景下，低氮燃烧技术和SNCR技术等必将成为燃煤锅炉脱硝改造的重点脱硝环保技术。锅炉脱硝环保工艺与燃煤锅炉发电的实际发展情况相结合，不仅要满足大气污染物达标排放的要求，同时也要保证企业的经济效益，促进企业的良性发展，满足越来越严格苛刻的大气污染环保排放标准，实现企业的经济效益和社会效益。

参考文献

[1]乔建军,王泽璞,陈江涛,等.基于双尺度低NOx燃烧技术的电站锅炉改造[J]. 河北工业科技，2015, 32(3) :13-24.

[2]张彦文,蔡宁生.加入甲烷促进选择性非催化还原反应的机理验证和分析[J].中国电机工程学报，2008,28(2):49-54.

[3]杨凯元,付喜亮，赵建军.600 MW机组锅炉低氮燃烧技术改造[J].内蒙古电力技术，2015,33(2):16-18.

[4]孙华芳,杨世极.某2×210 MW机组锅炉脱硝系统改造[J].热力发电，2013,42(7) :11-15.

[5]高亮, 王智化, 凌忠钱, 等. 炉内高温喷射尿素溶液脱硝机理及其影响因素[J]. 锅炉技术,2005, 36(2) :72-75.

[6]金理鹏,王勇,宋玉宝,等.烟气参数对选择性催化还原系统设计的影响分析[J].热力发电，2013,42(8):45-51.

[7]钟秦.选择性非催化还原法脱除NOx的实验研究[J].南京理工大学学报，2000,24(1):68-71.

[8]雷达, 金保升. 基于复相催化反应动力学的电站SCR系统三维数值模型[J]. 燃烧科学与技术，2010, 16(3):236-240.

[9]陈伟,叶春.遗传算法在电厂NOx减排中的应用[J]. 能源与节能，2013(7):47-49.

In view that the productivity and concentration of NOxemission of the 620 t/h circulating fluidized bed boiler in SINOPEC Shanghai Petrochemical Co., Ltd. (hereinafter referred to as SPC) cannotmeet the environmental protection emission standards, the denitration performance of the boiler was improved though denitration process transformation of increasing the boiler flue gas, adopting the state-of-the-art selective non-catalytic reduction (SNCR) technology on the basis of thedenitration technologyof in-boiler combustion. Meanwhile, through study of the technology in 7#boiler of Thermal Power Station of SPC, the adaptability of SNCR denitration technology in circulating fluidized bed boiler and the necessity of further improving efficiency were summarized.

Keywords：denitration system, NOx, emission reduction, SNCR denitration technology

收稿日期：2016-03-31。

作者简介：柳振，男，1980年出生，2004年毕业于长沙理工大学自动化专业，本科，工程师，目前主要从事循环流化床锅炉安全管理工作。

文章编号：1674-1099(2016)03-0052-04中图分类号：TM621.2

文献标识码：A

Application of Selective Non-catalytic Reduction Denitration Technology in Circulating Fluidized Bed Boiler

Liu Zhen

(ThermalPowerDivision,SINOPECShanghaiPetrochemicalCo.,Ltd.,Shanghai200540)

ABSTRACT