SNCR-SCR联合脱硝工艺影响因素探析

郭静娟

(中国大唐集团科学技术研究院有限公司西北分公司，陕西 西安 710065)

0 引言

SNCR-SCR联合脱硝工艺系统由SNCR脱硝反应区和SCR脱硝反应区组成。SNCR区将尿素或者氨水直接喷入炉膛内满足温度窗口区域，脱除部分的NOX；产生的逃逸氨随着烟气一起进入后端的SCR区，在催化剂的作用下，再次与NOX反应，进而脱除NOX。SNCR-SCR联合脱硝工艺集合了选择性非催化还原法(SNCR)投资低和选择性催化还原法(SCR)脱硝效率高的优点，解决了W型火焰炉和小型锅炉NOX生成浓度高、单一依靠SCR或SNCR工艺无法实现超低排放的难题。

1 系统存在的主要问题

SNCR-SCR联合脱硝工艺如图1所示。

图1 SNCR-SCR联合脱硝工艺示意

SNCR-SCR联合脱硝工艺优势显著，但是难以控制氨逃逸浓度。若氨逃逸浓度与还原剂喷射量不呈线性关系，还原剂消耗量过大，会造成一系列的问题，对机组正常运行产生一定影响。

(1) 为满足NOX达标排放的要求，脱硝系统过量喷氨，导致氨水消耗量与氨逃逸率远超设计值。个别电厂还原剂消耗量超出设计值1.5倍以上；氨逃逸率平均37.95—45.54 mg/Nm3，是设计值(7.59 mg/Nm3)的5—6倍，其值最高可达75.9 mg/Nm3。

(2) NOX超排现象频繁发生，因环保超标已影响机组带负荷，尤其在冬季情况更严重。为满足NOX排放不超标，机组过量喷氨，导致空气预热器严重堵塞。

(3) 锅炉尾部烟道低温段空气预热器堵塞严重(堵塞率达40 %—50 %)，引风机叶片积灰严重，水平振动超标严重，增压风机动叶积灰卡涩，无法调节等问题，导致锅炉带负荷能力受限，甚至造成锅炉被迫停运。

(4) 烟气中氨含量较大，除尘器极线极板粘灰严重(见图2)，二次电流低，影响除尘效率。

2 影响因素分析

在工业应用中，SNCR脱硝反应所需的停留时间长短与锅炉炉膛尺寸、沿程烟气的体积流量、还原剂在烟气中混合均匀度等因素有关。在炉内，满足SNCR反应温度的空间位置是非常有限的，还原剂喷射位置一般布置在煤粉锅炉的折焰角附近，该处受到高温过热屏的影响，烟气温度变化大，对应SNCR温度窗口的反应时间比较难满足，所以还原剂NH3和烟气及时快速的混合是保证SNCR效率的关键。

图2 除尘器极线极板积灰

造成SNCR-SCR效率偏低和联合装置喷氨量偏高的主要因素为：烟气温度不合适，还原剂与烟气混合程度差，烟气气氛的影响，代表性点位选取不合理，催化剂的结构及用量等。

2.1 烟气温度不合适

烟气温度是影响SNCR脱硝效率的重要因素之一，低氮燃烧器改造后炉内烟气温度还会更低。对SNCR装置来说，烟气温度在850—1 050 ℃范围内，还原剂（氨水）与氮氧化物反应生成氮气和水。若反应窗口温度在850—1 050 ℃范围外，脱硝SNCR还原反应将会减弱。SNCR脱硝效率与温度关系如图 3 所示 (ψ(NO)=0.06 %，ψ(O2)=4.5 %，t=0.5 s)。

图3 SNCR脱硝效率与温度关系

2.2 还原剂与烟气混合程度差

SNCR还原反应条件恶化，喷枪射程不够，炉膛烟气与NH3混合不充分，部分烟气未与NH3接触，氨水易挥发，制约了还原剂的覆盖范围，造成脱硝效率低。因此脱硝系统采用过量喷氨，即提高氨氮摩尔比，以确保NOX达标排放。

相关研究表明，SNCR技术在应用上脱硝效率低主要是受混合的限制和烟气温度大的影响，因此氨与烟气的混合必须迅速。同时，高的射流动量与烟气气流动量比可以提高脱硝的性能，烟气气流的湍流程度越大，对混合越有促进作用。

2.3 烟气气氛的影响

烟气中的O2，CO，H2O，H2，CHi(烃根)等都会对脱硝反应产生一定的影响。对燃煤机组来说，配煤掺烧对锅炉燃烧工况影响较大，决定了烟气中各组分的含量，使得温度窗口发生变化，进一步影响SNCR系统的脱硝效率。

(1) 在缺氧的情况下，SNCR系统还原反应并不会发生；在有氧的情况下，SNCR系统还原反应才能进行。氧浓度的上升使得反应的温度窗口向低温方向移动，进而使NOX和N2O的浓度升高，脱硝效率下降。

(2) 在低温下，当水蒸汽的浓度低时，促进还原反应的进行；当水蒸汽的浓度高时，则会阻碍反应的进行。

(3) CO浓度的上升，使SNCR的温度窗口向低温方向移动，脱硝反应温度下降，脱硝效率同步降低。

(4) H2和CHi的存在也会使反应的温度窗口向低温方向移动，而且随着这些可燃化合物浓度的提高、温度窗口移动的幅度加大，脱硝效率也会受到影响。

(5) 燃煤低温发热量不宜过高，否则会导致炉温高，超越窗口温度，影响脱硝效率。若未按要求上煤，导致炉膛温度较高，氮氧化物持续偏高，会使脱硝效率下降。不同燃料、不同容量的锅炉SNCR装置脱硝效率如图4所示。

2.4 代表性点位选取不合理

现有脱硝SNCR-SCR装置后都设有数据采集系统，但是由于烟道截面积较大，烟气流场不均匀，DCS显示的炉膛出口氮氧化物浓度与实际浓度存在一定的偏差，部分电厂还出现数据倒挂的现象，即烟囱入口氮氧化物浓度高于脱硝装置后氮氧化物浓度，究其原因主要在于脱硝出口测点选取位置不合理。

图4 不同燃料、不同容量的锅炉SNCR装置脱硝效率

2.5 催化剂的结构及用量

催化剂都含有少量的氧化钒和氧化钛，因为它们具有较高的抗SO3能力，其结构、形状随使用环境而变化。为避免被颗粒堵塞，常使用蜂窝状、板式催化剂部件；为降低被飞灰堵塞的可能性，反应器采用垂直放置方式，使烟气自上而下流动。此外，脱硝装置安装声波吹灰器和蒸汽吹灰器来防止颗粒的堆积。初始设计时，要考虑适当放大催化剂的量；同时，还要根据反应器中有效区域的变化调整催化剂的安装位置，对催化剂寿命进行管理。图5是某“2＋1”布置模式的催化剂寿命管理曲线。

图5 某“2＋1”布置模式的催化剂寿命管理曲线

从图5可见，“2＋1”布置模式的催化剂活性随着运行时间的增长在逐渐降低，氨的逃逸率随着运行时间的增长逐渐增大。

3 解决措施

为解决SNCR-SCR联合脱硝工艺烟气中氨逃逸率偏高、还原剂消耗过大等问题，建议采取以下措施。

(1) 对SNCR反应及其逃逸氨浓度分布特性进行研究。在锅炉不同高度布置SNCR喷枪，研究不同SNCR喷枪组合条件下的SNCR脱硝效率及氨逃逸量，以获得最佳的组合方案。改变尿素溶液液滴的初始喷射速度和平均粒径，研究不同尿素溶液的物性参数对SNCR脱硝效果的影响。比较分析不同工况条件下SNCR过程逃逸氨在转向室和省煤器出口烟道中的分布规律，提出优化混合的措施和方法。

(2) 基于SNCR反应后的尾部烟道氨氮浓度分布，以及尿素溶液在高温气流中的热分解特性，在锅炉转向室侧墙布置补氨喷枪。研究不同补氨喷枪组合条件的转向室出口和省煤器出口的氨浓度分布特性。掌握补充喷氨喷枪的最佳喷射位置，与前部SNCR添加尿素还原剂的匹配耦合，消除单独SNCR反应使得氨逃逸浓度波动引起的脱硝运行部温度和氨浓度不均匀问题。

(3) 开展SNCR-SCR联合脱硝工艺的性能试验。研究不同喷射方案、不同燃烧工况、不同负荷等条件下的NOX排放特性及SNCR-SCR系统脱硝效果。

(4) 开展SNCR-SCR喷氨优化调整工作。改善出口NOX和氨分布的均匀性，在保证装置脱硝效果的同时，降低装置的运行成本，缓解因局部喷氨量过高造成的催化剂和空预器的堵塞问题，提高装置的可用率。

(5) 催化剂寿命管理工作。催化剂活性随运行时间增长而逐渐降低，在运行初期，活性惰化速率最快，后期惰化速率趋缓。为了充分发挥催化剂的残余活性，需要根据情况对催化剂进行再生或更换。不同层的催化剂活性降低程度不同，而何时更换哪一层，需要根据各层催化剂的冲蚀磨损程度与残余活性的评估结果确定，以最大限度利用现有催化剂。一般情况下，在催化剂的寿命期内，以上2个指标均能满足工程设计要求，在其中某一个指标不能达到环保排放要求时，可通过添加或置换催化剂的方式提高催化效率。

4 结论

若要解决SNCR-SCR联合脱硝工艺烟气中氨逃逸高、还原剂消耗过大等问题，需要从设计优化、运行调整等方面考虑，通过合理的工艺布置、运行调整，实现SNCR-SCR联合脱硝精细化运行。