烟气高效脱硝一体化技术的研究及应用

林欢

（永清环保股份有限公司，长沙 410330）

引言

大气污染治理中，如脱硝系统产生的飞灰、SO3、氨逃逸等含量过高，对下游的脱硫、除尘设备及脱除效率会造成影响。飞灰会导致设备磨损、积灰等问题[1]；SO3浓度增加产生的黏性沉积物会堵塞和腐蚀除尘器；氨逃逸会导致除尘器上产生板结，影响除尘效率；粉尘过高则会影响脱硫效率。所以，高效脱硝技术对烟气治理至关重要。为达到《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014～2020年）》[2]大气污染物排放浓度NOx≤50mg/Nm3的要求，某电力公司对4号600MW机组进行了脱硝改造。

1 改造前脱硝情况

某电力公司4号机组锅炉排渣煤粉炉。锅炉的设计参数以最大连续负荷MCR工况为依据，在汽轮机主汽门全开且超压5%的情况下，锅炉最大连续蒸发量为2023t/h。为适应调峰的要求，该锅炉可滑压运行，滑压运行的控制负荷为40%THA。采用水封式固态排渣方式。省煤器出口烟气中NOx的浓度为400mg/Nm3。为改善电厂及周边地区的空气环境质量，对4号机组实施烟气脱硝改造。

2 改造目标

本次脱硝改造采用低氮燃烧+SCR脱硝工艺，脱硝系统性能保证值满足：SCR出口污染物浓度（6%O2、标态、干基）NOx≤50mg/Nm3的要求，NH3逃逸≤3ppm、SO2/SO3转化率＜1%。

3 技术分析

燃煤锅炉脱硝技术主要有三种，1）燃烧前控制技术：燃料脱硝；2）燃烧中控制技术：改进燃烧方式和生产工艺；3）燃烧后控制技术：烟气脱硝[3]。目前燃料脱硝技术的开发较少。根据锅炉中NOx的生成机理，降低NOx排放的主要技术有低氮燃烧、炉膛喷射脱硝和烟气脱硝[4]。

3.1 低氮燃烧技术

低氮燃烧技术是指通过对燃烧区域温度和空气量的控制，降低NOx的生成。低氮燃烧主要有低过量空气燃烧技术、空气分级燃烧技术、燃料分级燃烧技术、烟气再循环技术[4]、低氮燃烧器技术等。

低过量空气燃烧技术是通过控制燃烧空气量，调整锅炉燃烧配风，降低过量空气系数，在接近理论空气量的条件下进行，从而降低NOx的生成。空气分级燃烧技术是目前较为成熟且应用广泛的低氮燃烧技术。通过对风量的分配，减少燃烧高温区域的空气量，减少NOx的生成。燃料分级燃烧技术是利用烷烃与未完全燃烧产物混合燃烧时，NOx发生还原反应的原理，燃料在第一燃烧区域富氧燃烧后，在第二燃烧区进行缺氧燃烧，将NOx进行还原，同时抑制NOx的生成。烟气再循环技术是将锅炉尾部的低温烟气送入炉膛，从而降低燃烧区的氧浓度，减少NOx的生成。低氮燃烧器是利用空气分级燃烧、燃料再燃烧和烟气再循环等技术，通过调节燃烧空气和燃烧头，获得最佳的燃烧参数。

3.2 炉膛喷射脱硝技术

炉膛喷射脱硝技术较为成熟的是炉膛喷氨（尿素）法。炉膛上部喷射作为还原剂的氨或尿素，与烟气中的NOx发生反应，来降低NOx的排放浓度。主要的还原反应有：

炉膛喷射脱硝技术对氨的喷射点及喷氨量的选择要适当。此技术投资较少，运行费用低。当脱出效率要求较高时，易造成过大的氨泄漏。

3.3 烟气脱硝技术

烟气脱硝技术主要有选择性催化还原工艺（SCR）和选择性非催化还原工艺（SNCR）。

选择性催化还原工艺（SCR）是指在催化剂的作用下，通过注射氨或尿素等还原剂，选择性地将NOx还原成N2。SCR的脱硝效率较高，可到80%～90%。烟气进入反应器之前需要预热。配套设施复杂，投资成本与运行成本较高。催化剂需要按危险废物进行特殊处理。

选择性非催化还原工艺（SNCR）无需催化剂，在750℃～900℃区间，可直接通过炉内注射还原剂，将NOx还原成N2。与SCR相比，SNCR的脱硝效率较低，为30%～50%。设备简单，投资少，费用仅为SCR的1/3。脱硝工艺在焚烧炉炉膛内利用余温即可完成，无需消耗更多的能量。脱硝的效率满足相应排放要求。但存在氨过量等问题，氨逃逸会造成二次污染。

4 改造技术线路

由于项目场地空间有限，本着节约用地的原则，根据项目特点，烟气高效脱硝技术工艺具体改造路线为：1）低氮燃烧改造，采用低氮燃烧器；2）采用高灰型烟气脱硝（SCR）工艺，反应器装设在锅炉后侧与静电除尘器之间的水平烟道上方，每台锅炉设两个SCR反应器，尿素热解产生氨气制备还原剂；3）在SCR装置的进口设置灰斗，采用气力输灰方式；4）采用蜂窝式催化剂，按“2+1”层模式布置；5）采用计算机流场分析技术对烟道和氨喷射进行优化设计；6）采用半伸缩耙式蒸汽吹灰器+声波吹灰器的吹灰方式，主机DCS控制和监视吹灰系统所有设备和参数；7）脱硝反应器进、出口安装烟气参数检测装置；8）设立独立系统的氨逃逸监测NH3含量设备。

5 改造技术分析

5.1 特殊布置SCR反应器及高效催化剂

SCR系统采用高粉尘布置，SCR反应器布置在省煤器和空预器之间。送风机房与除尘器入口之间上方空间，不占用现场用地。为减小整体结构阻力，不设置SCR旁路系统。烟气温度在300℃～400℃，是大多数金属氧化物催化剂的最佳反应温度。无需加热即可获得较高的脱硝效率。为提高脱硝效率，SCR按2+1层布置，催化剂采用蜂窝式模块化设计，不但可以减少更换催化剂的时间，还可有效防止烟气短路。为防止烟气中的飞灰堵塞催化剂通道，使催化剂磨损和中毒，优化装置的流场分析。反应器入口应设气流均布装置，烟气通过均布板后流向大部分垂直向下，可减少烟气流向的偏离角度。大颗粒灰撞击在均布板上可被击碎。反应器入口及出口段、弯道段设导流板，对于反应器内部易于磨损的部位设计必要的防磨措施。反应器内部各类加强板、支架设计成不易积灰的形式，确保脱硝效率。

5.2 烟道优化

脱硝区烟道在锅炉后竖直烟道两侧引出，分别进入SCR反应器后接入锅炉空预器入口处。整个脱硝烟道及SCR反应器采用双烟道双反应器烟道的布置形式。在SCR反应器进口烟道设置灰斗，输灰系统采用气力除灰。在外削角急转弯头和变截面收缩急转弯头处等，利用计算机烟气流动模型模拟，设置导流板，导流装置采用耐磨材质制作。确保入口烟气流速偏差小于±15%（均方根偏差率）；入口烟气流向小于±10°；入口烟气温度偏差小于±10℃；NH3/NOx摩 尔比绝对偏差小于5%（均方根偏差率）。

5.3 喷氨及混合装置优化

氨喷射系统采用喷氨格栅，将烟道截面分成大小不同的控制区域，每个区域有多个喷射孔，每个区域的流量单独可以调节，以匹配烟气中NOx的浓度分布，喷氨格栅包括喷氨管道、手动流量调节阀门、支撑、配件和氨气分布装置等。根据烟气量及烟道的布置，通过模拟试验确定喷氨格栅的位置及喷嘴形式，保证混合均匀。喷氨格栅前后氨浓度分布如图1所示。烟道和反应器氨浓度分布如图2所示。

每台反应器设一套喷射系统，喷射系统总管设置电动流量调节阀，控制喷氨总量；支管设置手动流量调节阀，能根据烟气不同的工况进行微调节，保证NH3/NOx沿烟道截面均匀分布，手动流量调节阀是靠烟气风管的取样所取得的NH3/NOx比来调节。保证NH3/NOx摩尔比最大相对标准偏差不大于±5%。催化剂入口截面氨浓度相对标准偏差为3.2%。

6 改造后运行结果

该脱硝改造工程完成调试后投入使用，4号机组SCR反应器出口NOx排放浓度≤50mg/Nm3，设备运行稳定，满足国家污染物排放标准。

图1 喷氨格栅前后氨浓度分布图

图2 烟道和反应器氨浓度分布图

7 结论

烟气脱硝超低排放改造中，应用烟气高效脱硝一体化技术，采用特殊布置SCR反应器、高效催化剂、利用计算机流场分析优化烟道设计，喷氨及混合装置，实现烟气脱硝的超低排放；控制了飞灰、SO3、氨逃逸等含量过高问题，避免对下游的脱硫、除尘设备产生不利因素而影响脱除效率。