SNCR脱硝技术在液态排渣煤粉工业锅炉中的应用

陈赛，贾明生，郭明高，刘高珍

（广东海洋大学机械与动力工程学院，广东湛江524088）

燃煤工业锅炉作为NOx排放的主要来源之一，国家对其NOx的限排要求日趋严格，我国发布的新版《锅炉大气污染物排放标准》GB 13271—2014规定[1]，重点地区燃煤工业锅炉NOx排放限值为200mg/m3，而目前绝大多数燃煤工业锅炉将面临因NOx排放超标而被迫淘汰的困境。本文作者课题组与上海某企业合作研发了高效煤粉工业锅炉燃烧技术，以高效低NOx液态排渣煤粉燃烧器为核心设备，在燃烧器内采用分区段控制、高温低氧气氛下燃烧、旋风燃烧等组合的低NOx燃烧技术路线，最终达到NOx排放值低于150mg/m³的优异特性[2-4]。同时，针对燃煤工业锅炉的NOx实施超低排放已成大势所趋，部分省市已提出燃煤工业锅炉的NOx排放值低于50mg/m3的要求。选择性非催化还原（SNCR）作为一种成熟的脱硝技术，在我国大中型循环流化床锅炉中应用广泛。由于SNCR脱硝效率受锅炉结构、炉膛温度等影响较大，小型燃煤工业锅炉通常不满足SNCR脱硝所需的温度窗口、炉内停留时间等条件，导致SNCR脱硝技术未能有效应用。一些研究表明，小型燃煤工业锅炉应用SNCR脱硝效果不理想，脱硝效率很低[5-7]。贾明生等[8]已对液态排渣煤粉工业锅炉炉内SNCR脱硝技术可行性进行了论证，提出的“低NOx燃烧+SNCR 脱硝”技术方案是可行的，有望达到NOx低于50mg/m3的超低排放要求。本文对一台8.4MW 液态排渣煤粉工业锅炉炉内SNCR 脱硝技术进行工业化试验研究，检验SNCR脱硝应用于该类型燃煤工业锅炉的实际效果。

1 锅炉系统概况

上海某公司新建一台有机热载体高效煤粉工业锅炉，搭载自行研发的高效低NOx液排渣煤粉燃烧器，锅炉型号为YFL-8400KW，锅炉额定热功率8.4MW，排烟温度150℃，设计锅炉效率89%。现在炉膛增设SNCR脱硝技术方案，向炉膛内部喷射还原剂对烟气进行更深层次脱硝处理。

该锅炉以有机热载体为换热介质，有机热载体在炉膛和对流段吸热升温后将热量送入车间使用，降温后又回到炉膛和对流段加热，换热过程循环进行。该煤粉工业锅炉系统简图如图1所示。精确计量的煤粉由一次风送进燃烧器入口，经过预热的助燃二次风分级送入燃烧器内，煤粉在燃烧器中高温、低氧气氛下剧烈旋流燃烧，煤粉中的灰分在1500℃以上的高温下大部分形成液态渣排到炉外，高温烟气进入炉膛后，在炉膛完成辐射和对流换热后依次进入对流段、空气预热器、布袋除尘器、脱硫塔等单元，最后洁净烟气经烟囱排入大气。高温烟气在炉膛换热同时，未燃尽的还原性气体在炉膛区域补入三次风后完成进一步的燃尽。在空气预热器中二次风与烟气换热后温度可达300℃以上。脱硫塔与烟囱一体化设计，在脱硫塔中喷淋碱液脱除烟气中的SO2，达到国家排放标准。

2 喷枪位置和测点选取

在SNCR系统中，反应温度窗口、炉内停留时间和烟气混合程度等因素对SNCR脱硝效果影响很大，这三个因素取决于喷枪位置，故喷枪位置的选择至关重要，直接决定了脱硝效果的优劣。根据锅炉运行监测数据及先前对该锅炉SNCR脱硝可行性的研究[8]，确定炉膛喷枪位置如图1 所示，该炉膛长4m，宽2.8m，高约9m，喷枪位置距炉膛顶部约4.2m，距炉膛温度测点2.9m。通过喷射孔进行温度测试，喷射区域炉膛温度范围可保持在800～950℃，满足SNCR 脱硝反应要求温度窗口[9]，同时喷射位置的选取也保证了在温度窗口下的停留时间。根据炉膛尺寸在炉膛单侧面布置3个喷枪，喷枪喷射面与烟气来流方向垂直，增强还原剂喷雾与烟气的混合程度。喷枪选用气液双流体喷枪、圆锥形雾化喷头，喷枪材质为310S 不锈钢，具备较好的耐磨耐高温性能。烟气测点选在空预器出口，测试仪器为德国testo-340 烟气分析仪；炉膛温度测点设置在炉膛上部，炉膛温度由测点热电偶监测并反馈到锅炉自动控制系统显示界面，烟气测点及炉膛温度测点位置见图1。

图1 高效低NOx液态排渣煤粉工业锅炉系统简图

3 SNCR脱硝系统模块

在工程应用中，相比于液氨和氨水，尿素在运输、存储及管理方面更加安全[10]。根据实际需要，本项目还原剂选用尿素。SNCR 脱硝系统主要由尿素溶液配制模块、尿素溶液储存模块、尿素溶液计量输送模块及尿素溶液喷射模块构成，各模块需要根据烟气参数合理设计，针对工况条件和介质特点，严格选择设备材料。SNCR 脱硝系统工艺流程见图2。

3.1 尿素溶液配制模块

尿素溶液配制模块由搅拌罐、搅拌机、冷软水管、热软水管、温度计、给液泵等构成，考虑到尿素溶液的腐蚀性，设备材料均选择304 不锈钢材质。尿素原料选用市场销售的袋装尿素颗粒，尿素纯度大于99%。溶解水为经过除盐处理的软水，采用软水可较好地避免管道及喷枪处的结垢堵塞现象。根据工程经验，尿素溶液浓度一般为10%～20%（质量分数，余同），考虑到冬季温度较低，为增大尿素溶解度和避免结晶，接入热软水管道，热软水温度保持在50℃左右。搅拌罐内壁面有刻度线，可准确控制软水量，在溶液配制过程中，通过搅拌罐上的温度表监测溶液温度。配制好的尿素溶液由给液泵打入尿素溶液储液桶中存放。

3.2 尿素溶液储存模块

尿素溶液储存模块由储液桶和排污阀构成，用以存放配制好的尿素溶液以供给使用，储液桶和排污阀均为耐酸碱聚乙烯（PE）塑料材质。由于尿素溶液配制方便，可以做到及时配制和输送，因此储液桶不用选择过大。根据锅炉SNCR脱硝所需尿素溶液量，选择容积为2m3，桶内杂质或废液可通过排污阀排出。

3.3 尿素溶液计量输送模块

尿素溶液计量输送模块由球阀、过滤器、输送泵、止回阀、压力表、流量计等构成，该模块可控制定量的尿素溶液加压输送到喷射模块，整个模块材料均为304 不锈钢材质。根据计算所需尿素流量，输送泵选择立式多级离心泵，流量2m3/h，扬程67m，配备变频器调节流量。泵进口前安装了Y型过滤器，去除溶液中颗粒杂质，保护泵及后续管件。泵出口安装止回阀，防止停运过程中叶轮倒转。系统运行时，可通过调节变频器频率调节尿素溶液流量，尿素溶液压力和流量可通过压力表和转子流量计直接读出。

3.4 尿素溶液喷射模块

图2 SNCR脱硝系统工艺流程

尿素溶液喷射模块包括压缩空气和尿素溶液两部分管路，管道及部件选用304不锈钢材质，压缩空气和尿素溶液通过软管接入喷枪。压缩空气来自于厂用压缩空气站，压力约为0.6MPa，压缩空气分两路进入喷枪，一路走喷枪内管用以雾化尿素溶液，另一路走喷枪外管用以冷却喷枪。为稳定喷射压力，在尿素溶液支路前设置了稳压罐，在压缩空气支路前设置了气缸。系统工作时，压缩空气与加压后的尿素溶液共同进入喷枪内管，混合后通过喷嘴雾化喷入炉膛。为方便管路调节，在各管路上均安装了球阀，雾化气路和液路安装了止回阀。

4 SNCR脱硝试验及结果分析

试验期间所用煤种为蒙煤，煤质分析数据见表1。试验所用高效低NOx煤粉工业锅炉系统在精确控制时完全能够实现NOx初始排放值低于150mg/m³。因工业锅炉负荷变化大、司炉工操作不当等问题，供粉稳定性难以持续精准控制，锅炉运行过程中可能造成风煤比配合偏离最佳参数，导致NOx排放量有一定波动[11]。因此，在低NOx燃烧的基础上，适当放宽了NOx初始排放浓度范围，在炉膛内部耦合SNCR脱硝技术，实现NOx低于50mg/m³的超低排放目标。

SNCR脱硝效率计算如式(1)所示。

式中，CNOx为NOx初始浓度；C'NOx为SNCR 脱硝后NOx浓度。

4.1 不同氧含量下NOx浓度

根据生产需要，锅炉需保持长期较高负荷运行，测试工况选择80%负荷。在此负荷下，通过调节鼓风和引风量来调节燃烧区空气量供给，放宽NOx初始排放浓度范围。图3 是不同锅炉出口氧含量下NOx初始值和炉膛温度变化情况。

图3 不同氧含量下NOx初始值与炉膛温度

由图3可知，在锅炉出口氧含量为3.8%（体积分数，余同）时，NOx初始值低于150mg/m3，随着氧含量的增加，NOx浓度快速升高，炉膛温度也随之升高。煤粉在高效低NOx液排渣煤粉燃烧器中燃烧时，氧含量和温度对NOx生成影响显著，随着锅炉出口氧含量增加，燃烧器主燃烧区的氧含量增加，促进了煤中N 元素和空气中N2与O2的接触，加快了NOx生成速度，同时氧含量的增加抑制了燃烧过程中还原性物质对NOx的还原反应；另一方面，氧含量的增加促使煤粉燃烧速度加快，燃烧强度增强，燃烧室内温度升高，在氧浓度增加和高温的双重作用下进一步加快了NOx生成速度，使NOx生成总量增加[12-14]。

4.2 不同尿素溶液喷射量下脱硝效果

选择锅炉负荷80%，锅炉出口氧含量4.35%，NOx初始值265mg/m3的工况，研究不同尿素溶液喷射量下SNCR 脱硝效果。试验采用10%、15%、20%三种浓度的尿素溶液进行，试验期间喷射区炉膛温度在800～900℃，不同尿素溶液喷射量下SNCR脱硝效果见图4。

由图4(a)可知，随着尿素溶液喷射量由50L/h增至90L/h，NOx浓度由90mg/m3迅速降至20mg/m3，脱硝效率由66%增至92%；由图4(b)可知，随着尿素溶液喷射量由40L/h 增至80L/h，NOx浓度由78mg/m3迅速降至10mg/m3，脱硝效率由71%增至96%；由图4(c)可知，随着尿素溶液喷射量由40L/h增至100L/h，NOx浓度由60mg/m3迅速降至10mg/m3，脱硝效率由77%增至96%。上述结果表明，随着尿素溶液喷射量的增加，NOx浓度迅速降低，脱硝效率迅速增大。

根据尿素溶液脱硝反应机理[15]，得到主要反应方程式如式(2)～式(4)。

表1 煤质分析数据

图4 不同尿素溶液喷射量下SNCR脱硝效果

随着尿素溶液喷射量的增大氨氮比增大，喷入炉膛的尿素量增加，加快了尿素分解反应式(2)的进行，生成的NH3浓度增大，从反应平衡的角度，提高NH3的浓度会使得反应式(3)和式(4)的平衡向右移动，NOx还原率增加；从反应动力学的角度，提高NH3的浓度会加快反应式(3)和式(4)的速度，从而获得很高的脱硝效率。但氨氮比过高，未反应的NH3存在于烟气中，必然会造成氨逃逸量过大，还会增大脱硝成本，为减少氨逃逸及节省成本，尿素溶液喷射量不宜过大。由图4 可知，20%浓度、45L/h 喷射量时，NOx浓度为40mg/m3，脱硝效率为85%，此时氨氮比为4.23；15%浓度、60L/h 喷射量时，NOx浓度为35mg/m3，脱硝效率为87%，此时氨氮比为4.14；10%浓度、80L/h喷射量时，NOx浓度为30mg/m3，脱硝效率为89%，此时氨氮比为3.6。以上都能满足NOx低于50mg/m3的排放要求，且尿素溶液喷射量较为适宜。

4.3 不同氧含量下脱硝效果

在80%锅炉负荷下对不同氧含量下的脱硝效果进行研究，试验过程中喷射区温度在850～950℃，图5为不同氧含量下SNCR脱硝效果。

图5 不同氧含量下SNCR脱硝效果

由图5(a)可知，氧含量在4.74%以下，10%、15%、20%三种浓度尿素溶液喷射后，NOx浓度分别 在39mg/m3、41mg/m3、44mg/m3以 下，均 低 于50mg/m3的超低排放要求；氧含量大于4.74%后NOx浓度大于50mg/m3。图5(b)表明3种浓度尿素溶液喷射下的脱硝效率均在80%以上，且随着氧浓度的增加脱硝效率出现下降趋势。脱硝效率下降主要是因为随着氧含量的增加NOx初始值迅速增大。由图3可知，氧含量为4.74%时，NOx浓度高达305mg/m3，已经超过了运行过程中NOx浓度的波动上限。因此，在80%锅炉负荷运行时，3种浓度尿素溶液均能达到50mg/m3以下的脱硝效果。

不同氧含量下3 种浓度尿素溶液脱硝效果表明，10%浓度、80L/h 工况下NOx浓度最低、脱硝效率最高，15%浓度、60L/h 工况下次之，20%浓度、45L/h工况下效果最差。且氧含量为4.74%时，20%、45L/h，15%、60L/h，10%、80L/h 三种浓度尿素溶液脱硝的氨氮比依次为3.65、3.59、3.22，10%、80L/h 尿素溶液以最小的氨氮比获得了最佳脱硝效果。出现上述现象应是喷射量大所导致，随着尿素溶液浓度减小，尿素溶液喷射量增大，喷枪喷射压力增大，使雾化液滴颗粒更细，同时更高的喷射压力也给尿素溶液提供了更大的喷射动量，喷入炉膛后能更加快速、充分的与烟气混合，从而增大了还原剂与NO 接触并反应的机率，脱硝效率提高[16]。

在80%锅炉负荷试验工况下，尿素溶液的喷射会一定程度地造成炉膛烟气温度的下降，降低锅炉热效率，但80L/h尿素溶液喷射量对锅炉热效率的影响小于0.66%，60L/h、45L/h 尿素溶液喷射量对锅炉热效率的影响会更小，SNCR 脱硝不会影响锅炉的正常运行。

4.4 不同锅炉负荷下NOx浓度

在工业生产中，需要根据生产需要调节锅炉负荷，图6 表示不同锅炉负荷下NOx、CO 和炉膛温度。

由图6(a)可知，在不同锅炉负荷下，CO 浓度均低于2000mg/m3，达到了很好的燃烧效果。图6(b)表明，随着锅炉负荷的增大，炉膛温度快速升高，NOx初始值随着锅炉负荷的增大明显升高。锅炉负荷在36%时，NOx浓度为164mg/m3，处于较低的排放水平，主要是因为，锅炉负荷低时煤粉耗量少，入炉燃料总氮相对较少，燃料型NOx生成量少；同时低负荷时燃烧器温度较低，很大程度上抑制了热力型NOx的生成。随着锅炉负荷增大，煤粉耗量增大，入炉燃料总氮量增加，燃料型NOx的生成量增大，且负荷增大时燃烧温度升高，很大程度上促进了热力型NOx的生成，因此NOx排放总量增大[4]。

4.5 不同锅炉负荷下脱硝效果

采用3种浓度尿素溶液对不同锅炉负荷下的脱硝效果进行研究，SNCR脱硝效果如图7所示。

由图7 可知，3 种浓度尿素溶液喷射下，不同锅炉负荷下的NOx排放浓度均低于50mg/m3，脱硝效率均大于80%，且随着锅炉负荷的降低，NOx浓度减小，脱硝效率增大。3种浓度尿素溶液脱硝效果对比发现，10%浓度、80L/h 尿素溶液喷射下的NOx浓度最小，脱硝效率最大，变化趋势与上文讨论相同，尿素溶液喷射量的增大有利于增强脱硝效果。

图6 不同锅炉负荷下NOx与CO含量、炉膛温度的关系

图7 不同锅炉负荷下SNCR脱硝效果

5 结论

（1）80%锅炉负荷下，随着尿素溶液喷射量的增大，NOx浓度减小，脱硝效率增大。20%浓度、45L/h 喷射量时，NOx浓度为40mg/m3，脱硝效率为85%；15%浓度、60L/h 喷射量时，NOx浓度为35mg/m3，脱硝效率为87%；10%浓度、80L/h喷射量时NOx浓度为30mg/m3，脱硝效率为89%；均可满足NOx低于50 mg/m3的排放要求。

（2）80%锅炉负荷下，不同氧含量下SNCR 脱硝均能达到超低排放要求，SNCR 脱硝效率均在80%以上，且随着氧含量的增加脱硝效率出现下降趋势。10%浓度、80L/h 工况下NOx浓度最低、脱硝效率最高，且氧含量为4.74%时，20%、45L/h，15%、60L/h，10%、80L/h 三种浓度尿素溶液脱硝氨氮比依次为3.65、3.59、3.22，10%、80L/h 尿素溶液以最小的氨氮比获得了最佳脱硝效果。提高尿素溶液喷射量可增强雾化效果，强化尿素溶液与烟气的混合程度，在最少尿素耗量下得到最大的脱硝效果。

（3）三种浓度尿素溶液喷射下，不同锅炉负荷下的NOx排放浓度均低于50mg/m3，脱硝效率均大于80%，且随着锅炉负荷的降低，NOx浓度减小，脱硝效率增大。

（4）提出的“低NOx燃烧+SNCR脱硝”耦合技术方案是可行的，在低NOx燃烧的基础上，不同试验工况下SNCR脱硝效率均可达到80%以上，完全能够达到烟气中NOx低于50mg/m3的超低排放要求。