SNCR脱硝技术在循环流化床锅炉的应用及优化

赵洋，肖康(陕西陕焦化工有限公司，陕西 渭南 711712)

1 氮氧化物生成机理及控制手段

1.1 研究现状

为满足环保部门提出的治理要求，近年来SNCR脱硝技术在循环流化床锅炉中的优化应用开始引起业界高度关注，SNCR脱硝改造实践也大量涌现，陕西陕焦化工有限公司锅炉能效升级脱硝优化应用实践便属于其中代表。结合实际调研可以发现，SNCR脱硝技术属于现阶段最主流的循环流化床锅炉脱硝技术，该技术在国内外均有着广泛应用，很多理论研究和实践探索也已经证明该技术的实用性和市场前景。在炉膛区域内通过喷射器喷入还原剂，SNCR脱硝技术能够在不使用催化剂的前提下使烟气中的氮氧化物与还原剂发生化学反应，生成二氧化碳、水和氮气。尿素、氨水、液氨属于SNCR脱硝技术常用的还原剂，喷射、输送、储存、吹扫等设备构成还原剂系统[1]。

1.2 氮氧化物生成机理

循环流化床锅炉生成的氮氧化物主要由一氧化氮、二氧化氮、一氧化二氮组成，结合燃煤生成氮氧化物的过程进行分析可以发现，氮氧化物的生成存在的途径主要有3种，包括快速型氮氧化物、热力型氮氧化物、燃料型氮氧化物。对于循环流化床锅炉来说，如采用燃用烟煤、页岩、褐煤等劣质燃料，燃料性氮氧化物将大量生成[2]。

1.3 氮氧化物控制手段

烟气脱硝和燃烧中控制属于现阶段循环流化床锅炉主要的氮氧化物控制手段，SNCR脱硝技术、SCR脱硝技术均属于常用的烟气脱硝方法，燃烧调整、低氮改造、低氮燃烧器则属于常见的燃烧中控制手段。SCR脱硝技术的应用能够使烟气中氮氧化物与还原剂发生反应生成水和氮气，但该技术需要应用催化剂。SNCR脱硝技术无需使用催化剂，通过在锅炉水平烟道喷入还原剂，能够在合适的温度和条件下还原氮氧化物。对比两种技术可以发现，SCR脱硝技术、SNCR脱硝技术的反应温度分别在400～500 ℃、850～1 150 ℃区间，前者多在空气预热器前、省煤器后布置，但对于使用燃用高灰分劣质煤的循环流化床锅炉来说，较高的烟气含尘量很容易引发催化剂堵塞问题，催化剂中毒失效情况也较为常见。后者由于不需要采用催化剂，不会出现反应器堵塞等问题，烟气成分对其脱硝效果带来的影响较小，具备更高实用性。总的来说，SNCR烟气脱硝技术相较于SCR脱硝技术存在较小的占地面积、较低的运行成本、较短的建设工期以及更高的脱硝效率，能够较好满足环保要求，在大型循环流化床锅炉领域的应用价值较高。而结合计算论证和实际调研能够确定，在排烟温度、锅炉效率、锅炉受热面、腐蚀影响方面，SNCR脱硝技术均具备优秀表现，能够较好保证循环流化床锅炉的安全运行，且无需开展针对性设备改造。在SNCR烟气脱硝技术应用后，循环流化床锅炉的氮氧化物排放量能够得到有效控制，一般拥有80%左右的脱硝效率，且具备系统造价降低、设备简单、运行维护简单、不增加引风机电耗、不使用催化剂、不增加烟气系统阻力、不会造成尾部烟道腐蚀和积灰、氨逃逸控制出色、安装及操作简单等优势，因此SNCR烟气脱硝技术能够较好满足循环流化床锅炉的环保需要，在脱硝改造等领域具备较高实践价值，理应得到业内人士的高度重视[3]。

2 实例分析

2.1 锅炉基础条件及现存问题

为提升研究的实践价值，本文以陕西陕焦化工有限公司锅炉能效升级脱硝优化应用实践作为研究对象，该企业采用的高压蒸汽锅炉型号为TG-75/3.82-M55(两用一备)，属于典型的自然循环、单锅筒、循环流化床锅炉，由2台绝热式高温旋风分离器、1个膜式水冷壁炉膛、1个尾部竖井三部分组成，其中膜式壁炉膛室外布置，锅炉运行负荷区间为40%～100%，年运行时间为6 000～7 000 h，锅炉出口烟气量、氮氧化物、O2平均数值分别为140 000 Nm3/h、50～100 mg/Nm3、6%～12%。在长期运行中，陕西陕焦化工有限公司的循环流化床锅炉存在一定问题，包括床温不均匀明显、锅炉无法达到额定负荷、锅炉分离器效率不高、锅炉原始排放较高，其中锅炉原始排放较高是由于存在不合理的SNCR脱硝喷枪位置选择，锅炉因此存在较大的氨水喷洒量和逃逸氨量，易于卡涩、堵塞的引风机挡板门也很容易对循环流化床锅炉的正常运行造成影响，这使得60 t/h以上负荷时锅炉无法满足环保排放要求。结合陕西陕焦化工有限公司锅炉能效升级脱硝优化应用实践，本节将围绕SNCR脱硝技术优化应用的必要性及目标、SNCR脱硝技术优化技术难点及路径选择开展深入探讨。

2.2 SNCR脱硝技术优化应用的必要性及目标

在环保监管不断加强、焦化行业绿色转型加快和一体化趋势明显、行业集中度不断提高、产品附加值增加的大背景下，陕西陕焦化工有限公司必须不断推动设备升级和技术改造，向集约化、规模化方向发展，同时需要通过精深加工延伸产业链，这些均离不开SNCR脱硝技术的优化应用支持。2016以来，我国很多焦化企业因环保不达标而关停限产，这使得焦化行业的盈利有所好转，而为了获得更广、更多的市场发展空间，企业必须在环保、技术、产业链延伸等方面加大投入。作为典型的高能耗、高污染企业，随着国家环保政策、产业政策要求的持续提升，陕西陕焦化工有限公司受到较大冲击。陕西陕焦化工有限公司拥有较为完整的产业链且50%左右的原料源于集团公司内部，属于省内焦化龙头企业，而通过不断优化改善炼焦工艺流程，企业存在较大的提高附加值、节约能源的潜力。近年来我国各行业在能源综合利用、环境保护、资源节约等方面取得了不俗成果，能源节约、保护环境已经成为基本国策，但相较于发达国家，我国在节能减排和资源综合利用方面仍存在一定不足，主要表现为能源浪费巨大、资源利用效率低、环境污染严重，这类不足在焦化行业有着直观体现，如司炉人员技术水平欠缺、燃煤管理不完善、锅炉运行参数调整不合理、SNCR脱硝技术应用不当。

结合陕西陕焦化工有限公司的实际情况可以发现，该企业存在SNCR脱硝技术应用不当问题，为实现节能减排目标，提升企业整体经济效益并推动其转型升级，SNCR脱硝技术优化应用存在较高必要性。在陕西陕焦化工有限公司锅炉能效升级脱硝优化应用实践中，该企业明确了锅炉增容改造、低氮燃烧改造、脱硝系统优化提效改造目标，其中脱硝系统优化提效改造涉及原有脱硝系统喷枪的重新布置和数量变更，以此降低氨水用量并提高氮氧化物脱除效率，即可保证循环流化床锅炉满出力安全稳定运行和超低排放顺利实现[4]。

2.3 SNCR脱硝技术优化技术难点分析

陕西陕焦化工有限公司设置有选择性非催化还原法SNCR脱硝工艺系统，以20%氨水作为循环流化床锅炉烟气脱硝装置的还原剂，能够在80～100 mg/Nm3以内控制正常氮氧化物排放浓度。为实现投资节约和现有资源充分利用，在锅炉能效升级脱硝优化应用实践中，企业更换了现有喷射系统的喷枪并同时进行优化布置，这是由于脱硝效率直接受到喷射系统优劣影响。由于原有输送设施能够保证系统稳定性，为实现SNCR脱硝技术优化应用，提高脱硝效率，需保证存在质量高且较为可靠的喷射设备，喷枪的布置位置也需要设法合理布置。不同的喷枪数量和喷枪位置对脱硝效率的影响较大，因此必须科学选择喷枪数量，并结合同类型成功经验，通过仿真模拟、现场测试确定最佳喷射位置，以此控制脱硝效率。结合陕西陕焦化工有限公司循环流化床锅炉实际情况，改造在每个分离器设置3个喷枪，在炉内脱硫系统正常投运且存在40～75 t/h的锅炉日常运行蒸发量时，需设法保证烟气中氮氧化物折算后排放浓度测试结果在50 mg/Nm3以下。结合实际情况进行分析可以发现，SNCR脱硝技术优化的技术难点主要体现在喷枪位置合理选择方面。

2.4 SNCR脱硝技术优化路径

喷枪参数主要包括雾化锥角、雾化粒径、流速等，而结合现有研究可以发现，过高的喷枪流速会导致氨水溶液浓度降低，随之拉长的蒸发用时会降低还原反应速率，中心筒受此影响将直接排出大量NH3，过大的雾化液滴粒径也会导致蒸发耗时拉长，进而降低还原反应速率。但如果存在过小的雾化粒径，蒸发过快则会催生浪费问题，较差的颗粒刚性则很容易被烟气携带排出，还原反应因无法深入分离器内部而无法充分进行，液滴穿透能力和分布的均匀程度会受到雾化锥角影响。一般来说，30～80 μm的喷嘴雾化粒径较为合适，喷射压头则需要控制在0.4～0.8 MPa(4～8 bar)区间，压缩空气属于常用雾化介质，液滴射程能够得到保障；考虑到喷枪数量和喷射位置直接影响脱硝效率，因此陕西陕焦化工有限公司通过仿真模拟、现场测试确定了最佳喷射位置，并每个分离器设置3个喷枪。SNCR脱硝技术优化改造后，烟气中氮氧化物折算后排放浓度测试结果在50 mg/Nm3以下，技术优化取得预期效果，同时优化后的喷枪布置能够实现还原剂全覆盖，烟气与氨水能够良好混合反应，做到了混合均匀、反应及时，辅以锅炉增容改造、低氮燃烧改造，陕西陕焦化工有限公司循环流化床锅炉床温得以稳定并在反应区间，炉内工况改善明显，达到最佳脱硝反应状态，这使得流化效果更佳且能耗降低显著，因此案例企业的SNCR脱硝技术优化应用具备较高借鉴价值。

3 结语

综上所述，SNCR脱硝技术在循环流化床锅炉中的应用价值较高。为更好提升循环流化床锅炉的环保性能，SNCR脱硝技术的应用还应关注煤质变化的应对、风量比例的动态调整、反馈时间的有效缩短、国家环保政策要求的严格贯彻，技术本身的优化研究也需要得到重视。