改进型SNCR烟气脱硝装置

孟宏君，王尚尚，张凯奇，印 江，李丽锋

（1.山西大学 自动化与软件学院，太原030013；2.山西大学 数学科学学院，太原030006；3.山西河坡发电有限责任公司，阳泉045011）

燃煤电厂在实现发电任务的同时，会产生一系列副产物，如氮氧化物NOx、二氧化硫SO2、烟尘等。近些年为响应国家环保政策的号召，电厂污染物的排放标准越来越严苛。NOx包括NO、N2O、NO2、NxOy等，主要危害有在大气中形成酸雨，破坏建筑物和土壤；对臭氧层造成破坏；麻痹人体中枢神经系统等。山西省2018年发布的《燃煤电站大气污染物排放标准》氮氧化物排放浓度上限值下调为50 mg/Nm3，对NOx的脱除刻不容缓。本文介绍了常见的脱硝技术，以山西省某电站2×350 MW 循环流化床机组（CFB）为背景，分析其SNCR 脱硝原理与脱硝工艺流程。基于现场已有的SNCR 脱硝装置，设计了一种改进型SNCR烟气脱硝装置，论述其结构、工作原理和预期效果。

1 脱硝技术

目前氮氧化物NOx的脱除技术按照燃料燃烧时期的不同大致可以分为燃料脱硝技术、低氮燃烧技术、烟气脱硝技术3 种[1]。

1.1 燃料脱硝技术

燃料脱硝技术是指在燃烧前采取的脱硝措施，选用含氮量低的燃料或者利用一定方法使得燃料中的氮成分含量减少。燃料脱硝技术是一种从源头上降氮的技术，常见的方法有洗选法、加氢脱硝法、煤的气化和液化法、微生物脱氮法等[2]。

1.2 低氮燃烧技术

低氮燃烧技术是指在燃烧过程中采取的脱硝技术。对于燃煤电厂，影响NOx生成的主要因素有燃烧煤质、燃烧过程的床温、炉膛含氧量、锅炉机组负荷、加入的石灰石的量、煤燃烧时间等[3]。低氮燃烧技术通过控制燃烧温度、含氧量、燃烧方式或环境来减少NOx生成，常见的方法有空气分级燃烧法、低NOx燃烧器、烟气再循环法、低氧燃烧、燃烧优化等[4]。

1.3 烟气脱硝技术

烟气脱硝技术指在燃烧后采取的脱硝措施，是一种从终端上降氮的技术，采用一定的物理或化学方法脱除烟气中NOx，是目前大多数燃煤电厂采用的脱硝手段，分为干法脱硝和湿法脱硝两大类。湿法脱硝是利用液态吸收剂和烟气中NOx反应，常见的液态吸收剂有稀硝酸HNO3、氢氧化钾KOH、氢氧化钠NaOH、氨水NH3·H2O、尿素CO（NH2）2、亚铁螯合剂（FeⅡEDTA 和FeSO4）等。干法脱硝常用的方法有等离子体活化法、利用活性炭、分子筛和沸石等吸附法、选择性催化还原技术（SCR）、选择性非催化还原技术（SNCR）等[5]。

2 CFB 机组及SNCR 脱硝现状

以山西省某电站2×350 MW 循环流化床机组（CFB）为背景，锅炉型号为DG1184/25.31-Ⅱ1，超临界参数变压运行直流炉、单个炉膛、呈M 型半露天布置、一次中间再热、3 台高温冷却式旋风分离器，并配套有350 MW 超临界汽轮发电机组[6]。对于该机组燃烧的煤种主要是无烟煤，此外为响应国家超低排放、低热值煤燃烧的号召，该电站充分利用煤泥凝聚结团和爆裂燃烧的特性，采用先进的湿煤泥炉顶抛洒燃烧方式，以及利用机组发电做功后的乏汽，采用蒸汽间接热干化工艺将污泥含水率由80%降低到30%，处理后的干化污泥与原煤混掺燃烧，大大提高了锅炉燃烧特性和经济效益。在燃烧过程中，还是会产生一系列污染物，NOx的主要来源依旧是燃料型NOx。

该电站采用SNCR 烟气还原脱硝技术进行NOx脱除，还原剂为尿素CO（NH2）2，通过在每台旋风分离器入口、顶部和出口布置5 支墙式喷枪进行20%Wt 尿素溶液的喷射与烟气中的NOx反应，利用脱除NOx的反应式见式（1）和式（2）。SNCR 烟气脱硝工艺流程如图1 所示。为保证烟囱出口NOx排放浓度达标，通常尿素溶液会过喷，出口NOx排放浓度虽降低，但容易造成氨逃逸问题，未反应逃逸的氨与烟气中的硫化物反应生成黏性铵盐，堵塞省煤器与空预器，增加了系统阻力，加剧设备的腐蚀，同时布袋除尘器糊袋影响除尘等，从而使成本上升，影响经济效益。

图1 SNCR 脱硝工艺流程Fig.1 SNCR denitration process

与此同时伴随着副反应的发生：

3 改进型SNCR 脱硝装置

基于该电站SNCR 脱硝装置，设计了一种改进型SNCR 烟气脱硝装置。

3.1 主要设备

改进型SNCR 烟气脱硝装置主要设备包括反应箱、冷却箱、活塞筒、搅拌杆与丝杆、传动皮带与皮带轮、液泵、风扇、伺服电机、温度传感器、连接管、安装板、制冷板、支撑板、固定板与移动板等。该装置整体示意图如图2 所示，内部示意图如图3 所示，图3 中A 处局部放大图如图4 所示，装置俯视图如图5 所示。

图2 改进型SNCR 烟气脱硝装置整体示意图Fig.2 Overall schematic diagram of improved SNCR flue gas denitrification device

图3 改进型SNCR 烟气脱硝装置内部示意图Fig.3 Internal schematic diagram of improved SNCR flue gas denitrification device

图4 改进型SNCR 烟气脱硝装置A 处局部放大图Fig.4 Partial enlarged drawing of improved SNCR flue gas denitrification device at A

图5 改进型SNCR 烟气脱硝装置俯视图Fig.5 Top view of improved SNCR flue gas denitrification device

图中，1-反应箱；2-冷却箱；3-降温套；4-进烟口；5-出烟口；6-伺服电机；7-搅拌杆；8-第一皮带轮；9-活塞筒；10-第一连接管；11-第二连接管；12-推杆；13-连接板；14-丝杆；15-第二皮带轮；16-传动皮带；17-移动板；18-第一液泵；19-第二液泵；20-吸液管；21-出液管；22-制冷板；23-支撑板；24-固定板；25-安装板；26-风扇；27-温度传感器。

3.2 结构原理

该改进型SNCR 烟气脱硝装置，包括有反应箱与冷却箱，反应箱底部通过支撑柱与冷却箱顶部固定连接，反应箱外固定连接有降温套，反应箱上设有进烟管和出烟管。进烟管的上端从反应箱的顶壁穿出，进烟管的下端伸入反应箱内且向反应箱的底部空间延伸，出烟管设于反应箱右侧壁的上部，出烟管可将反应箱内空间与外界连通。

反应箱顶部安装有伺服电机，反应箱内设有搅拌杆。伺服电机的输出端向下与搅拌杆的上端传动连接，搅拌杆的下端从反应箱的底部穿出，搅拌杆下端固定连接有第一皮带轮。反应箱右侧壁固定连接有活塞筒，活塞筒的上部空间通过第一连接管与反应箱内空间连通，活塞筒的下部空间通过第二连接管与反应箱内空间连通，对应活塞筒设有推杆，推杆的上端位于活塞筒内，推杆的下端从活塞筒底部穿出。冷却箱的右侧壁上端和下端均设有连接板，两块连接板之间设有丝杠，丝杠与两块连接板可转动连接，且丝杠的上端从上方连接板的顶部穿出，丝杠的上端固定连接第二皮带轮，第二皮带轮与第一皮带轮通过传动皮带连接。丝杠上可转动连接有移动板，移动板的顶部与推杆的下端固定连接。

冷却箱的侧壁设有第一液泵和第二液泵，第一液泵的吸液端通过吸液管与降温套内空间连通，第一液泵的出液端与冷却箱内部空间连通，第二液泵的出液端通过出液管与降温套内空间连通，第二液泵的吸液端与冷却箱内部空间连通，冷却箱底部设有制冷板。

降温套与反应箱的前壁、后壁和左侧壁固定连接。

冷却箱的底部通过两块支撑板连接有固定板，两块支撑板之间设有安装板，安装板上设有可对制冷板进行降温的风扇。

反应箱内设有温度传感器，温度传感器与伺服电机电性连接。

支撑柱设置有4 个，均匀分布设于冷却箱顶部四角。

第一连接管内设有第一单向阀，第二连通管内设有第二单向阀。

3.3 反应原理与预期效果

与该电站SNCR 脱硝装置相比，改进型SNCR烟气脱硝装置，通过设置有搅拌杆、活塞筒与连通管，伺服电机的输出端带动搅拌杆转动，使得搅拌杆带动第一皮带轮转动，通过传动皮带带动第二皮带轮转动，带动往复丝杆转动，带动移动板移动，使得推杆上移，同时反应箱内部的尿素溶液通过连接管进入活塞筒内部，推杆推动活塞筒内部的尿素溶液通过连通管进入反应箱内部，使得反应箱内部的尿素溶液流动，尿素溶液与烟气进行充分接触，从而提高了烟气与尿素溶液的反应率，提高脱硝装置的工作效率。

与此同时改进型SNCR 烟气脱硝装置通过设置有降温套、进液管与出液管，当温度传感器检测到反应箱内部温度过高时，制冷片对冷却箱内部的冷却液进行降温，第一液泵的吸液端将冷却箱内部的冷却液吸入，第一液泵的出液端将冷却液排入进液管内部，通过进液管输入至降温套内部，通过降温套对反应箱内部进行降温，同时第二液泵的吸液端通过出液管将降温套内部的冷却液吸入，然后第二液泵的出液端将冷却液排入至冷却箱内部进行重新降温使用，使得反应箱内部的温度降低，尿素溶液与烟气的反应温度降低，从而提高烟气与尿素溶液的反应率。

4 结语

本文通过分析山西省某2×350 MW 循环流化床机组（CFB）其脱硝原理与脱硝工艺流程，在已有脱硝装置基础上进行改进，设计出了一种改进型SNCR 烟气脱硝装置，利用伺服电机带动搅拌杆、传动带、皮带轮、推杆等一系列的传动，使得尿素溶液往复进入至反应箱内部，反应箱内部的尿素溶液不断流动，尿素溶液与烟气进行充分接触，从而提高了烟气与尿素溶液的反应率，从而提高了本装置的工作效率。温度传感器、制冷片、风扇、两级液泵在装置中的配套使用，大大降低了反应过程中放热温度，起到循环降温的作用。为该电厂后续脱硝装置的改进提供了一种新的思路。