郭靜娟

(中國大唐集團科學技術研究院有限公司西北分公司，陜西 西安 710065)

0 引言

SNCR-SCR聯(lián)合脫硝工藝系統(tǒng)由SNCR脫硝反應區(qū)和SCR脫硝反應區(qū)組成。SNCR區(qū)將尿素或者氨水直接噴入爐膛內(nèi)滿足溫度窗口區(qū)域，脫除部分的NOX；產(chǎn)生的逃逸氨隨著煙氣一起進入后端的SCR區(qū)，在催化劑的作用下，再次與NOX反應，進而脫除NOX。SNCR-SCR聯(lián)合脫硝工藝集合了選擇性非催化還原法(SNCR)投資低和選擇性催化還原法(SCR)脫硝效率高的優(yōu)點，解決了W型火焰爐和小型鍋爐NOX生成濃度高、單一依靠SCR或SNCR工藝無法實現(xiàn)超低排放的難題。

1 系統(tǒng)存在的主要問題

SNCR-SCR聯(lián)合脫硝工藝如圖1所示。

圖1 SNCR-SCR聯(lián)合脫硝工藝示意

SNCR-SCR聯(lián)合脫硝工藝優(yōu)勢顯著，但是難以控制氨逃逸濃度。若氨逃逸濃度與還原劑噴射量不呈線性關系，還原劑消耗量過大，會造成一系列的問題，對機組正常運行產(chǎn)生一定影響。

(1) 為滿足NOX達標排放的要求，脫硝系統(tǒng)過量噴氨，導致氨水消耗量與氨逃逸率遠超設計值。個別電廠還原劑消耗量超出設計值1.5倍以上；氨逃逸率平均37.95—45.54 mg/Nm3，是設計值(7.59 mg/Nm3)的5—6倍，其值最高可達75.9 mg/Nm3。

(2) NOX超排現(xiàn)象頻繁發(fā)生，因環(huán)保超標已影響機組帶負荷，尤其在冬季情況更嚴重。為滿足NOX排放不超標，機組過量噴氨，導致空氣預熱器嚴重堵塞。

(3) 鍋爐尾部煙道低溫段空氣預熱器堵塞嚴重(堵塞率達40 %—50 %)，引風機葉片積灰嚴重，水平振動超標嚴重，增壓風機動葉積灰卡澀，無法調(diào)節(jié)等問題，導致鍋爐帶負荷能力受限，甚至造成鍋爐被迫停運。

(4) 煙氣中氨含量較大，除塵器極線極板粘灰嚴重(見圖2)，二次電流低，影響除塵效率。

2 影響因素分析

在工業(yè)應用中，SNCR脫硝反應所需的停留時間長短與鍋爐爐膛尺寸、沿程煙氣的體積流量、還原劑在煙氣中混合均勻度等因素有關。在爐內(nèi)，滿足SNCR反應溫度的空間位置是非常有限的，還原劑噴射位置一般布置在煤粉鍋爐的折焰角附近，該處受到高溫過熱屏的影響，煙氣溫度變化大，對應SNCR溫度窗口的反應時間比較難滿足，所以還原劑NH3和煙氣及時快速的混合是保證SNCR效率的關鍵。

圖2 除塵器極線極板積灰

造成SNCR-SCR效率偏低和聯(lián)合裝置噴氨量偏高的主要因素為：煙氣溫度不合適，還原劑與煙氣混合程度差，煙氣氣氛的影響，代表性點位選取不合理，催化劑的結構及用量等。

2.1 煙氣溫度不合適

煙氣溫度是影響SNCR脫硝效率的重要因素之一，低氮燃燒器改造后爐內(nèi)煙氣溫度還會更低。對SNCR裝置來說，煙氣溫度在850—1 050 ℃范圍內(nèi)，還原劑（氨水）與氮氧化物反應生成氮氣和水。若反應窗口溫度在850—1 050 ℃范圍外，脫硝SNCR還原反應將會減弱。SNCR脫硝效率與溫度關系如圖 3 所示 (ψ(NO)=0.06 %，ψ(O2)=4.5 %，t=0.5 s)。

圖3 SNCR脫硝效率與溫度關系

2.2 還原劑與煙氣混合程度差

SNCR還原反應條件惡化，噴槍射程不夠，爐膛煙氣與NH3混合不充分，部分煙氣未與NH3接觸，氨水易揮發(fā)，制約了還原劑的覆蓋范圍，造成脫硝效率低。因此脫硝系統(tǒng)采用過量噴氨，即提高氨氮摩爾比，以確保NOX達標排放。

相關研究表明，SNCR技術在應用上脫硝效率低主要是受混合的限制和煙氣溫度大的影響，因此氨與煙氣的混合必須迅速。同時，高的射流動量與煙氣氣流動量比可以提高脫硝的性能，煙氣氣流的湍流程度越大，對混合越有促進作用。

2.3 煙氣氣氛的影響

煙氣中的O2，CO，H2O，H2，CHi(烴根)等都會對脫硝反應產(chǎn)生一定的影響。對燃煤機組來說，配煤摻燒對鍋爐燃燒工況影響較大，決定了煙氣中各組分的含量，使得溫度窗口發(fā)生變化，進一步影響SNCR系統(tǒng)的脫硝效率。

(1) 在缺氧的情況下，SNCR系統(tǒng)還原反應并不會發(fā)生；在有氧的情況下，SNCR系統(tǒng)還原反應才能進行。氧濃度的上升使得反應的溫度窗口向低溫方向移動，進而使NOX和N2O的濃度升高，脫硝效率下降。

(2) 在低溫下，當水蒸汽的濃度低時，促進還原反應的進行；當水蒸汽的濃度高時，則會阻礙反應的進行。

(3) CO濃度的上升，使SNCR的溫度窗口向低溫方向移動，脫硝反應溫度下降，脫硝效率同步降低。

(4) H2和CHi的存在也會使反應的溫度窗口向低溫方向移動，而且隨著這些可燃化合物濃度的提高、溫度窗口移動的幅度加大，脫硝效率也會受到影響。

(5) 燃煤低溫發(fā)熱量不宜過高，否則會導致爐溫高，超越窗口溫度，影響脫硝效率。若未按要求上煤，導致爐膛溫度較高，氮氧化物持續(xù)偏高，會使脫硝效率下降。不同燃料、不同容量的鍋爐SNCR裝置脫硝效率如圖4所示。

2.4 代表性點位選取不合理

現(xiàn)有脫硝SNCR-SCR裝置后都設有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，但是由于煙道截面積較大，煙氣流場不均勻，DCS顯示的爐膛出口氮氧化物濃度與實際濃度存在一定的偏差，部分電廠還出現(xiàn)數(shù)據(jù)倒掛的現(xiàn)象，即煙囪入口氮氧化物濃度高于脫硝裝置后氮氧化物濃度，究其原因主要在于脫硝出口測點選取位置不合理。

圖4 不同燃料、不同容量的鍋爐SNCR裝置脫硝效率

2.5 催化劑的結構及用量

催化劑都含有少量的氧化釩和氧化鈦，因為它們具有較高的抗SO3能力，其結構、形狀隨使用環(huán)境而變化。為避免被顆粒堵塞，常使用蜂窩狀、板式催化劑部件；為降低被飛灰堵塞的可能性，反應器采用垂直放置方式，使煙氣自上而下流動。此外，脫硝裝置安裝聲波吹灰器和蒸汽吹灰器來防止顆粒的堆積。初始設計時，要考慮適當放大催化劑的量；同時，還要根據(jù)反應器中有效區(qū)域的變化調(diào)整催化劑的安裝位置，對催化劑壽命進行管理。圖5是某“2＋1”布置模式的催化劑壽命管理曲線。

圖5 某“2＋1”布置模式的催化劑壽命管理曲線

從圖5可見，“2＋1”布置模式的催化劑活性隨著運行時間的增長在逐漸降低，氨的逃逸率隨著運行時間的增長逐漸增大。

3 解決措施

為解決SNCR-SCR聯(lián)合脫硝工藝煙氣中氨逃逸率偏高、還原劑消耗過大等問題，建議采取以下措施。

(1) 對SNCR反應及其逃逸氨濃度分布特性進行研究。在鍋爐不同高度布置SNCR噴槍，研究不同SNCR噴槍組合條件下的SNCR脫硝效率及氨逃逸量，以獲得最佳的組合方案。改變尿素溶液液滴的初始噴射速度和平均粒徑，研究不同尿素溶液的物性參數(shù)對SNCR脫硝效果的影響。比較分析不同工況條件下SNCR過程逃逸氨在轉(zhuǎn)向室和省煤器出口煙道中的分布規(guī)律，提出優(yōu)化混合的措施和方法。

(2) 基于SNCR反應后的尾部煙道氨氮濃度分布，以及尿素溶液在高溫氣流中的熱分解特性，在鍋爐轉(zhuǎn)向室側(cè)墻布置補氨噴槍。研究不同補氨噴槍組合條件的轉(zhuǎn)向室出口和省煤器出口的氨濃度分布特性。掌握補充噴氨噴槍的最佳噴射位置，與前部SNCR添加尿素還原劑的匹配耦合，消除單獨SNCR反應使得氨逃逸濃度波動引起的脫硝運行部溫度和氨濃度不均勻問題。

(3) 開展SNCR-SCR聯(lián)合脫硝工藝的性能試驗。研究不同噴射方案、不同燃燒工況、不同負荷等條件下的NOX排放特性及SNCR-SCR系統(tǒng)脫硝效果。

(4) 開展SNCR-SCR噴氨優(yōu)化調(diào)整工作。改善出口NOX和氨分布的均勻性，在保證裝置脫硝效果的同時，降低裝置的運行成本，緩解因局部噴氨量過高造成的催化劑和空預器的堵塞問題，提高裝置的可用率。

(5) 催化劑壽命管理工作。催化劑活性隨運行時間增長而逐漸降低，在運行初期，活性惰化速率最快，后期惰化速率趨緩。為了充分發(fā)揮催化劑的殘余活性，需要根據(jù)情況對催化劑進行再生或更換。不同層的催化劑活性降低程度不同，而何時更換哪一層，需要根據(jù)各層催化劑的沖蝕磨損程度與殘余活性的評估結果確定，以最大限度利用現(xiàn)有催化劑。一般情況下，在催化劑的壽命期內(nèi)，以上2個指標均能滿足工程設計要求，在其中某一個指標不能達到環(huán)保排放要求時，可通過添加或置換催化劑的方式提高催化效率。

4 結論

若要解決SNCR-SCR聯(lián)合脫硝工藝煙氣中氨逃逸高、還原劑消耗過大等問題，需要從設計優(yōu)化、運行調(diào)整等方面考慮，通過合理的工藝布置、運行調(diào)整，實現(xiàn)SNCR-SCR聯(lián)合脫硝精細化運行。