混合法脫硝工藝在燃煤機組超低排放中的應用
摘 要
混合法脫硝工藝是結合了 SCR 技術高效、SNCR 技術投資省的特點而發展起來的一種新型的、成熟的工藝。通過伊敏電廠三期 2×600MW 機組 SNCR+SCR 混合法脫硝工藝方案的論述。首先對 SNCR 系統的供氨能力進行了摸底測試，結果發現 SNCR 系統能夠產生足夠的氨逃逸滿足 SCR 系統的使用，但氨逃逸分布的均勻性較差。然后根據測試的結果對 SCR 系統煙道進行了優化設計并安裝了煙氣混合器，改善了進入 SCR 反應器的氨逃逸分布均勻性。通過改造，成功的將 NOx從 260mg/m3降至 90mg/m3以下；并且通過進一步增加 SNCR 系統四區噴槍噴入的尿素溶液流量能夠將 SCR 出口的 NOx降低至 50mg/m3以下。
關鍵詞：SNCR；SCR；氨逃逸；均勻性
1 概況
自從 SNCR 脫除 NOx工藝在上世紀 70 年代由美國人發明并申請了專利之后，這種技術就由于其具有較高的性價比而得到了廣泛的應用。我國于 2007 年在江蘇利港電廠引進了第一臺 600MW 機組的 SNCR 脫硝裝置。近幾年，隨著我國環境污染的加劇和環保標準的日益提高，配備 SNCR 脫硝系統的鍋爐數量也在持續增長。特別是 2014年發布的《煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014-2020年）》，許多已進行 SCR 改造的 W 火焰鍋爐，由于其初始NOx排放濃度較高，單純靠加裝一層催化劑已難以達到超低排放的要求。在這種情況下，使用 SNCR+SCR 混合法脫硝技術才是經濟可行的超低排放技術路線。
伊敏電廠三期 2×600MW 機組在 2010 年建成投運時配套建設了 SNCR 脫硝系統來。使用尿素作為脫硝的還原劑，脫硝系統的設計效率為 35%（NOx從 260mg/m3降低至170mg/m3）。SNCR 脫硝設備由大唐集團和美國 FuelTech,Inc. 提供，于 2011 年 7 月通過“168”試運行。經過西安熱工院調試，后又經電廠技術人員一年多的調試，5、6 號爐NOx排放值為 170mg/m3，平均干尿素耗量每天約 17 噸。西安熱工院“千人計劃”專家徐宏杰博士根據現場摸底試驗，對現有設備提出了改進意見，通過對 6 號爐 40 多天消缺以及優化調試，以及對 5 號爐 20 多天調試，將 5、6 號爐NOx排放值控制在 150mg/m3，平均干尿素耗量每天約 9噸，如果按原排放目標值 170mg/m3運行，尿素耗量每天只需 4~5 噸，即每年為電廠節約近千萬元運行成本。
隨著國家環保標準的提高，要求這兩臺機組的 NOx排放要低于 100mg/m3。通過分析論證，計劃采用 SNCR+SCR的技術路線來對這兩臺機組進行脫硝系統的升級改造，并可實現 50mg/m3的超低排放目標。保留原來的 SNCR 裝置，僅對省煤器和空預器之間尾部煙道進行改造，安裝兩層催化劑（1+1），使用 SNCR 系統產生的逃逸氨作為 SCR 反應的還原劑。本文對這兩臺機組 SNCR+SCR 脫硝改造情況進行介紹，并探討了在混合法脫硝技術下達到超低排放要求的可行性。
2 脫硝系統介紹
伊敏電廠三期機組 SNCR 系統采用尿素作為還原劑，其 SNCR 系統包括尿素溶液制備儲存系統、尿素溶液循環供給系統、尿素溶液計量稀釋系統、尿素溶液分配噴射系統。其中尿素溶液噴槍分四層布置：第一層噴槍為伸縮式短噴槍，布置在爐膛折焰角下部區域，沿爐膛四周布置；第二層噴槍為固定式短噴槍，布置在爐膛折焰角區域，只布置在鍋爐前墻；第三層噴槍為固定式短噴槍，布置在爐膛折焰角上部區域，只布置在鍋爐前墻上；第四層噴槍為長槍，布置在爐膛折焰角上方區域，從鍋爐左墻和右墻插入布置。在添加 SCR 系統時，先將省煤器和空預器之間的水平和豎直煙道進行改造，在水平煙道上安裝了煙氣混合器，以減少或消除由 SNCR 系統產生逃逸氨在截面上的分布不均勻現象。然后將空預器進口豎直煙道進行改造，將反應器布置在豎直煙道上。整體脫硝系統示意圖見圖 1 所示。
圖 1 伊敏電廠 SNCR+SCR 脫硝系統示意圖
相比于常見的 SNCR+SCR 混合法脫硝技術來說，伊敏電廠使用的混合法脫硝技術具有兩個特點：
（1）SCR 脫硝反應的還原劑完全靠上游 SNCR 系統反應生成的逃逸氨，沒有在鍋爐尾部煙道溫度較低的位置安裝補氨噴槍；
（2）SCR 反應器直接安裝鍋爐省煤器和空預器之間的煙道上。
因此伊敏電廠的混合法脫硝技術改造具有改造施工難度低、投資成本少的優點；但同時這兩個特點對于混合法脫硝技術本身有比較大的挑戰。其一，SNCR 系統噴槍都布置在煙氣溫度為 850~1050℃的爐膛位置。此溫度范圍下，能否獲得足夠的氨逃逸是保證下游 SCR 脫硝效率的關鍵因素之一；其二，由于沒有安裝補氨噴槍或噴氨格柵，SNCR系統產生的逃逸氨在 SCR 反應器入口截面上的分布是否均勻也是保證 SCR 脫硝效率的關鍵因素之一。
3 原 SNCR 系統產生氨逃逸能力測試
在進行 SCR 脫硝系統設計前，首先對原 SNCR 系統的產生氨逃逸能力及其在空預器入口截面上的分布進行了實驗測試。實驗測量了 600MW 下基礎工況，即按照原運行參數運行的工況，此時噴槍投入三區和四區，控制 NOx濃度為 150mg/m3。同樣測量了當僅增加四區噴槍噴入尿素溶液流量的工況，此時其它運行參數保持不變，比較這兩種工況下氨逃逸濃度的增加和氨逃逸的分布。
圖2伊敏電廠6號爐基礎工況氨逃逸分布圖
圖3伊敏電廠6號爐基礎工況NOx分布圖
實驗使用化學法對氨逃逸量進行測量，使用便攜式煙氣分析儀對煙氣中的 NO 和 O2進行測量。測量的位置在空預器入口截面上。圖 2 和圖 3 給出了伊敏電廠 6 號爐在基礎工況下測量得到的空預器入口截面上的氨逃逸和 NOx分布云圖，圖 4 和圖 5 給出了伊敏電廠 6 號爐在增加 4 區噴槍噴入尿素溶液流量后空預器入口截面上氨逃逸和 NOx分布云圖。從圖 2 和圖 4 我們可以看到，當 SNCR 系統在滿負荷時，投運三區和四區噴槍時，空預器入口處的氨逃逸濃度分布很不均勻，呈現出前后墻濃度較高，而中間濃度較低的趨勢。同時可以看到，增加四區投入的尿素溶液流量，能夠較顯著的增加系統的氨逃逸數量。從圖 3 和圖 5 可以看到，增加四區的尿素溶液流量，NOx的數量變化不大，其分布規律也基本都呈現出前墻濃度較高的趨勢。
通過對原 SNCR 系統各工況下逃逸氨濃度及其分布趨勢的測試可以得出結論：通過增加 SNCR 系統四區噴槍投入的尿素溶液流量能夠使系統產生較多的氨逃逸，但此氨逃逸在空預器入口截面上的濃度分布是不均勻的。
圖4伊敏電廠6號爐增加尿素溶液后氨逃逸分布圖
圖5伊敏6號爐增加尿素溶液后NOx分布圖
圖6 SCR系統流場數值模擬結果
4 SCR 系統改造
通過對原 SNCR 系統氨逃逸分布的測試得知 SNCR 系統產生的氨逃逸在空預器入口截面上的分布是不均勻的，如果僅將SCR 反應器安裝在空預器入口煙道上而不采取任何措施的話，那么進入 SCR 反應的氨逃逸分布會很不均勻，從而會影響脫硝效率甚至催化劑的化學壽命。
通過采用數值模擬的方法對 SCR 系統煙道進行了流場設計，并添加了煙氣混合器，以改善進入 SCR 反應器的氨氮摩爾比分布的均勻性。圖 6給出了加裝煙氣混合器和導流板后省煤器出口和第一層催化劑入口氨濃度分布的云圖，從圖中可以看到，當原 SNCR 系統產生的氨逃逸濃度不均勻時，經過優化設計的 SCR 系統進口煙道后，進入第一層催化劑入口面上的氨濃度分布均勻性有很大的改善。
5 SNCR+SCR 混合法脫硝的實際效果
通過對伊敏電廠三期兩臺機組原 SNCR 系統的摸底測試，以及根據測試結果對 SCR 系統煙道進行優化設計之后，對這兩臺機組進行了脫硝改造。6 號爐在428MW 負荷下 SCR 系統的 DCS畫面，改造后兩個反應器的脫硝效率在 47%左右，SCR 反應器出口 NOx濃度低于 90mg/m3。同時在調試的時候也發現，繼續增大SNCR 系統四區噴槍的尿素溶液流量，能夠將 SCR 反應器出口的NOx調節到 50mg/m3以下。
6 結束語
通過對伊敏電廠三期 2×600MW 機組SNCR 系統進行摸底測試及 SCR 系統改造，我們成功的實施了在不增加補氨噴槍情況下的 SNCR+SCR 混合法脫硝技術。得到的主要結論如下：
（1）SNCR 系統能夠產生足夠的氨逃逸供下游 SCR 反應使用。
（2）SNCR 系統產生的氨逃逸的分布均勻性較差，需要加設煙氣混合器和導流板才能使進入反應器的氨逃逸分布相對比較均勻。
（3）在目前的 SNCR+SCR 混合法脫硝運行情況下，適當增大 SNCR 系統四區的尿素溶液流量能夠使 SCR 反應器出口的 NOx降低到 50mg/m3以下。將來進行超低排放改造的時候，仍然可以使用 SNCR+SCR 混合法脫硝的技術路線。
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