SNCR+SCR联合脱硝的影响因素及解决方案
张煜1 王曾祺2 吕瑞亮2
1.中冶南方都市环保工程技术股份有限公司，湖北武汉 430000
2.宝鸡市热力有限责任公司，陕西宝鸡 721006
摘要：锅炉运行过程中，一次网供水温度、尿素溶液浓度、喷枪流量及喷枪气压（雾化效果）、烟气混合程度均会影响脱硝效果。一次网供水温度不超过92℃时，尿素溶液浓度可为7.6%~10%之间；当一次网供水温度高于95℃时，尿素溶液浓度需同步提高至14%。一定条件下，初寒期时，可调整炉后喷枪流量、气压至40L/h、0.25MPa，炉前50L/h、0.25MPa，严寒期时，可调整炉后喷枪流量、气压至60L/h、0.3MPa，炉两侧，炉前流量、气压为25L/h、0.25MPa，保证NOx稳定、达标排放。
关键词：一次网供水温度；尿素溶液浓度；雾化效果；烟气混合程度
氮氧化物（NOx）是造成大气污染的主要污染物之一[1]。人类活动产生的NOx90%以上来自于燃料的高温燃烧。对于燃煤锅炉，NOx产生的主要形式是热力型，即原子氧和氮之间的化学反应。目前，消减氮氧化物排放量较为成熟且有效的方法为催化/非催化还原法，即SCR（选择性催化还原技术）和SNCR（选择性非催化还原技术）[2-3]。随着最新的大气污染物排放标准（DB61/941-2018）的实施，燃煤锅炉均进行了超低排放改造工程，其中脱硝系统采用SNCR+SCR联合脱硝，氮氧化物去除率达到90%以上。某公司供热站采用3台70MW链条式热水锅炉进行集中供暖，并配备SNCR+SCR联合脱硝，经调节尿素溶液浓度，喷枪流量及压力、尿素溶液与烟气混合度等影响因素，可保证NOx排放浓度在不同供水温度下稳定、达标排放。
1 供热站脱硝系统概述
该供热站采用3台70MW链条式热水锅炉，年供热面积约为500万m2，脱硝系统采用SNCR+SCR联合脱硝工艺，一炉一器（SCR反应器）设计，SCR反应器设计两层TiO2/V2O5催化剂，分设两层声波吹灰装置。尿素制备系统主要有：尿素浓溶液制备罐（半径0.6m，高1.6m）1个，尿素稀溶液制备罐2个，稀释水系统1套。尿素溶液输送泵4个（3用1备），单台锅炉设计喷枪数为18支。正常运行工况下，烟气进入SCR反应器温度为280℃-400℃，经超低排放改造，NOx排放浓度低于50mg/m3，脱硝效率稳定维持在90%以上，生产运行稳定。图1为脱硝系统工艺流程图。
图1 3×70MW热水锅炉脱硝过程工艺流程图
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2 脱硝过程中的影响因素
2.1 一次网供水温度
根据外界环境温度的变化情况，锅炉一次网供水温度会进行相应地调整，保证热用户室内温度为18±2℃。氮氧化物的产生量与温度密切相关，研究表明：随着反应温度T的升高，其反应速率按指数规律增加[4]。因此，一次网供水温度的升高，需相应提高炉膛、炉后的燃烧温度，单位时间内，热力型NOx反应速率增加，其产生量随之增加。选取一次网供水温度分别为85℃、90℃、92℃、95℃、100℃、102℃时，统计分析氮氧化物浓度值和尿素溶液浓度的变化情况。表1为一次网不同供水温度下，NOx浓度值和尿素溶液浓度。
表1 一次网不同供水温度下NOx浓度值和尿素溶液浓度
一次网供水温度/℃
85
90
92
95
100
102
尿素溶液浓度/%
7.6
10
10
12
12
14
NOx浓度值/( mg·m-3)
33
35
45
42
44
40
注：NOx浓度值是锅炉运行5天内的平均值。
从表1可知，通过调整尿素溶液浓度，可避免因一次网供水温度升高而导致NOx浓度值超标的问题。即一次网供水温度不超过92℃时，尿素溶液浓度可为7.6%~10%之间；当一次网供水温度高于95℃时，尿素溶液浓度需同步提高至14%。
2.2 尿素溶液浓度
尿素溶液经热解产生的氨气是脱硝系统的还原剂[4]，如方程式（1）所示，配制尿素溶液浓度时，在保证SNCR反应所需氨气的同时，还应确保SCR正常运行。通过对锅炉负荷、烟气量、NOx排放限值的了解，确定了尿素溶液浓度值（7.6%~14%）的范围，但具体的取值应根据实际的运行状况而定。遵循的原则为：在保证NOx达标排放的前提下，应尽可能减少尿素的消耗，节约成本。
CO(NH2)2+H2O 2NH3+CO2 (1)
根据以往运行结果，尿素溶液浓度往往采取大流量、小浓度，小流量、大浓度两种运行模式。初、末寒期，供水温度为80±5℃，采取大流量（380L/h）,小浓度（7.6%），NOx排放浓度可稳定维持在33mg/m3左右。严寒期，供水温度达到95℃以上时，大流量、小浓度运行模式无法保证NOx达标排放。因此，选取严寒期下的锅炉一次网供水温度，探究尿素溶液浓度对NOx排放的影响规律。图2为同一供水温度下，NOx排放浓度随尿素溶液浓度的变化情况。
图2 同一供水温度下，NOx排放浓度随尿素溶液浓度的变化情况
由图2可以看出，初、末寒期的尿素溶液浓度（7.6%）均会造成NOx排放浓度超标。随着尿素溶液浓度的提高，相同一次网供水温度下，NOx排放浓度明显下降。分别达到最低值42 mg/m3、43 mg/m3、41mg/m3，再增加尿素溶液浓度，下降趋势并不明显。这种结果的呈现说明，并不是尿素溶液浓度越大，NOx排放浓度就会越低。控制NOx排放浓度的因素有很多，温度，尿素溶液浓度、烟气混合程度等，单从尿素溶液浓度来说，合适的尿素热解温度以及催化还原的反应温度，才是重中之重。
2.3 喷枪流量及喷枪气压（雾化效果）
尿素溶液的雾化效果主要由喷枪流量和喷枪气压决定，良好的雾化效果不仅可以降低NOx排放浓度，还可以节省尿素用量，反之，差的雾化效果，不仅不能降低NOx排放浓度，还会对锅炉的水冷壁管造成腐蚀，甚至出现爆管现象[5]。在以往运行经验的基础上，选取不同时段，不同尿素溶液浓度，通过不定期的手动调节喷枪流量和气压，观察总排口NOx排放浓度的变化情况，如表2所示。
注：“-”表示未投运。
由表2可知：（1）从喷枪的雾化效果来看，喷枪气压最佳范围在0.25MPa-0.30MPa之间，随着锅炉负荷及NOx浓度值变化情况，可小范围进行调节。（2）初寒期，NOx小时均值为38mg/m3（平均），单台锅炉尿素最高流量为550L/h，平均值为520L/h，为降低部分未热解的尿素溶液对锅炉水冷壁管的腐蚀，可调整炉后喷枪流量至40L/h（0.25MPa），炉前为50L/h（0.25MPa），保证NOx稳定、达标排放。（3）严寒期，①NOx小时均值为42mg/m3（平均），其中3#炉负荷变化对总排口NOx浓度值影响较大，因此建议非必要条件下，保证3#炉稳定运行；②单台锅炉尿素最低流量为390L/h，平均值为460L/h，为降低尿素用量，可调整炉后喷枪流量至60L/h（0.3MPa），炉两侧、炉前流量为25L/h（0.25MPa），或减少炉前喷枪数量，使单台锅炉尿素平均流量为410L/h，但该方法会对炉后水冷壁管造成影响。（4）①投运锅炉前，应在锅炉外进行喷枪调式，选择适合的气压和流量，保证喷枪无滴液现象；②保持管道温度在40℃以上，避免管道内有尿素结晶析出；③非必要情况下，建议不投运烟道喷枪，避免烟道腐蚀及SCR催化剂因硫酸铵发生中毒[6]，催化剂中毒如方程式（2）所示。因此，在锅炉供热参数变化的情况下，及时、有效、科学地调整喷枪的雾化效果，可避免因锅炉参数发生变化导致NOx瞬时超标现象的发生，同时调节喷枪流量在一定程度上可以降低尿素使用量，节省生产成本。
2NH3+H2O+SO3→ (NH4)2SO4 （2）
2.4烟气混合程度
烟气混合程度是指锅炉燃烧后产生的烟尘与尿素溶液（氨气）的接触情况，主要以停留时间和接触面积两个指标来评判烟气混合程度[7]。区域集中供热锅炉系统保证烟气混合程度主要通过：寻找合适的温度场[8]，保证尿素溶液热解和催化还原反应温度，如方程式（3）、（4）所示；选择合适的喷枪型号，安装合适的喷枪角度[9]。
4NH3+4NO+O2 → 4N2+6H2O (3)
8NH3+6NO2 → 7N2+12H2O (4)
SNCR反应温度区间为850℃~1100℃，锅炉负荷达到95%时，炉膛温度可以达到900℃左右，因此在炉前、炉两侧共设置10把喷枪，主要喷射区域为炉膛，保证SNCR反应；经改造后，炉后旗式受热面温度范围为733℃~814℃，此处烟气流速为5m/s左右，烟气流速相对较低，且温度场满足尿素热解温度，保证脱硝催化器的正常工作。
炉膛间距2.3m，喷枪喷射距离最大不超过2.3m；在此位置的10把喷枪的喷嘴采用110度实心扇形喷嘴。炉后旗式受热面布置的4把喷枪，选择30度实心锥喷嘴，此处喷射距离向上直管段约6m，减少尿素溶液对水冷壁的腐蚀。喷枪结构如图3所示。
图3 喷枪结构图
3 结论
一次网供水温度、尿素溶液浓度、喷枪流量及喷枪气压（雾化效果）、烟气混合程度均可影响脱硝效果，在保证NOx浓度达标排放的前提下，应注意以下几点：
（1）随着一次网供水温度的升高，应相应地提高尿素溶液浓度，一次网供水温度不超过92℃时，尿素溶液浓度可为7.6%~10%之间；当一次网供水温度高于95℃时，尿素溶液浓度需同步提高至14%。
（2）在一定条件下，NOx排放浓度与尿素溶液浓度呈现负相关关系。当NOx排放浓度出现最低值时（40mg/m3），增加尿素溶液浓度毫无意义。
（3）初寒期时，可调整炉后喷枪流量、压力至40L/h、0.25MPa，炉前为50L/h、0.25MPa，保证NOx稳定、达标排放；严寒期时，可调整炉后喷枪流量、压力至60L/h、0.3MPa，炉两侧、炉前流量、压力为25L/h、0.25MPa，或减少炉前喷枪数量，使单台锅炉尿素平均流量为410L/h，但该方法会对炉后水冷壁管造成影响。
（4）喷枪型号与尿素喷射区域温度场决定烟气混合程度的好坏。炉后旗式受热面温度范围为733℃~814℃，喷嘴型号为30度实心锥喷嘴，可有效降低NOx排放浓度。
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