CFB锅炉SNCR脱硝技术常见问题及对策
摘 要：为降低火电燃煤机组烟气NOx排放，介绍了循环流化床(Circulating Fluidized bed，简称CFB)锅炉选择性非催化还原法(Selective Non-Catalytic Reduction，简称SNCR)脱硝系统原理和方法，对该技术在CFB锅炉应用中存在的问题进行归纳，为该技术的推广应用提供支持。以国产330 MW CFB锅炉的SNCR脱硝法为例，分析了该脱硝法的工艺特点，对工程应用中出现的脱硝效率偏低、氨水耗量大、氨逃逸浓度高等问题进行分析，提出改变喷枪布置位置、锅炉低氮燃烧优化、喷枪雾化效果优化等对策。工程应用表明，CFB锅炉SNCR脱硝技术成熟，脱硝效率完全满足环保要求。
关键词：煤炭燃烧；CFB锅炉；SNCR脱硝；低氮燃烧
0 引 言
我国是世界上主要的煤炭生产和消费国，NOx是煤炭燃烧产生的主要大气污染物之一，NOx 对人体、动植物有损害作用，是形成酸雨、酸雾的主要原因之一，与碳氢化合物形成光化学烟雾；同时亦参与臭氧层的破坏。据国家统计局数据，2013年全国NOx排放总量已经达到2227万t，火电厂锅炉在燃烧过程中产生的NOx占大气中总排放量的35%～40%。可见火电燃煤产生的NOx对大气污染严重[1]。为应对环境问题，2011年9月中旬我国发布了新的《火电厂大气污染物排放标准》，严格控制火电厂燃煤污染物排放，其中在役CFB机组NOx排放低于200 mg/m3(6%O2)，新建CFB机组执行100 mg/m3(6%O2)的标准[2]。目前，对火电燃煤机组烟气NOx排放控制技术主要有选择性催化还原法(SCR法)、选择性非催化还原法(SNCR法)和SCR+SNCR联合脱硝法。本文主要介绍SNCR法。SNCR脱硝法是一种不使用催化剂，在850～1150 ℃烟气中直接还原NO的工艺。SNCR法中将还原剂如氨气、氨水、尿素稀溶液等喷入炉膛温度为850～1150 ℃的区域，还原剂迅速热分解出NH3并与烟气中的NOx反应生成 N2和H2O。在无催化剂作用下，氨或尿素等氨基还原剂可选择性地还原烟气中NO。该方法是以炉膛或尾部烟道为反应器，应用于CFB锅炉时通常以分离器入口水平烟道为反应器，并对反应条件有较高的要求[3-5]。
由于SNCR脱硝技术具有投资少、改造工程量小、运行维护成本低、容易联合其他脱硝技术同时使用等特点，因而在火电厂脱硝改造中得到了一定程度的应用。SNCR脱硝技术应用于煤粉炉时，受炉膛尺寸、反应温度条件、停留时间等因素影响，还原剂利用率低，SNCR的脱硝效率一般低于40%[6-7]。但是当SNCR脱硝技术应用于CFB锅炉时，由于该锅炉独特的燃烧方式和低NOx燃烧特性，可取得令人满意的效果，满足环保要求。实际工程应用也表明，当SNCR脱硝技术应用于CFB锅炉时，其脱硝效率可达到75%以上[8-10]。笔者以国内某330 MW CFB锅炉SNCR实际应用工程为例，针对该系统常见的问题进行分析并提出解决方案。
1 某330 MW CFB锅炉脱硝系统介绍
国内某工程330MW CFB锅炉SNCR脱硝系统还原剂采用20%浓度氨水，该锅炉基本特点和脱硝系统特点简述如下。
1)锅炉特点及脱硝喷枪安装位置
该锅炉系国内首台具有完全自主知识产权的330 MW级CFB锅炉，锅炉为“H”型结构，4个分离器布置于锅炉两侧，每个分离器带一个外置床；单汽包、自然循环，露天布置。锅炉设计燃用当地贫煤，低位发热量14.95 MJ/kg,该锅炉于2014年安装了SNCR脱硝系统，脱硝系统喷枪布置于4个分离器入口水平烟道的位置，每个分离器布置6支喷枪，共计24支喷枪，锅炉总图及脱硝系统喷枪安装位置如图1所示。
图1 330 MW CFB锅炉结构及脱硝喷枪布置
Fig.1 The structure of the 330 MW CFB boiler and denitration spray gun
2)330 MW CFB锅炉SNCR脱硝系统流程
该脱硝系统主要设计参数为：锅炉原始NOx排放浓度以250 mg/m3计算，氨氮比(NSR)按照1.5设计，还原剂耗量(20%浓度氨水耗量)设计值为900 kg/h，设计脱硝效率70%，脱硝反应区温度850～950 ℃。
脱硝系统工艺流程如图2所示，脱硝系统主要由卸车系统、氨水储存供应系统、稀释混合计量系统及喷氨系统4个部分组成。还原剂从厂外采购进场，然后通过卸氨泵卸载进入氨水储存罐，由输送泵泵出，与稀释水泵送出的除盐水在线混合稀释并计量后，通过管道输送至炉前，通过喷氨系统喷入分离器入口烟道烟气中进行脱硝还原反应(喷枪设置雾化风和冷却风)。
图2 脱硝系统工艺流程
Fig.2 The process of denitration system
2 SNCR脱硝系统存在问题及对策分析
系统试运行主要试验数据对比见表1。
2.1 氨水耗量偏大的问题
1)脱硝系统投运初期，在高负荷时发现氨水消耗量偏大。经测试发现，锅炉原始NOx排放随燃烧工况波动较大(主要是氧量)，高出原设计值约50 mg/m3，最高时达到350 mg/m3。控制同样的排放指标，需要消耗更多的氨水。
基于此，对CFB锅炉进行了燃烧优化调整，在保证锅炉正常运行前提下，对锅炉运行氧量、一二次风配比、上下二次风分配进行了调整，保证了CFB锅炉炉膛密相区的还原性气氛，使得氮与氧反应生成燃料型NOx的量得到有效控制，从而在源头降低了锅炉NOx排放值。锅炉运行氧量与脱硝效率的关系(250 MW负荷，其他条件相同)如图3所示，在250 MW负荷时，保持脱硝系统运行条件相同，锅炉燃烧侧改变氧量运行；随着运行氧量的降低，NOx排放值逐渐降低，脱硝效率逐渐升高。
表1 SNCR脱硝系统优化前后试验数据对比
Table 1 Comparison of experimental data in the optimization of SNCR denitrification system
注：还原剂指20%浓度氨水；稀释后氨水浓度即入炉氨水浓度。
图3 锅炉运行氧量与脱硝效率的关系
Fig.3 Relationship between oxygen and denitration operation efficiency of boiler
2)脱硝系统设计稀释后入炉氨水浓度约5%，实际运行发现锅炉负荷大于250 MW时该浓度基本合适；但是当负荷降低至250 MW以内时，如果仍然按照稀释至5%浓度控制，还原剂消耗量并未有明显降低。相反大幅降低氨水量，则NOx指标失控。
经过调试对比发现，只降低氨水量不提高稀释水量，造成总的入炉氨水溶液量降低。这不利于氨水溶液在烟道内扩散，还原剂与烟气混合均匀性变差，影响脱硝效果；而在总的氨水溶液量有保证前提下，适当降低氨水耗量，提高稀释水比例(稀释后浓度控制在3%)，脱硝效果满意，同时也降低了20%浓度氨水耗量[11] 。氨水浓度与脱硝效率的关系(200 MW)如图4所示，在200 MW左右低负荷时，入炉氨水浓度控制在3%左右更有利于提高脱硝效率(见表1，典型工况B1与F1的数据对比)。
2.2 脱硝效率偏低的问题
系统投运初期，发现脱硝效率偏低，系统效率在40%～50%，达不到设计值70%的要求；同时远低于同类工程的脱硝效率，在低负荷时情况尤为突出。
经过现场研究发现，主要是喷枪布置位置存在问题(同时也有喷枪雾化效果差、燃烧侧运行参数不合理等因素)。原喷枪位置布置时考虑水平烟道较长且存在积灰情况，喷枪在水平烟道两侧布置，且位置较高，呈对冲状。喷枪布置位置优化示意如图5所示。
图4 氨水浓度与脱硝效率的关系
Fig.4 The relationship between ammonia concentration and denitrification efficiency
图5 喷枪布置位置优化示意
Fig.5 Position optimization of spray gun
经过优化布置，采用同截面错列对冲布置，并在水平烟道的顶部布置一只喷枪，达到烟道截面还原剂的全覆盖，从而保证喷入烟道还原剂和烟气的充分均匀混合。采用该布置方法后，脱硝效率明显提高，达到70%以上，同时节约了还原剂耗量，具体对比数据见表1(典型工况B5与F5的对比)。
2.3 氨逃逸偏高问题
SNCR脱硝过程若还原剂不能充分利用，会造成氨逃逸。NH3是高挥发性和有毒物质，氨的逃逸会造成新的环境污染，国家环保相关法规和技术规范(HJ 563—2010，GB 14554—1993)要求逃逸氨浓度小于8 mg/m3[12-13]。同时，氨逃逸后容易和烟气中SO3结合形成硫酸氢氨或硫酸氨，黏附在灰尘中，附着在烟道尾部的空预器上，造成空预器堵塞甚至腐蚀。所以，SNCR脱硝系统氨逃逸值愈低愈好。试运中发现氨逃逸量不稳定，在4～10 mg/m3波动，甚至存在超标现象，同时伴有脱硝效率偏低、氨水消耗量大的问题。
1)喷枪雾化空气压力偏低，原喷枪设计雾化空气压力0.45 MPa，实际检查发现系统压力最低时仅0.25 MPa，是由于雾化空气管道入口滤网堵塞所致。雾化空气压力低、流量小导致喷枪雾化效果差，还原剂不能与烟气充分混合，一部分还原剂随烟气直接排放，进而导致脱硝效率低、氨水耗量大、氨逃逸量增加。
2)喷枪枪头堵塞，系统运行中对流量显示偏低的部分喷枪进行了检查。发现喷枪脏污堵塞现象，造成喷枪雾化效果差，并影响脱硝效果。经现场查看分析，是由于系统管道残留物和氨水携带的杂质造成，后期加强系统管道排污、氨水品质控制，并定期检查喷枪雾化效果(每周一次)，问题得到解决。
通过采取以上措施，系统脱硝效率明显提高，氨逃逸量显著降低并保持稳定(见表1工况F1～F6，NH3逃逸值可以控制在3 mg/m3以内)。
3 结 语
本工程应用实例表明，CFB锅炉SNCR脱硝系统的设计及运行中，喷枪布置位置选择、氨水稀释浓度控制、喷枪雾化效果都是重要因素，应重点考虑。同时，CFB锅炉本身具有低氮燃烧的特性，可以在锅炉燃烧过程中进行优化，从源头控制NOx的生成量，从而节约脱硝成本。CFB锅炉作为资源综合利用电站的首选，是煤粉炉发电机组的有效补充，控制 NOx的排放仍是今后一项重要而紧迫的任务。随着国家环保标准的日益严格，SNCR脱硝技术将会在CFB脱硝领域朝着超净排放方向进一步发展。
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Common problems and countermeasures of CFB boiler SNCR denitrification technology
Abstract:In order to reduce NOx emission of coal-fired power plant,the principle of SNCR was introduced.The common problems of the technology in CFB boiler were summarizedb.Taking a homegrown 330 MW CFB boiler SNCR denitration method as research object,the characteristics of denitration process were analyzed.The denitration efficiency was low,the ammonia consumption and escaping ammonia were large.The problems were resolved by changing spray gun position,optimizing low nitrogen combustion and pulverization.
Key words:coal combustion;CFB boiler;SNCR denitration;low nitrogen combustion
中图分类号：X773
文献标志码：A
文章编号：1006-6772(2016)01-0086-04
收稿日期：2015-08-28；责任编辑孙淑君
DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.2016.01.017
引用格式：赵鹏勃，孙 涛，高洪培,等.CFB锅炉SNCR脱硝技术常见问题及对策[J].洁净煤技术，2016，22(1)：86-89,104.
ZHAO Pengbo，SUN Tao，GAO Hongpei,et al.Common problems and countermeasures of CFB boiler SNCR denitrification technology[J].Clean Coal Technology，2016，22(1)：86-89,104.
