燃煤锅炉 SNCR 脱硝技术应用研究.pdf

第 26 卷第 1 期 电 站 系 统 工 程 Vol.26 No.1 2010 年 1 月 Power System Engineering 18 文章编号1005-006X201001-0018-03 燃煤锅炉 SNCR 脱硝技术应用研究 神华国华国际电力股份有限公司北京热电分公司 周国民 唐建成 胡振广 赵海军 龚家猷 摘 要选择性非催化还原（SNCR）脱硝系统简单，操作方便，是一种经济实用的 NOx脱除方法。某电厂自 2007 年在 4 台 410t/h 燃煤锅炉上陆续加装了 SNCR 脱硝系统。介绍了 SNCR 烟气脱硝技术的脱硝原理和基本系统构成、应用效果，以及 SNCR 烟气脱硝技 术在实际运行中出现的问题和改进措施。性能测试表明，投入 SNCR 系统后，在氨逃逸量不大于 10 ppm 时，脱硝效率大于 35。 关键词选择性非催化还原（SNCR） ；锅炉脱硝；烟气；尿素；腐蚀；泄漏 中图分类号X701.7 文献标识码B Application Research of SNCR Technology in the Pulverized-coal fired Boiler ZHOU Guo-min, TANG Jian-cheng, HU Zhen-guang, et al. Abstract Selective Non-catalytic Reduction SNCR is a simple, economically practical system for denitrogenation of power boilers. SNCR denitration technique has been applied to the transation of four 410t/h pulverized-coal fired boilers in CSEC Guohua International Power Company Limited Beijing Cogeneration Branch. The system structure of SNCR flue gas denitrification technology in the project is introduced，and some issues that should be considered in the application and operation of SNCR flue gas denitrification technology are proposed. Perance test show that after using SNCR denitration system, the denitration rate is greater than 35, the escape quantity of ammonia not greater than 10 ppm. Key words SNCR; denitration of boiler; flue gas; urea; corrosion; leak 1 设备简介 某电厂锅炉为哈尔滨锅炉厂生产的 HG-410/9.8-YM15 型锅炉。该炉为单汽包、自然循环高压锅炉、四角切圆燃烧 方式、固态排渣、平衡通风、单炉膛露天Π型布置、热风送 粉燃煤锅炉。每炉配两台单进单出钢球磨煤机，燃用神华准 格尔混煤，混合比例为神华煤 70，准格尔煤 30。该厂锅 炉 2007 年陆续加装了选择性非催化还原脱硝系统 （SNCR） 。 SNCR 系统主要包括尿素溶液配制、在线稀释和喷射三部 分。尿素溶液配制系统实现尿素储存、溶液配制和溶液储存 的功能，然后由在线稀释系统根据锅炉运行情况、NOx排放 浓度情况、氨逃逸情况在线稀释成所需的浓度，送入喷射系 统。喷射系统实现各喷射层的尿素溶液分配、雾化喷射和计 量。在炉膛燃烧区域上部和炉膛出口 1000～1150 ℃烟气温 度区域，分 4 层布置了 49 支墙式尿素溶液喷射器。其中， 前墙和侧墙喷射器分别布置在 32 m、28.5 m、26 m、23.5 m 标高处， 后墙喷射器布置在 27.95 m， 26 m 和 23.5 m 标高处。 下边三层布置相同，每层布置 14 支，前后墙布置各 2 支、 左墙和右墙各布置 5 支，第四层前墙布置 5 支，左右墙各布 置 1 支喷枪。锅炉高负荷运行时，投运上部喷射器；低负荷 运行时，投运下部喷射器。在 SNCR 系统投运时，一般投运 一层或两层喷射器即可， 其余停运喷射器由控制系统控制退 出炉膛以避免受热损坏。 锅炉 SNCR 喷枪位置与燃烧器的示 意图如图 1 所示。 尿素溶液喷射器为双流体雾化墙式喷嘴， 采用蒸汽雾化 收稿日期2009-09-17 周国民1976-，男，硕士，工程师。北京，100025 低浓度尿素溶液，尿素溶液压力约 0.3～0.6 MPa，雾化蒸汽 压力约 0.3～0.7 MPa。 所有的墙式喷射器配有推进与缩回机 构，每层喷射器可单独控制。每层喷射器母管均配有一个供 液压力监测表和溶液流量计量表。 图 1 锅炉 SNCR 喷枪位置与燃烧器示意图 2 SNCR 脱硝机理 选择性非催化还原技术（SNCR）是一种不用催化剂， 在 850～1100 ℃范围内，在烟气中直接还原 NOx的工艺。 SNCR 技术是把还原剂如氨气、尿素稀溶液等喷入炉膛温度 为 850～1100 ℃的区域，该还原剂迅速热分解出 NH3并与 烟气中的 NOx进行反应生成 N2和 H2O。该方法以炉膛为反 应器，可通过对锅炉进行改造实现。在炉膛 850～1100 ℃ 的温度范围内，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的 NOx，基本上不与烟气中的 O2反 应，主要反应为 第 1 期 周国民等燃煤锅炉 SNCR 脱硝技术应用研究 19 1 氨为还原剂 NH3NOx→N2H2 O 2 尿素为还原剂 CONH22→2NH2CO NH2NOx→N2H2O ONOx→N2CO2 3 当温度过高时， 超过反应温度窗口时， 氨就会被氧 化成 NOx NH3O2→NOxH2O。 3 SNCR 热态试验情况 2007 年 7 月中旬锅炉 SNCR 改造后，进行了调试试验 和性能考核试验。 在锅炉 4 个负荷点与不同磨煤机投运方式 下，共进行了 10 组试验。在每组试验中首先退出 SNCR 装置，调整锅炉的燃烧运行方式，当锅炉运行稳定时测试锅 炉效率与 NOx排放浓度。然后在不改变锅炉运行方式的条 件下， 投运 SNCR 并调整尿素溶液喷射量， 当系统运行稳定 时测试锅炉效率、NOx排放浓度及氨逃逸浓度。据此，获得 每组工况下的燃烧器与 SNCR 装置性能。 性能考核试验工况 安排见表 1。 表1 试验工况 试验 编号 锅炉蒸 发量 /th-1 投运磨 煤机 SNCR 状态 尿素溶液 流量 /m3h-1 尿素溶 液浓度 / 稀释水 流量 /m3h-1 喷射器 投运层 T-01 OFF T-02 410 B ON 0.19 34 2.203 T-03 OFF T-04 410 A ON 0.20 34 2.133 T-05 OFF T-06 410 AB ON 0.29 29 1.883 T-07 OFF T-08 410 无 ON 0.12 30 1.753 T-09 OFF T-10 450 AB ON 0.40 29 2.933、4 T-11 OFF T-12 280 A ON 0.18 29 1.662 T-13 OFF T-14 450 B ON 0.42 31 2.673、4 T-15 OFF T-16 280 B ON 0.25 28 2.082 T-17 OFF T-18 450 A ON 0.36 31 3.023、4 T-19 OFF T-20 210 A ON 0.14 35 1.391 在静电除尘器入口垂直烟道的水平截面上， 采用等截面 网格法（44）布置烟气取样点。采用 NGA2000 型烟气分 析仪测量 NO 与 O2含量。根据各取样点的 NO 与 O2浓度， 将 NO 修正到 6氧量下，获得各取样点的 NOx浓度分布及 整个截面上的平均浓度。 在低温省煤器中段前后侧的竖井烟道截面上布置4个烟 气取样点， 每个试验工况， 在前侧竖井烟道布置两个取样点， 在后侧竖井烟道布置两个取样点。参照美国EPA-CTM-027 标准，采用图2所示的烟气取样系统。根据所采集的干烟气 流量、烟气氧浓度及样品中的氨浓度，可计算出干烟气6 氧量下的气态氨浓度。 图 2 烟气中的 NH3取样系统示意图 SNCR装置退出时， 锅炉效率约91.71～92.78。 SNCR 系统投运时，尿素溶液升温吸热导致锅炉效率降低，实际的 锅炉效率约91.16～91.82。SNCR投停、各负荷点、磨煤 机投运方式与锅炉效率的关系见图3、图4、图5所示。 90.5 91.0 91.5 92.0 92.5 93.0 A磨B磨AB磨无磨 锅炉410t/h蒸发量下的磨组合 锅炉效率 SNCR－OFF SNCR－ON 图 3 SNCR 投停、410 t/h 负荷时磨煤机 投运方式与锅炉效率的关系 90.5 91.0 91.5 92.0 92.5 93.0 A磨B磨AB磨 锅炉450t/h蒸发量下的磨组合 锅炉效率 SNCR-OFF SNCR-ON 图 4 SNCR 投停、450 t/h 负荷时磨煤机 投运方式与锅炉效率的关系 90.5 91.0 91.5 92.0 92.5 93.0 280t/h A磨280t/h B磨210t/h A磨 低负荷时的磨组合 锅炉效率 SNCR-OFF SNCR-ON 图5 SNCR投停、低负荷时磨煤机 投运方式与锅炉效率的关系 通过炉内低NOx燃烧系统，控制NOx排放浓度降低到 247～318 mg/Nm3。在对应工况下，与燃烧器相配合投运 SNCR系统，NOx排放浓度可进一步降低到约161～192 mg/Nm3。SNCR投停、各负荷点、磨煤机投运方式与NOx排 放的关系见图6、图7、图8所示。 在450 t/h与410 t/h蒸发量下，SNCR装置主要投运标高 较高的第三层和第四层尿素溶液喷射器，脱硝效率超过35 时，各工况的氨逃逸平均浓度约为5.5～8.4μL/L（干基、 6O2） ； 在280 t/h与210 t/h蒸发量下， SNCR装置主要投运标 高较低的第一层或第二层尿素溶液喷射器，脱硝效率超过 40时，各工况的氨逃逸平均浓度低于2μL/L（干基、 6O2） 。即，在NOx排放浓度达到200 mg/Nm3时，各工况的 20 电 站 系 统 工 程 2010 年第 26 卷 氨逃逸平均浓度均小于设计保证值10μL/L。 各负荷点SNCR 投运、磨煤机投运方式与氨逃逸浓度的关系见图9所示。尾 部烟道测点氨浓度如表2所示。 150 200 250 300 350 A磨B磨AB磨无磨 锅炉410t/h蒸发量下的磨组合 Nox排放浓度 mg/Nm3 SNCR-OFF SNCR-ON 图 6 SNCR 投停、410 t/h 负荷时磨煤机 投运方式与 NOx排放的关系 150 200 250 300 350 A磨B磨AB磨 锅炉450t/h蒸发量下的磨组合 Nox排放浓度 mg/Nm3 SNCR-OFF SNCR-ON 图 7 SNCR 投停、450 t/h 负荷时磨煤机 投运方式与 NOx排放的关系 150 200 250 300 350 280t/h A磨280t/h B磨210t/h A磨 低负荷时的磨组合 Nox排放浓度 mg/Nm3 SNCR-OFF SNCR-ON 图8 SNCR投停、低负荷时磨煤机 投运方式与NOx排放的关系 20 25 30 35 40 45 50 450-A 450-B 450-AB 410－A 410－B 410-AB 410-NO 280-A 280-B 210-A 不同负荷与磨组合 SNCR装置的脱硝效率 0 2 4 6 8 10 氨逃逸浓度 ppm SNCR效率 NH3逃逸 图9 磨投运方式、各锅炉负荷下投运 SNCR时的脱硝效率与氨逃逸浓度 表 2 氨逃逸浓度测试结果 各取样点烟气中的氨浓度/μLL-1 工况 蒸发量 /th-1 磨组 合 投运 喷射 器层 氨逃逸 平均值 /μLL-1 后墙 后墙 前墙前墙 T-02 410 B 3 6.30 1.2 1.9 10.411.4 T-04 410 A 3 7.10 2.6 3.5 14.87.6 T-06 410 AB 3 7.40 2.1 2.7 14.210.7 T-08 410 NO 3 3.20 1.1 1.7 1.28.8 T-10 450 AB 3、4 8.40 1.5 4.9 21.65.6 T-14 450 B 2 5.50 1.1 1.4 13.75.8 T-18 450 A 3、4 6.70 2.9 7.3 12.34.2 T-12 280 A 2 1.30 1.1 0.9 1.81.4 T-16 280 B 2 1.10 1.1 1.4 1.01.0 T-20 210 A 1 1.50 1.8 1.0 1.41.8 4 问题及处理 4.1 氨分布不均问题 除顶层尿素溶液喷射器在锅炉后墙因空间限制没有安 装外， 其它布置在锅炉前后墙与左右两侧墙的尿素溶液喷射 器均为对称布置，在前后墙每层分别布置两支，在左右侧墙 分别布置 5 支。 每支喷射器均有一个手动的尿素溶液流量控 制阀， 每一层喷射器只有一个可远传控制的尿素溶液流量调 节总阀。 在 SNCR 装置调试阶段， 各支尿素溶液喷射器的流 量阀门开度被设定好，在投运期间不再变动，而只调节各层 的尿素溶液总流量。 这种相对固定的尿素溶液喷射器控制方 式，在遇到实际运行工况与调试工况存在差异时，可能会造 成 SNCR 装置区域内的尿素溶液反应程度不一致， 并导致装 置下游烟气中的氨逃逸浓度分布不均匀。本次试验过程中， 在锅炉低蒸发量（210 t/h 与 280 t/h）下，投运第一层与第二 层喷射器，尿素溶液有较长的蒸发、热解与反应时间，尿素 利用比较充分。在尿素溶液喷射量（SNCR 脱硝效率）较高 的情况下，各取样点的氨逃逸浓度仍低于 1.8μL/L，且比较 均匀。但在锅炉高蒸发量（410 t/h 与 450 t/h）下，因炉膛出 口温度较高，只能投运位置偏高的第三层与第四层喷射器， 缩短了尿素溶液的蒸发、热解与反应时间，致使部分尿素的 反应不够充分。在 SNCR 装置脱硝效率约为 35～40时， 各取样点的氨逃逸浓度不均匀， 后侧竖井烟道内的氨逃逸浓 度约 1.0～3.5μL/L，而前侧竖井烟道内的氨逃逸浓度约 8.0～20.0μL/L。基于测点位置与数量有限，无法判断整个 烟道截面上的氨逃逸浓度分布， 但如果进一步通过增加尿素 溶液的喷射量来提高 SNCR 装置的脱硝效率， 则氨逃逸浓度 将增加且分布可能趋于更加不均匀。 针对氨分布不均的问题， 采取了加装蒸汽扰动装置进行 混合的措施。 在锅炉转向室入口右侧包墙过热器竖向开 5 个 孔，使用蒸汽喷嘴扰动烟气而使氨分布变得均匀，为以后的 SCR 提供较为良好的催化剂入口条件。蒸汽扰动系统如图 10 所示。 集 汽 联 箱 蒸 汽 来 汽 汽 源 吹 灰 器 汽 源 蒸 汽 流 程 示 意 图 10 蒸汽扰动系统示意图 4.2 喷孔水冷壁腐蚀问题 SNCR 系统试运行约 4 个月后，出现 SNCR 喷口附近 水冷壁的腐蚀问题， 引起数次锅炉水冷壁的泄漏， 被迫停炉。 通过观察发现，数次腐蚀泄漏的水冷壁都呈现如下特征金 属表面没有腐蚀产物，而是呈现或大或小的溃疡状态，腐蚀 第 1 期 周国民等燃煤锅炉 SNCR 脱硝技术应用研究 21 管段出现不规则的坑和沟槽； 另外一个显著的特征是腐蚀多 发生在尿素喷枪孔下方的水冷壁弯管位置。 被腐蚀的水冷壁 管位置和外观如图 11 所示。 图 11 尿素喷枪孔下方水冷壁管腐蚀照片 在 SNCR 喷射系统中， 喷枪设计采用的是炉侧高压厂用 蒸汽作为雾化介质，雾化蒸汽压力为 0.6～0.9 MPa，能够满 足雾化压力需要。喷头采用螺纹连接，在试验过程中发现， 喷枪靠近喷头附近有尿素液滴间断滴落。初步分析认为尿 素溶液液滴直接滴落到水冷壁上， 在喷枪下方的锅炉水冷壁 上形成连续液膜，因炉内高温环境，液膜中水分蒸发、溶液 水解加快，尿素溶液液膜浓度升高，尿素分解出的甲铵含量 升高，甲铵溶液具有很强的腐蚀性，不断腐蚀水冷壁管以致 泄漏。 要彻底解决水冷壁的腐蚀问题， 必须解决尿素喷枪的泄 漏问题，为此采取了如下措施 1 改进喷枪结构， 将喷枪混合部分设置在炉外， 优化 喷枪的雾化形式， 克服喷枪漏流的缺陷， 解决喷枪泄漏问题。 2 改变喷枪与水冷壁面的夹角，使喷枪下倾 7，同 时在保证喷枪不被烧损的条件下增加喷枪伸进炉膛的深度。 3 在喷孔下部水冷壁弯管部位加装不锈钢护板， 外部 敷耐火塑料， 防止 SNCR 系统启停时， 喷枪未建立良好的雾 化状态而出现的漏流与水冷壁管直接接触。 4 定期对喷枪进行雾化试验， 发现雾化效果不达标的 喷枪及时进行更换，检查周期为每 15 天检查一次。 通过以上措施的严格执行， 彻底消除了尿素喷枪液滴对 水冷壁腐蚀的问题， 治理后未发生过因腐蚀水冷壁泄漏而停 炉的事故。 5 结 论 1 燃煤锅炉应用 SNCR 脱硝系统后，在氨逃逸量不 大于 10 ppm 时，SNCR 脱硝效率大于 35。 2 锅炉负荷和磨煤机投运方式的良好配合、是保证 SNCR 良好脱硝效果的前提之一。 3 SNCR 系统投运后，烟气中的氨分布不均匀。负荷 较高时尤为明显。如果尾部烟道加装 SCR 脱硝系统，需要 采取烟气均匀化措施，保证催化剂入口氨的均匀性。 4 尿素溶液具有较强的腐蚀性， 为防止喷枪漏液对水 冷壁管的腐蚀，运行中应采取必要的措施，杜绝尿素喷枪漏 液情况的发生。 □ 编辑闻 彰 （上接第 14 页）料燃烧性能的影响因素不同，在掺混比例 较小时，主要是降低燃料的活化能，在掺混比例较大时，主 要是增大反应的频率因子。 □ 参 考 文 献 [1] L Robinson, H Junker, Larry L, et al. 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