燃煤锅炉SNCR脱硝工艺关键技术

北极星环保网讯:对选择性非催化还原(SNCR)脱硝工艺的设计流程和设计关键点进行了论述分析.结果表明:SNCR脱硝反应的温度窗口并非一个固定的温度范围,其随还原剂种类、烟气成份、还原剂浓度及雾化特性的不同而改变;喷枪的分区和布置是SNCR系统工艺设计的核心,准确的喷枪分区和布置能够在锅炉不同负荷时自动调节喷枪参数,达到最优脱硝效果;建议设置还原剂高流量循环模块和除盐水箱,以稳定进入计量模块的还原剂流量和稀释水压力.该结论可为SNCR脱硝技术的工程应用提供技术支持.

关键词：SNCR;烟气脱硝;燃煤锅炉;工程设计;温度窗口;喷枪布置;还原剂稀释;尿素制备

随着环保标准的不断提高,电站锅炉面临的环保压力越来越大:火电机组NOx排放限值从GB13223—2003[1]中的450mg/m3(标准状态,6%O2,下同)降至GB13223—2011[2]中的100mg/m3,2014年发布的《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014—2020年)》[3]要求东部地区11省、中部地区8省的新建机组NOx排放达到超低排放标准(50mg/m3),并鼓励西部地区新建机组接近或达到该标准.

目前,适用于燃煤电站锅炉成熟的NOx控制技术主要有低氮燃烧技术(LNB)[4-5]、选择性非催化原(SNCR)脱硝技术[6-8]、选择性催化还原(SCR)脱硝技术[9-11]等.

这些技术可单独使用,也可组合使用.为了达到GB13223—2011中NOx排放限值100mg/m3的要求,大部分电站锅炉都进行了脱硝改造.其中,大部分锅炉的改造技术路线为LNB+SCR方案,也有部分锅炉采用了LNB+SNCR+SCR方案.采用LNB可降低燃烧过程中生成的NOx:褐煤/烟煤锅炉炉膛出口NOx质量浓度降至250~400mg/m3[12-13],贫煤锅炉炉膛出口NOx质量浓度降至450~600mg/m3[14],无烟煤锅炉炉膛出口NOx质量浓度降至800mg/m3以下[15-16].

采用SNCR技术,可使煤粉锅炉NOx排放质量浓度降低30%~50%,循环流化床锅炉NOx排放质量浓度降低60%~75%.SCR技术可使NOx排放质量浓度降低90%,但不建议单SCR系统脱硝效率高于90%.

在上述3种NOx排放控制技术中,SNCR技术对锅炉的改动最小,其项目初投资较低,在电站锅炉脱硝改造中有一定范围的应用.对于燃用无烟煤的锅炉,由于LNB改造只能将NOx排放质量浓度控制在800mg/m3以下,单独使用SCR技术也很难将NOx质量浓度降至50mg/m3,因此需要增加SNCR脱硝装置,使用LNB+SNCR+SCR方案可将NOx质量浓度降至50mg/m3以下.

随着火电机组NOx排放标准的进一步提高,SNCR技术将得到更广泛的应用.但是,目前国内的SNCR市场较为混乱,在具体实施过程中存在较多的问题.为此,本文从SNCR脱硝原理出发,对SNCR脱硝工艺设计流程及系统设计关键技术进行了论述,以期为SNCR脱硝技术的应用提供技术支持.

1SNCR脱硝原理

SNCR脱硝技术是利用机械式喷枪将氨基还原剂(如氨水、尿素、异氰酸等)溶液雾化成液滴喷入炉膛合理的区域.氨基还原剂蒸发或热解生成气态NH3,在一定的温度区域和无催化剂的条件下,NH3与NOx发生化学反应,将NOx还原成N2与H2O.

SNCR脱硝反应路径如图1所示.由图1可以看出,与NO反应的主要基元物质为NH2和NCO,而NH2和NCO的产生均需要OH.OH浓度对SNCR脱硝反应至关重要,在氨选择性还原NO反应的“温度窗口”内,仅在一定的温度区间且OH活性根的浓度比较适宜时,脱硝反应才能有效进行.另外,OH活性根的产生必须有O2存在.

图1SNCR脱硝反应路径

SNCR反应的温度窗口不固定,其随还原剂种类和烟气中CO的含量变化而变化.一般以尿素作为还原剂时,SNCR反应温度窗口为900~1150℃;以氨水作为还原剂时,温度窗口为870~1100℃.此温度窗口只能作为SNCR设计时的1个参考值,如果烟气中CO含量较多,温度窗口会向低温方向移动,而尿素溶液或氨水稀释的浓度、还原剂雾化的颗粒直径也会对该温度窗口有影响.

2SNCR工艺设计流程

SNCR工艺设计流程为:还原剂选择、评估、流场模拟和优化调整实验.燃煤锅炉SNCR脱硝系统常用的还原剂有氨水和尿素2种.还原剂主要根据当地所处的地理位置以及还原剂的成本、来源、安全性、运输费用等确定.

另外,由于还原剂喷入高温烟气中要经过表面水分蒸发和尿素热解2个步骤后才与NOx发生反应,尿素溶液喷射距离比氨水远,所以建议煤粉锅炉优先选择尿素溶液作为还原剂.

评估时,首先根据NOx排放质量浓度初始值、温度、燃烧条件、炉型、煤种等,预测能否达到NOx排放质量浓度目标值;然后根据核对后的锅炉相关参数,给出喷枪的大致布置位置、数量及SNCR系统的物料消耗等.

流场模拟的主要作用是确定喷枪的布置位置和能够达到的脱硝效率.首先,通过流体动力学模拟来确定关键工艺参数的有效边界条件,以及喷枪喷出还原剂的覆盖面积和反应温度.此时,需要根据实测的温度参数调整计算结果,使模拟结果更接近真实情况.然后,通过化学动力学模拟来确定脱硝效率.此时,应注意烟气中CO对脱硝效率的影响.

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