脱销

关于影响SNCR系统脱销效果的因素分析

作者：赵海军

来源：《科技创新导报》2011年第28期

赵海军

(神华国华国际电力股份有限公司北京热电分公司北京100025)

摘要:神华国华北京热电分公司自2007年7月中旬完成三、四号炉SNCR改造后,至今已累

计投运近一年的时间,运行中发现温度、氨氮摩尔比、反应剂与烟气的混合程度、NOx浓度水平

等因素对脱销的效率和锅炉的安全运行起到了重要的影响。本文将重点阐述对锅炉的安全及脱

销效果的影响。

关键词:温度氨氮摩尔比混合程度NOx浓度

中图分类号:X51文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)10(a)-0097-02

1设备简介

神华国华北京热电分公司锅炉设备均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、四角切园燃烧方式、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。每台锅均布置了由我国自主开发设计的SNCR尿素溶液喷射装置。由

低到高分四层布置在标高为23．5m、26m、28．5m和32m处。下边三层分边别在前墙、左墙和

右墙等距离布置12支汽液混合喷枪,第四层前墙布置五支左右墙各布置一支喷枪。

2SNCR的脱销原理[1]

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、尿素稀溶液喷入炉膛温度为850-1100℃的区域,该还原剂迅速热分解成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℃这一狭窄的温度范围内,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:

1)氨为还原剂:

NH3+NOx→N2+H2O

2)尿素为还原剂:

CO(NH2)2→2NH2+CO

NH2+NOx→N2+H2O

CO+NOx→N2+CO2

3)当温度过高时,超过反应温度窗口时,氨就会被氧化成NOx:

NH3+O2→NOx+H20

3影响SNCR工艺效率的因素

3.1温度范围

NOx的还原反应发生在一特定的温度范围内(最佳的反应温度850℃-1100℃)。随着温度的

升高脱销效果逐渐下降,当温度升至1200℃时候几乎没有脱除NOX的效果[2]。在1200℃以上的

时候将发生如下的反应NH3+O2→NOx+H20。同时随着温度的升高还会生成快速的NOx。因此温度

的影响对脱销率起着主导作用。

我厂锅炉喷枪三层的投入相对温度区域偏低(我们习惯于只投第三层喷枪),在410t/h左右

的负荷相对合适。所以在较低的负荷下,仅投入三层,对温度窗口来讲不合适。以上是考虑炉膛

温度是均匀的,但是实际情况是炉膛断面温度分布很不均匀,炉膛左右侧烟温一般有较大的差距。

因此对于动态的锅炉温度,这种曲线只能提供一定的参考。我们的喷枪布置的温度区域以这个曲

线为基础。事实上由于温度的波动,脱销效率也经常会发生相应的波动。脱销效率也会有近10%

左右的变化,这个和温度的变化有着密切的联系。

3.2合适的温度范围内介质反应的时间

反应时间:指反应物在反应器内停留的总时间;在此时间内,NH3、尿素等还原剂与烟气的混

合、水的蒸发、还原剂的分解和NOx的还原等步骤必须完成;停留时间的长短取决于锅炉的烟气

流通截面尺寸和烟气流速;烟气在有效反应区域内,停留时间一般为0.001～1．0s。根据相关试

验:停留时间是保证反应充分进行的非常必要的条件。烟气的流速决定反应停留时间,过高的烟

气流速会降低脱销效率,过低的烟气流速虽然有利于脱销反应,但是在锅炉尾部,烟道容易产生积

灰等不利影响。所以选择合理的烟气流速和反应时间是非常必要的。试验研究表明,停留时间应

该保证在0．7s～1．0s左右[3]。我们炉膛烟气平均流速基本在1.1m/s之内,即在1s之内,气

流上升最大高度在1m左右,在炉膛标高26m以上的部位,1m的高度差炉膛垂直温度差在50℃以

内,在不考虑炉膛左右的温度偏差,在垂直方向上,目前的布置基本满足这样的需要。

3.3反应剂和烟气混合的程度

要得到良好的还原反应,还原剂必须与烟气混合均匀;混合程度取决于反应剂的喷射装置特

性及锅炉负荷的关系。我厂的尿素溶液全部由炉膛断面布置的小喷枪进行喷射。在布置之初,由

于对喷枪的认识不足,曾经因为雾化不佳导致了锅炉水冷壁的腐蚀泄漏。危及了锅炉的安全运行。

下图是在冷态两种不同雾化形式的喷枪的照片对比,从中可以很明显的看出,图1喷枪的雾化状

况较差,从宏观上观察有明显的水滴,没有形成很好的雾状。与B图喷枪相比,喷射溶剂的覆盖面

明显要小。

投运初期,溶剂喷射范围覆盖较窄,未与烟气充分混合,溶剂颗粒度较大,出现了较大的逃逸

氨。这都是因为反应溶剂与烟气混合不均匀所造成的。

基于出现的问题,我们对喷枪的形式进行了改进,由混合器前置的内混式喷枪改为了混合器

后置的外混式喷枪。改进后,所有布置的喷枪雾化状态在冷态情况下达到了图2演示的效果。溶

剂喷射的均匀性大幅提升,尿素溶液与烟气的混合得到了很大的提高。

3.4NH3/NOx摩尔比(化学当量比)

随着NH3/NOx摩尔比的增加,NO的还原率不断增加。在最佳的还原温度900度时

候,NH3/NOx摩尔比为2.0时候还原率可达到47%;摩尔比为3.0的时候还原率可以达到70%,但

是再继续增大摩尔比还原效果不明显。由于烟气中反应物质浓度降低,反应速度变慢。在初始烟

气中NOX浓度低的情况下,增加摩尔比效果比较微弱。NH3/NOx摩尔比在0.5～3之间变化,有明

显的效果[3]。在我们锅炉的运行中,尽量选择较小的摩尔比,因为过量的尿素溶液喷入炉膛将会

产生较大的氨逃逸,残余的尿素溶液在炉膛中或者烟道中也会形成积灰腐蚀。在SNCR的喷氨区,

烟气中的NOx分布的均匀性很差,而且没有使烟气中的NOx分布变得均匀的混合手段,因此要获

得接近最佳氨氮摩尔比几乎是不可能的。NOx测量的环境以及NOx测量仪的成本,动态准确获得

NOx的分布数据比获得烟气温度数据的困难大得多。从我们均匀喷射尿素溶液所反应出来的NOx

分布情况可以看出NH3/NOx摩尔比在不同区域内存在较大的差异。

虽然炉膛内尿素喷入量以近似等量,相对均匀的方式被送进炉膛,但是NOx的分布出现了较

大的差异,NH3的逃逸更是出现了明显的不均匀性。炉膛左侧可能由于有较多的NH3与NOx发生

反应,NH3的逃逸量要明显小于右侧。但是从右侧NOx的分布来看,NH3与NOx的浓度存在不匹配

性,在大浓度的逃逸氨生成的情况下,NOx浓度并未呈现很理想的降低状态。因此从这也可以看

出炉膛右侧的NH3/NOx摩尔比远远偏离0.5～3这一范围。

3.5控制Nox的浓度水平

NOx浓度水平至关重要,由于NOx的分布是不均匀的,因此为了确保NH3/NOx摩尔比的最佳

状态,要掌握NOx的浓度水平。假设烟气温度和NOx测量技术的发展以及成本的降低,使准确、

及时、可靠、动态测量成为可能。然后按照烟气流动方向和烟道截面方向的布置足够多的喷氨

区域,按照测量的数据对喷氨量进行精确调控。如果在运行中逐步摸索一些大的较为粗略的规律。

例如通过变化起磨的方式控制NOX的生成量,调整稀释水的流量和尿素溶液的流量来控制NOx总

的浓度水平。通过这些间接调控方法反映NOx浓度的变化情况。

3.6气氛(氧量、一氧化碳浓度)的影响

主要和燃烧有着很大的关系,一些文献中普遍认为氧量过高、是超细煤粉颗粒、氨水、尿素

等还原反应的不利因素。因为过高的氧量使炉膛形成氧化性气氛,不利于还原反应的发生,在较

高的氧浓度情况下,氧气和氨首先发生反应。氧气在数量级上远大于NOx,所以还原中微量的氧

气已经能够满足反应的要求。相反一氧化碳浓度的适当提高有利于NOx的还原。因此,我厂推行

低氧燃烧,炕膛出口烟气中的氧量规定控制在2.7%～3.3%的范围内。

3.7氨剂类型和状态

氨剂类型主要是尿素和液氨两种状态。喷射尿素比氨水要安全。尿素有利于储藏,泄露的可

能性比较小,但是在进行喷射的时候均匀性很难控制。从我厂近一年来的运行发现,这种溶液的

雾化喷射对炉膛内飞灰的凝聚起到了促进作用,增加了冷灰斗的下灰量。在溶液喷射的过程中,

溶液中的水分瞬间与炉膛内燃烧生成的二氧化硫和氧化钙等物质结合,促进了硫酸钙等物质的生

成。并且部分尿素由于未及时分解,包裹在灰中,下落到冷灰斗内。由于我们的灰斗密封是水封

形式,带有尿素的渣落近水槽后溶液呈碱性,二水硫酸钙等物质饱和析出,形成结晶体,阻碍了大

渣的下落,容易形成会斗下灰不畅,灰斗堵灰。

4结语

通过对以上影响因素的分析,在现有的条件下要减小这些因素的影响,需要适时调整喷枪的

流量,优化运行方式,例如在锅炉低负荷的情况下,喷入尿素溶液的总量要相对降低但是浓度应该

相应的提高,即降低稀释水的使用比例。在温度区域偏低的情况下,降低稀释水的比例可以降低

溶液蒸发吸热的时间,在烟气流速较低的情况下,减少溶液与飞灰的接触几率,提高分解速度。相

反,在锅炉负荷较高的情况下,在提高尿素溶液总量的同时也要增大稀释水的使用比例,这样能够

增大其与烟气的混合程度的同时延缓溶液蒸发的时间,在一定程度上向最佳的反应温度内贴近。

通过近半年的调整,目前尿素溶液的使用效率已经得到了较大的提升,在NOx排放浓度不变的情

况下,尿素的投入量同比降低了20%以上。Nox的排放浓度由350mg/Nm3降低到200mg/Nm3,并且

能稳定维持在这样的排放浓度。由此也充分说明,在现有的条件下,通过精细的运行调整,可以在

一定程度上缓解以上不可控因素对脱销效果的影响。

参考文献

[1]孙克勤,钟秦编著.火电厂烟气脱销技术及工程应用.化学工业出版社.

[2]王钟,王颖.火电厂烟气脱销技术探讨.东北电力设计院.

[3]高亮,王智化,凌忠钱,周樟华,李国能.炉内高温喷射尿素溶液脱销机理及影响因素.浙

江大学热能工程研究所.