華玉龍，袁瑞龍，戚圣琦，陳遐齡

（中國聯(lián)合工程公司，杭州　310052）

SNCR煙氣脫硝工藝在不同爐型上的應(yīng)用

華玉龍，袁瑞龍，戚圣琦，陳遐齡

（中國聯(lián)合工程公司，杭州310052）

選擇性非催化還原（SNCR）煙氣脫硝工藝的效率完全依賴于溫度窗口，不同爐型的適用性差別較大。結(jié)合多個工程案例，描述了SNCR工藝在循環(huán)流化床鍋爐、煤粉爐、鏈條爐及其它爐型上的脫硝效果，分析了各種影響因素，為SNCR工藝在不同爐型中的應(yīng)用提供了參考。

SNCR；脫硝；爐型；溫度窗口；脫硝效率

隨著環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的提高和人們環(huán)保意識的增強，越來越多的爐窯開始建設(shè)煙氣脫硝裝置。目前廣泛使用的煙氣脫硝技術(shù)有低氮燃燒技術(shù)、選擇性催化還原煙氣脫硝技術(shù)（SCR）、選擇性非催化還原煙氣脫硝技術(shù)（SNCR），以及SCR/SNCR聯(lián)合脫硝工藝［1］。其中SNCR技術(shù)由于不需要催化劑，投資、運行成本低，占地面積小，工期短，比較符合我國的國情，具有廣泛的適用性。本文從SNCR煙氣脫硝工藝的原理和影響因素入手，基于多個工程案例，分析了該工藝在不同爐型上的適用情況。

1　SNCR工藝基本原理

選擇性非催化還原（Selective Non-Catalytic Reduction，簡稱為SNCR）技術(shù)是一種成熟的煙氣脫硝技術(shù)，原理是在850℃～1150℃下，將氨基的還原劑噴入煙氣中，將NOx還原，生成無毒無害的氮氣和水。其主要化學(xué)反應(yīng)方程式為：

理論上，SNCR工藝可以達到90％以上的脫硝效率；在工程應(yīng)用中，根據(jù)具體情況不同，SNCR工藝的脫硝效率約為30％～80％，這主要取決于溫度窗口、停留時間、混合效果等。

1.1溫度窗口

不同溫度條件下的SNCR脫硝效率見圖1。

適宜的溫度區(qū)間被稱作溫度窗口，據(jù)研究，有效的溫度窗口為820℃～1150℃，最佳溫度窗口為900℃～1050℃，溫度過低或過高都會導(dǎo)致還原劑損失和脫硝效率下降，不利于對污染物排放的控制。當(dāng)溫度過低時，脫硝效率大大下降，大量的還原劑沒有參與反應(yīng)即被煙氣帶走，增加了NH3污染；當(dāng)溫度過高，超出反應(yīng)溫度窗口時，氨就會被氧化，生成N2O等新的氮氧化物，造成新的污染：

圖1　不同溫度條件下SNCR脫硝效率

1.2停留時間

停留時間是指脫硝還原劑噴入爐膛后在溫度窗口內(nèi)與煙氣中的NOx的接觸時間，如果停留時間過短，氨來不及和NOx進行反應(yīng)，就被煙氣帶走，導(dǎo)致氨逃逸增加。由圖2可以看出，在特定的條件下，當(dāng)停留時間大于0.1秒時，最大可以達到67％的脫硝效率；而停留時間大于0.5秒時，最大可以達到90％以上的脫硝效率。

不同停留時間條件下SNCR脫硝效率見圖2。

圖2　不同停留時間條件下SNCR脫硝效率

1.3混合效果

混合效果主要與噴槍的位置、數(shù)量、角度、噴射距離、霧化效果等有關(guān)系，由于氨在煙氣中有擴散作用，所以混合效果與停留時間密切相關(guān)。煙氣湍流越強，產(chǎn)生的煙氣與氨水等還原劑的混合程度就越好。

2　SNCR工藝在不同爐型中的應(yīng)用

2.1循環(huán)流化床鍋爐

循環(huán)流化床鍋爐是一種較為典型的爐型，應(yīng)用較為廣泛。SNCR工藝在循環(huán)流化床鍋爐（CFB）中的應(yīng)用見圖3。

圖3　SNCR工藝在循環(huán)流化床鍋爐中的應(yīng)用示意圖

在CFB鍋爐中，SNCR工藝的噴射點一般選在旋風(fēng)分離器入口處，其原因有：1） 該處溫度一般在850℃以上，與SNCR煙氣脫硝的溫度窗口吻合；2） 由于旋風(fēng)分離器的特殊結(jié)構(gòu)，還原劑能與煙氣充分混合；3） 煙氣在旋風(fēng)分離器內(nèi)有足夠的停留時間。因此，SNCR工藝在循環(huán)流化床鍋爐上具體很好的適用性。

在CFB鍋爐煙氣脫硝工程中，可以采用氨水或尿素為還原劑，其NH3/NOx化學(xué)計量比一般在1.4～1.5，最終脫硝效率在50％～75％。為了使SNCR工藝達到較高的脫硝效率，可以在旋風(fēng)分離器入口布置合適的噴槍數(shù)量，同時控制好爐膛出口的煙氣溫度。

因此，在CFB鍋爐建設(shè)煙氣脫硝改造工程時，建議優(yōu)先考慮SNCR煙氣脫硝工藝。

2.2煤粉爐

煤粉爐是應(yīng)用最為廣泛的爐型?；痣姀S煤粉鍋爐一般都采用SCR煙氣脫硝工藝，部分中小型煤粉鍋爐由于不同的背景，也可以考慮采用SNCR煙氣脫硝工藝。SNCR工藝在典型煤粉爐中的應(yīng)用示意圖如圖4所示。

圖4　SNCR工藝在典型煤粉爐中的應(yīng)用示意圖

在煤粉爐中，由于煤粉燃燒較為充分，其爐膛溫度一般要高于CFB鍋爐的爐膛溫度。在燃燒器的上方區(qū)域至爐膛出口區(qū)域10m左右高度范圍內(nèi)，煙氣溫度從1400℃～1500℃降低到900℃～1000℃，平均每米高差就要降低50℃左右。由于SNCR工藝的最佳溫度窗口為900℃～1050℃，因此在煤粉鍋爐爐膛內(nèi)具有滿足SNCR煙氣脫硝工藝的溫度窗口。另一方面，由于爐膛四周布滿了水冷壁，不停地吸收著燃煤產(chǎn)生的熱量，這就造成了在靠近爐膛壁面附近的煙氣溫度要低于爐膛中心的煙氣溫度。通過現(xiàn)場測定，發(fā)現(xiàn)在同一個爐膛截面上，中心溫度比距爐膛壁面0.5m處要高100℃～160℃。因此，整個爐膛燃盡區(qū)是一個由下往上遞減并且中間高四周低的溫度場分布見圖5。

從還原劑的停留時間來分析，假設(shè)爐膛內(nèi)平均煙氣流速為5m/s，要滿足0.3s的停留時間，其距離是1.5m，在這么長的距離范圍內(nèi)，煙氣溫降接近75℃，所以，煤粉鍋爐具備SNCR煙氣脫硝工藝的時空距離。

與CFB鍋爐相比，煤粉鍋爐不具備旋風(fēng)分離器式的混合條件，只能借助于噴槍霧化效果和還原劑在爐膛內(nèi)的擴散效果。

因此，煤粉鍋爐上實施SNCR煙氣脫硝工藝的效果要比循環(huán)流化床鍋爐差很多。

圖5　典型煤粉爐中爐膛內(nèi)部溫度分布［1］

呂鈺等［2］通過Fluent軟件對410t/h的燃煤鍋爐中SNCR過程進行建模和模擬計算，發(fā)現(xiàn)在爐膛上部合適位置噴射尿素溶液，在氨氮摩爾比為1.4的條件下，能達到55％以上的脫硝率。

在工程實踐中，一般通過設(shè)置2～3層噴槍，來適應(yīng)煤粉鍋爐負荷變化是溫度窗口的變遷；通過設(shè)置多把噴槍、甚至不同類型的噴槍，以保證還原劑噴入爐膛時有較好的混合效果。在410t/h容量以下的煤粉鍋爐，可以采用SNCR煙氣脫硝技術(shù)，當(dāng)SNCR煙氣脫硝工藝不能完全滿足脫硝要求時，可以輔助低氮燃燒技術(shù)、SCR煙氣脫硝技術(shù)來實現(xiàn)煤粉鍋爐的脫硝減排。

2.3鏈條爐

鏈條爐又稱為拋煤爐，是一種機械化程度較高的層燃爐，因其爐排類似于鏈條式履帶而得名（見圖6），是工業(yè)鍋爐中使用較為廣泛的一種爐型，多用于供熱供汽過程。因多數(shù)鏈條爐布置在城市周圍，所以環(huán)保壓力并不低于火力發(fā)電的煤粉鍋爐。很多鏈條鍋爐不易進行SCR脫硝改造，或者沒有條件建設(shè)SCR脫硝裝置，所以只能采用SNCR工藝。

與循環(huán)流化床鍋爐相比，鏈條爐由于僅僅是單面著火，運動時燃料無自身擾動，需要人工撥火，因而著火條件差，燃燒效率低。較低的燃燒效率導(dǎo)致爐內(nèi)溫度較低，無法很好地滿足SNCR脫硝工藝的溫度窗口。當(dāng)采用生物質(zhì)等摻燒時，其溫度更低。

胥波等［3］通過計算流體力學(xué)的FLUENT軟件對鏈條爐內(nèi)的溫度和流場分布進行了模擬，并以此為基礎(chǔ)對該鍋爐的SNCR工藝脫硝過程進行了初步設(shè)計。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在鏈條爐內(nèi)部煙氣在SNCR反應(yīng)最佳溫度范圍內(nèi)的停留時間較短，適宜溫度區(qū)間狹窄，主要處于爐拱上端爐膛中心的狹長區(qū)域，因而限制了SNCR工藝的脫硝效率，一般的脫硝效率在16％～40％，同時氨泄漏量較大。宋順鑫等［4］對35t/h的鏈條爐中SNCR脫硝特性進行了試驗研究，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用SNCR技術(shù)可以達到13％～23％的脫硝效率，并且以尿素為還原劑的脫硝效果優(yōu)于氨水。

基于多個工程經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，π型鏈條爐比臥式鏈條爐反應(yīng)條件更好，100t/h以上的鏈條爐由于爐膛空間更大，其反應(yīng)條件比更小的鏈條爐效果要好。

因此，在鏈條爐中采用SNCR工藝脫硝效率較低，設(shè)計效率不宜高于50％。噴槍開孔時，應(yīng)選擇爐拱上端作為噴射點，以盡量提高脫硝效率。

圖6　典型鏈條爐爐型

2.4其它類型鍋爐

除了上述幾種較為典型的鍋爐以外，SNCR工藝還被用于其它爐型，主要包括化工、冶金、建材等行業(yè)的窯爐。本文簡介中溫分離器的CFB鍋爐和水泥窯爐上SNCR工藝的應(yīng)用。

2.4.1中溫分離器的CFB鍋爐

該類型的鍋爐具有如下特點：1） 在燃燒區(qū)底部密相區(qū)處于低溫缺氧的狀態(tài)，使得床溫控制在850℃～950℃的范圍內(nèi)；2） 在上方懸浮區(qū)，由于二、三次風(fēng)風(fēng)量較大，顆粒燃燒較為充分，而且在蒸發(fā)管下部的爐膛四周鋪滿了耐火襯，減少了爐膛的吸熱，因此在懸浮段的溫度能達到1000℃左右；3）在爐膛上部，從下到上依次布置了一級蒸發(fā)管、三級過熱器，二級過熱器，一級過熱器，二級蒸發(fā)管和高溫省煤器管束，約80％的熱量被吸收，煙氣溫度從1000℃左右降至約450℃，然后再進入旋風(fēng)分離器進行氣固分離?；跔t內(nèi)溫度分布，該類型的鍋爐在布置SNCR的噴射點時，只能將噴射點設(shè)置在爐膛的中下段，即燃料的密相區(qū)和懸浮區(qū)。然而，由于流化床鍋爐燃料本身的環(huán)-核流動特征（參見圖7），導(dǎo)致爐膛壁面顆粒濃度較大，影響了脫硝還原劑的擴散，所以該類型的鍋爐SNCR脫硝設(shè)計效率建議取20％～30％。

圖7　循環(huán)流化床鍋爐物料流動示意圖

2.4.2水泥窯爐

圖8是SNCR工藝在典型水泥窯爐中的應(yīng)用示意圖。在回轉(zhuǎn)窯產(chǎn)生的廢氣中，氧化物排放質(zhì)量濃度大約在300～2200mg/Nm3（標(biāo)況），由于煙氣中的粉塵濃度較大，一般不宜采用SCR脫硝工藝。通常取900℃～1000℃的溫度窗口，采用SNCR工藝脫硝。有研究表明，當(dāng)氨氮比為1.2時，脫硝效率可達到80％左右［5］。

3　不同爐型鍋爐中SNCR工藝操作參數(shù)及脫硝效率

前已述及，在不同爐型中，SNCR工藝有著不同的操作參數(shù)和脫硝效果。對不同爐型下的工藝具體條件進行匯總見下表所示。

不同爐型鍋爐中SNCR工藝條件匯總表

圖8　SNCR工藝在典型水泥窯爐中的應(yīng)用示意圖

從表中可知，在不同的爐型中，由于水泥窯爐中的溫度大部分在SNCR工藝溫度區(qū)間內(nèi)，而且煙氣混合程度劇烈，因而脫硝效果較好。在鍋爐中，循環(huán)流化床鍋爐的脫硝率最高，其次是煤粉爐和鏈條爐。中溫分離器CFB鍋爐，其爐型特殊，脫硝效率僅能達到20％～30％。

4　結(jié)論及建議

SNCR煙氣脫硝工藝適用于循環(huán)流化床鍋爐、中小型鍋爐改造等，最適溫度窗口在900℃～1050℃，停留時間應(yīng)大于0.1s。在進行SNCR脫硝工藝的設(shè)計時，應(yīng)重點考慮爐內(nèi)溫度窗口、還原劑停留時間和混合效果3個因素。本文通過對比不同爐型下SNCR工藝的操作條件和脫硝效率，認為水泥窯爐和循環(huán)流化床鍋爐采用SNCR工藝脫硝效率較高（大于50％），建議采用SNCR工藝進行脫硝設(shè)計；煤粉爐、鏈條爐采用SNCR工藝脫硝效率中等（50％左右），謹(jǐn)慎推薦采用SNCR工藝；中溫分離器CFB鍋爐采用SNCR工藝脫硝效率最低（20％～30％），因此不建議采用SNCR工藝進行脫硝設(shè)計。

［1］鐘秦.燃煤煙氣脫硫脫硝技術(shù)及工程實例［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002：284-324.

［2］呂鈺，王智化，楊衛(wèi)娟，等.大型燃煤鍋爐SNCR過程數(shù)值研究［J］.浙江大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2010，44（4）：750-755.

［3］胥波，張彥文，蔡寧生.鏈條爐SNCR脫除NOx數(shù)值模擬研究［J］.熱力發(fā)電，2009，38（3）：18-25.

［4］宋順鑫，張光學(xué)，王進卿，等.35t/h鏈條爐SNCR脫硝特性的試驗研究［J］.電站系統(tǒng)工程，2014，30（4）：36-38.

［5］賈世昌.水泥窯爐SNCR脫硝技術(shù)探析［J］.環(huán)境科技，2012，25（2）：34-37.

Application of SNCR Flue Gas Denitration in Different Furnace Types

HUA Yu-long，YUAN Rui-long，QI Sheng-qi，CHEN Xia-ling
（China United Engineering Corporation，Hangzhou 310052，China）

The efficiency of flue gas denitration technology of SNCR is totally depended on temperature window，so the usability of the different furnace types varies. In combination with several engineering cases，the paper describes the denitration efficiency of SNCR technology in circulating fluidized bed boiler，pulverized coal furnace，chain boiler and other some furnace types，analyzes the different influence factors，and provides the reference experiences for the applications of SNCR technology in the different furnace types.

SNCR；denitration；furnace type；temperature window；denitration efficiency

X701

A

1006-5377（2016）10-0054-05