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锅炉SNCR与SCR系统联合运行安全与经济性研究

发表时间：2020/7/15 来源：《电力设备》2020年第5期作者：薛红云王国庆黎潇云姚文虎

[导读] 一、摘要纳雍电厂3号机组采用上海锅炉厂生产的1025t/h亚临界炉（型号SG-1025/17.44-M860），锅炉型式均为亚临界、一次中间再热、四角切圆、固态排渣、自然循环煤粉汽包锅炉。

        （国家电投贵州金元股份有限公司纳雍发电总厂河南南阳 553303）
        一、摘要
        纳雍电厂3号机组采用上海锅炉厂生产的1025t/h亚临界炉（型号SG-1025/17.44-M860），锅炉型式均为亚临界、一次中间再热、四角切圆、固态排渣、自然循环煤粉汽包锅炉。每台炉安装两台双室电袋除尘器（除尘效率≥99.9%）、两台静叶调节轴流式引风机，设计校核煤种均为无烟煤，采用西安电力机械厂生产的DTM350/700型磨煤机。锅炉采用露天布置，在尾部竖井下设置两台三分仓容克式空气预热器， 3号炉为上海锅炉厂生产配套生产的2-29VI(T)-2438M型半模式、双密封、三分仓容克式空气预热器。
        2014年9月12日，国家发展和改革委员会、环境保护部、国家能源局联合发布了《煤电节能减排升级改造行动计划(2014—2020年)》。该计划要求,“十三五”期间,火电厂大气污染物控制将全面实施超低排放,烟尘、二氧化硫、氮氧化物的排放质量浓度分别达到10、35、50mg/m3。为满足国家氮氧化物排放新要求， 3号炉进行了烟气脱硝超低排放改造。采用SNCR+SCR脱硝工艺（备注：3号机组SCR工艺已经投运，原还原剂为液氨）。SNCR脱硝率按不小于40％设计，BMCR工况下，SNCR进口氮氧化物浓度不低于1000mg/Nm3。SCR系统入口氮氧化物浓度650mg/Nm3设计，出口氮氧化物浓度不高于50mg/Nm3。
        主要的改动部分包括：3号炉新增SNCR区域，还原剂采用尿素（尿素溶液由本次新增公用尿素制备区提供）。SNCR区域共设三区喷枪
        一区喷枪数量为9支，伸缩式
        二区喷枪数量为9支，固定式
        三区喷枪数量为9支，固定式
        SCR区域催化剂采用2层板式加1层蜂窝式，目前催化剂总数量为467 m3，还原剂目前仍采用液氨（后期采用尿素水解）。
        二、SNCR脱硝原理简介
        SNCR脱硝技术即选择性非催化还原技术，是一种不用催化剂，在850～1100℃的温度范围内，将含氨基的还原剂（氨水、尿素溶液等）喷入炉内，将烟气中的NOx还原脱除，生成氮气和水。
        SNCR脱硝反应受温度条件、停留时间、NH3/NO摩尔比（NSR）、混合程度等因素的影响。其中温度窗口是核心，如图1所示，反应温度超过1000℃时，NH3被氧化成NOx，氧化反应起主导；反应温度低于800℃时，NH3与NOx的还原反应速率降低，造成未反应的NH3逃逸。SNCR脱硝过程实际上是上述两类反应相互竞争、共同作用的结果，如何选取合适的温度条件是该技术成功应用的关键。

        图1：SNCR“温度窗口”
        三、改造后脱硝系统对锅炉影响
        1、SNCR对锅炉燃烧安全的影响
        3号炉超低排放改造后于2019年4月启动，不少人怀疑SNCR投入尿素溶液喷入后造成炉膛温度降低，但实际分析后认为SNCR不会对燃烧安全性造成影响，原因如下：
        1）从喷入的位置看，最低的喷枪在锅炉标高40m处（三次风喷口标高27m左右），已远离主燃烧区域。
        2）从喷入的量看，《脱硝改造技术协议》中规定，每台机组SNCR系统除盐水耗量（不含尿素公用系统）＜7t/h，实际运行的量大约在3t/h左右，而在锅炉正常运行中随燃煤带入炉膛的水分在10t/h左右。
        综上所述，SNCR在正常运行的情况下，无论从喷入的位置及喷入的量看，都不会对锅炉燃烧的安全性造成影响。
        2、SNCR对锅炉四管安全性的影响
        在SNCR区域，尿素溶液喷入炉膛后，受热分解产生NH3，一部分与烟气中的氮氧化物反应，一部分随烟气向后流动（SNCR的氨逃逸较高，一般在5～10ppm），由于烟气中氨浓度低，不会对过/再热器造成腐蚀。但有相关案例表明，若尿素溶液喷枪雾化不好、堵塞、泄漏等，尿素溶液直接滴溅在水冷壁上，长时间会造成水冷壁的腐蚀爆管，所以在运行中应做好喷枪的定期检查及维护工作，停炉时应对喷枪附近及下方的水冷壁进行检查。
        3、SNCR对锅炉经济性的影响
        在《脱硝改造技术协议》中规定，SNCR对锅炉效率影响值＜0.5%，分析主要影响过程如下：随尿素溶液喷入炉膛，带入的除盐水在炉内吸热，造成锅炉排烟热损失增加。
        4、SCR对锅炉的影响
        由于3号炉在前期就加装了SCR脱硝装置，也积累了一定的SCR运行经验，SCR对锅炉的常规影响在此不做分析，只重点分析超低排放改造后空预器为什么更易堵塞，原因如下：
        1）本次SCR改造新增了一层催化剂，在通过增加催化剂用量实现NOx超低排放的同时,会导致脱硝系统出口的SO3质量浓度迅速提高,加大了空预器形成硫酸氢铵堵塞的风险。
        2）脱硝效率越高,系统对NH3与烟气中NOx混合均匀性的要求就越高,控制氨逃逸量的难度增大,空预器形成硫酸氢铵堵塞的风险也相应加大。
        3）将NOx排放质量浓度控制到50mg/m3以内,日常运行中脱硝系统出口NOx质量浓度波动范围可能在20～50mg/m3,易造成运行过量喷氨而引起氨逃逸增加。
        空预器堵塞，造成锅炉风机耗电增加，机组不能实现长周期运行等一系列不良后果，仅计算风机耗电，在空预器堵塞较严重的情况下，风机耗电率增加在0.3%左右，按单机发电量折算到全年电费增加158.18万元，由此可见控制氨逃逸的重要性。为控制氨逃逸，运行中应注意以下问题：
        1）重视SCR入口NH3/NOx混合均匀性，定期进行流场测试与调整。
        2）SCR与SNCR联合运行时，从经济学观点分析，该系统运行时，符合“纳什均衡”理论，系统存在一个均衡点，控制SCR入口的NOx 浓度是关键，另外从图2可看出，SCR的脱硝效率过高时，出口氨逃逸会急剧增加。
        3）控制脱硝系统出口NOx浓度≮20 mg/m3，避免出现出口NOx上升、急剧增加喷氨造成过调而引起氨逃逸超标的情况发生，从这一点看，一个良好的脱硝自动显的非常重要。
        4）从空预器本身考虑空预器堵塞的预防及堵塞的处理，本次改造应用了防止空预器堵塞的新技术。
        四、SNCR与SCR运行经济性分析
        1、化学方程式
        SCR主要反应式（目前液氨为还原剂）：
        4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O
        4NH3+2NO2+O2→6N2+6H2O
        SNCR主要反应式(尿素为还原剂)：
        2NO+CO（NH2）2+1/2O2→2N2+CO2+2H2O
        2、关于氨氮摩尔比
        从化学反应式看出，理论上氨氮摩尔比应为1:1，对于SCR系统，如图2所示，脱硝效率随氨氮摩尔比增加而增加，但氨氮摩尔比超过1后脱硝效率不再增加，且超过0.9后氨逃逸快速增加，故SCR系统氨氮摩尔比一般控制在0.8～0.9左右。

        图2：SCR系统氨氮摩尔比对脱硝效率和氨逃逸的影响
        对于SNCR系统，在反应中由于部分NH3被氧化成NOx，以及一小部分未反应的NH3随烟气逃逸，需要比理论化学当量比更多的还原剂喷入炉膛才能达到较理想的NOx 还原率，SNCR适宜的氨氮比为0.9-1.0。
        以上分析仅是为了说明对于SNCR系统，实际尿素消耗量是高于理论尿素消耗量的，但对于SNCR系统的氨氮摩尔比是比较难以计算的，故对比分析中也仅以理论计算量为准。
        3、计算简化
        1）无论SNCR还是SCR，还原剂费用都是最主要的运行成本，当然还包括其它如电耗、蒸汽消耗、压缩空气消耗等，但和还原剂成本比都小的多，在此不做考虑。
        2）对于SCR系统，主要的运行成本还应包括催化剂更换费用，但一旦催化剂数量选定后，该费用仅与催化剂的寿命管理好坏相关。其它一些消耗也有类似的情况，如：稀释风、声波吹灰器、蒸汽吹灰器、催化剂阻力引起的风机电耗等，只要锅炉运行（SCR系统随锅炉启停），这些损耗就是存在的。
        3）对于SNCR系统，前面分析过，由于尿素溶液带入锅炉的除盐水造成排烟损失不能忽视，在对比计算中应予于考虑。
        所以，SNCR与SCR运行经济性的对比分析简化成尿素与液氨还原剂费用的对比分析，且为了方便对比，最终都换算成每脱除1kg NO花费多少钱，单位：元。
        4、计算过程
        对于SCR系统，每脱除1kg NO花费
        对于SNCR系统，每脱除1kg NO需要尿素
        即每脱除1kg NO花费尿素费用2.129元
        前面分析过，每1kg尿素带着9～19kg水进入炉膛，从实际运行数据计算取10kg，按锅炉排烟热损失计算，除盐水形成的排烟热损失为2600 kJ/kg，则因带入的除盐水造成的排烟损失为26000 kJ，折算成标煤为0.888 kg，换算成费用为0.568元故SNCR系统每脱除1kg NO花费
        5、结果分析
        仅从理论计算看，单用尿素是不经济的，每脱除1kg NO，要比液氨多0.895元。
        五、试验分析
        为实现运行经济性和实现机组长周期运行，我们开展了，同一负荷下三种工况进行对比，分别为工况1：尿素全停,工况2：投入尿素一区，工况3：投入尿素二区,通过三种工况筛选，最终实现运行的经济性和机组的长周期运行，结果数据汇总如表1和表2所示：

        六、结论
        1、若仅从运行经济性考虑，用液氨是经济的，可以降低脱硝运行成本。从安全和经济性综合考虑，SNCR与SCR按既定的控制策略使用，同时控制SCR出口氨逃逸不超标。
        2、分析认为SNCR与SCR联合运行，探究SNCR区温度窗口是重点，另外系统存在均衡点，通过联合优化运行摸索，控制SCR入口NOx是核心，最终实现整个脱硝系统最大的安全与经济。
        3、锅炉SNCR与SCR联合运行初期氨逃逸控制在1.5ppm左右，但后期运行发现运行成本上升，调整难度加大，通过进一步摸索系统均衡点，目前SCR出口氨逃逸不超3ppm，氨耗率不超过4kg/万kWh，尿素折算液氨后总氨耗率不超9.5kg/万kWh。
        4、锅炉运行6085小时，空预器压差上升不超过500Pa，远低于连续运行100天空预器差压不超900Pa的目标，大大降低了超低改造后的运营成本，核算后每台炉运行年节约费用超200万元。
        参考文献：
        1、《纳雍电厂规程》
        2、《纳雍电厂3号机组脱硝调试方案》