工业固废循环流化床的SNCR工艺优化研究

工业生产的不断发展，自然资源的消耗和废物产生的速度急剧增长，造成了一些自然资源的日益枯竭和世界性固体废物严重堆积等现象。近年来，国内外研究人员对固体废物资源化进行了大量的研究。固体废物主要分为一般工业固废和危险性工业固废。对于一般工业固废的资源化利用将是转变我国经济发展方式和建设资源节约型社会的重要手段。目前，工业固废焚烧发电作为一种减量化、资源化、无害化处理手段，日益受到重视。循环流化床(CFB)锅炉具有热效率较高、燃烧强度大、负荷调节范围广、燃料适应性好、调峰性能好等优点，非常适合于工业固废的焚烧发电。

近年来，我国在环保方面的标准日益严格，目前各省市关于各种锅炉都出台了相关政策。并且大多数地区要求所有机组的各项污染的超低排放要求，对于工业固废锅炉机组的氮氧化物(NOx)的排放要求是小时和日均值都不得超过75mg/m3。尽管CFB锅炉在NOx 控制方面具有先天的优势，但要完全满足超低排放的要求，仍面临着巨大的压力。因此，为了更好的解决NOx浓度超标问题，锅炉需要增加烟气脱硝设备。目前循环流化床上对于氮氧化物的去除方式中干法脱硝是比较常用的方式，主要包括SCR烟气脱硝、SNCR烟气脱硝以及两者联合脱硝三种工艺形式。

(1)SCR脱硝工艺：通过在特定的环境条件下，烟气温度 200~420 ℃，最佳温度 280~400 ℃，在这个温度下向烟气中喷入氨气，氨气与烟气结合后经过催化剂后将其中的氮氧化物还原成氨气和水；

(2)SNCR脱硝工艺：烟气温度 800~1100 ℃时，向烟气中喷入氨或尿素等氨基还原剂，使其与烟气中的氮氧化物发生化学反应生成氨气和水；

(3)SNCR+SCR联合脱硝工艺：一种结合了SCR 技术高效和SNCR投资节省的特点而创新的新型工艺。这种联合工艺有两个反应区，通过锅炉壁上的喷射系统，在高温作用下让还原剂与烟气中的氮氧化物发生反应，完成初步脱硝；剩余未完全反应的还原剂会进入SCR反应区，在催化剂的作用下进一步的脱硝。在催化剂的作用下，前段未脱除的氮氧化物会转换为氨气和水。 

目前关于工业固废循环流化床锅炉的SNCR研究较少。针对此锅炉中的入炉物料的复杂性，本项目采用独特的两级SNCR脱硝技术，可有效增加还原剂的炉内停留时间，提高还原剂与烟气的混合效果，并促进低温区段还原反应的快速进行，进而大大提高SNCR脱硝效率，具有可观的经济及环保效益。并针对工业固废循环流化床SNCR实际运行过程中出现的问题以及优化方案进行分析，为相关工业固废循环流化床的SNCR工艺优化提供参考。

一、锅炉的基础条件和尾气排放指标

1.锅炉入炉物料及热值

浙江某环保能源有限公司主要以浙江省某县域内的造纸废弃物、造纸浆渣、造纸污泥、市政污泥、印染污泥、废布料及其他可焚烧一般工业固废为原料进行焚烧发电。需要处理的物料的具体参数见表 1，入炉的燃料及热值见表 2。

 

2.锅炉参数

为提升研究的实践价值，本文以浙江某县某 200 t/h 循环流化床锅炉作为研究对象，该锅炉由芬兰维美德锅炉厂设计制造。锅炉是一种单汽包循环流化床锅炉，由一个密闭膜式壁炉膛、一个旋风分离器、空烟道、后烟道和第三烟道组成，一级 和二级过热器都位于后烟道中。固体燃料由5条进料管线送入流化床，其中3条在炉前，2条在炉后。造纸废弃物和其他工业固废将被送到前炉，其他燃料如造纸污泥，纸浆废渣，城市污泥和印染污泥从炉后进入炉膛。该项目引进欧洲成熟处理工艺，配套建设1×200 t/h 高温高压循环流化床锅炉+1×50MW凝汽式汽轮发电机组、垃圾衍生燃料(RDF)前道预处理系统及其他辅助生产设备。设计年处理工业固废60万吨，发电3亿度，属绿色发电产业的一个新的尝试。锅炉具体的运行参数见表 3。

 

3.尾气排放标准

尾气排放标准应满足国家工业固废锅炉排放标准见表 4。

 

二、结果与讨论析

1.SNCR 的实际运行中的问题

SNCR 的实际运行中的问题本研究中的工业固废循环流化床锅炉不同于其他燃煤和垃圾锅炉的两级 SNCR 脱硝技术。由于这些锅炉中煤或者垃圾的热值和投入量在一定范围内保持稳定，所以采用两级 SNCR 反应器的安装方式为：第一级脱硝反应器内设置多支主喷枪，在水平烟道的横截面上均匀的呈多层布置；第二级脱硝反应器内设置有补氨喷枪，沿水平烟道的横截面布置。他们的运行方式也是由第一级 SNCR 喷枪主调，第二级 SNCR 喷枪辅调的方式运行，这也是两级 SNCR 脱硝技术典型运行方式。但是基于本锅炉的入炉物料和热值得的复杂性，要根据锅炉在不同工况下入炉物料的变化和实时 NOx 排放情况进行不同的两级 SNCR 脱硝运行方式。

 

对于某次的锅炉检修期间，SNCR 出现的超标问题进行详细的描述。为了便于分析，首先需要做如下说明、定义：(1)NOx 的原始浓度与锅炉实际热功率成正比(即暂时不考虑物料更替带来的原始浓度变换)；(2)正常情况下分离器本体(水冷)的烟气温降效应在 80 ℃左右(查阅历史曲线，最大温降值在 80 ℃ 左右，说明分离器占蒸发受热面相当一部分的比重)；(3)正常 情况下，SNCR 的反应如下，皆为可逆反应。

 

 

但在火焰区，还有如下反应

 

锅炉在正常运行过程中 SNCR 的反应效率通常是稳定且高效的，本次以锅炉满负荷时的 SNCR 系统反应效率为基准值，如图 2 所示。

 

通过对 SNCR 系统反应效率超标事故，如图 3 所示。分析曲线发现，事故开始时，分离器出口烟温与炉膛出口烟温差值不断上升，分离器再燃开始加强，NOx 排放数据跟随上升(有 3 分钟滞后)，NOx 参数在升至超标值前，运行人员开始加大氨水的投入量。在事故发生 19 分钟后，分离器出口烟温与炉膛出口烟温 差值升至最大值 103 ℃(计算得此时分离器再燃烧热功率为 27.4 MW，占此时锅炉热功率的 20.5 %)，此时 NOx 排放数据 升至最大值 114 mg/Nm3，由于氨水几乎已投入至最大值，在此种调节方式下 NOx 已无下探空间。同时，随着运行人员减少炉前投料量，分离器再燃现象减弱，NOx 排放数据逐渐下降。

 

2.事故解决方法与分析

对于此次事件出现的情况某厂工程师和工作人员对事故发生的原因以及处理结果进行了详细分析，如下所示：

(1)此次超标事件中，机组运行 70 % MCR 工况，根据定义 1，实际的氨水理论耗用量应为 MCR 工况的 70 %左右，但实际运行中，氨水耗用量已达 MCR 工况的 200 %。

(2)目前 SNCR 系统的流量调节仅由两级 SNCR 系统前的调节阀控制。由于第二级 SNCR 喷枪层处于 38(m)位置，氨水压头比第一级喷枪层低 1.2 bar，因此增大总 SNCR 系统氨水投入量时，一级喷射量的上升会比二级多得多。

(3)一般来说，过量的氨水(摩尔比失衡)造成的不完全反应 (K 值变小)会导致氨逃逸超标，而在本次事件中，氨逃逸表的数值波动很小(1.47 ppm)。因此可以认为，过量的还原性 N 几 乎已经完全反应。将(1)、(2)中的实际现象与 3.1 节中的反应方程式结合起来，在分离器再燃烧的前提下(火焰区)，相当比例的还原性氨 被氧化成了 NOx。因此，此时第一级 SNCR 喷枪层的反应过程描述为：一部分的还原性氨与炉膛内生成的NOx反应生成N2,但由于一级SNCR氨水投入大大过量，过量的还原性氨气在火焰区重 新被氧化为NOx，从而大大降低了一级SNCR的反应效率。

3.不同工况下的两级 SNCR 投入运行方式

针对工业固废锅炉在不同工况下的两级 SNCR 运行方式 进行分析，主要分为以下几个运行方式：

（1）分离器不存在或存在轻微再燃情况(炉膛出口烟温≥分离器出口烟温)

对于此类工况下，建议采用第一级 SNCR 喷枪主调，第 二级喷枪辅调的方式运行，这是一种典型的 SNCR 喷枪运行方式。由于此工况下分离器出口烟温一般不会太高，因此需要注意氨逃逸表数据，在 NOx 数据可控的前提下尽量减小二级 SNCR 喷枪的喷射量。

（2）分离器存在一定的再燃烧情况时(炉膛出口烟温≤分离器出口烟温≤炉膛出口烟温+50 ℃)

对于此类工况下，建议采用一级、二级SNCR喷枪联合脱硝方式运行。一级 SNCR 喷枪层根据实际炉膛燃烧工况， 定量给入氨水。二级 SNCR 喷射层根据 CEMS 数据，实时同步调节用量，以此控制 NOx 数据。

（3） 分离器存在强烈再燃烧情况时(炉膛出口烟温+50 ℃≤分离器出口烟温)

对于此类恶劣工况，也是本锅炉目前典型的运行工况，建议采用一级 SNCR 喷枪辅调，二级 SNCR 喷枪主调的方式运行。此时对于一级 SNCR 喷枪层，同样需要根据实际炉膛燃烧工况，定量定时喷射氨水。但需要注意的是，由于此时剧烈的分离器再燃烧现象，会将一部分的还原性氨氧化为 NOx， 因此必须严格控制一级 SNCR 的喷射量。若发现加大一级氨水给入后，NOx 数据没有下降甚至反而上升时，说明一级氨水已过量，需减少一级氨水的投入。对于二级 SNCR 喷枪层，根据 CEMS 数据，实时同步调节用量，在控制 NOx 数据的前提下，尽量减少氨水用量，以减小机组尾部受热面的腐蚀情况。

（4）中心桶至分离器出口仍存在挥发分再燃烧情况(特殊情况)

目前，还没有数据可以支撑发生了此类再燃工况，但考虑到分离器内再燃物料基本为轻质料，这种燃料极易热解失重析出挥发分，因此在少些特殊工况下(分离器出口温度达到 1040 ℃)，很可能已经发生中心桶的后燃现象。在此种工况下二级 SNCR 的脱硝效率都无法得到保障，必须立刻调节锅炉工况，防止 NOx 数据超标。此种工况为极其特殊的情况，为防止出现此 事故后工作人员处理不得当而出现 NOx 超标事件要组织专业技术人员继续细化锅炉调整操作要领，指导运行操作人员加强调整燃烧，同时需要结合主蒸汽流量、氧量等前馈信号，实现 SNCR 区域先进预测控制，将环保指标和经济指标控制在合理范围内。

三、结论

综上所述，两级 SNCR 脱硝技术在工业固废循环流化床锅炉中具有很高的应用价值。并且通过对此次锅炉中SNCR的超标事故以及解决方案可以对类似的工业固废循环流化床锅炉中两级 SNCR 脱硝技术优化提供参考。

工业固废循环流化床锅炉在特殊SNCR分级布置方式，少见的锅炉运行工况下，需要运行人员更精准的控制两级SNCR投入量，环保技术人员也需要加强对运行人员的培训。杜绝对于 SNCR 系统出现的冲击式增加喷射量的操作方式，根据机组负荷与燃烧状况的判断，综合调控一二级SNCR系统。

文献信息

邹大勇,沈昊天.工业固废循环流化床的SNCR工艺优化研究[J].广东化工,2023,50(02):132-134+106.