摘要
通过造纸厂煤粉锅炉烟气SNCR+SCR联合脱硝治理的工程实例，介绍了联合法脱硝的原理以及脱硝系统的构成及其主要设备参数，考察了连续运行时的处理效果及其运行成本。工程运行结果表明，该工艺简单、占地面积小、投资及运行费用低、烟气脱硝效果好且能够长期稳定运行。在10个月的稳定运行期间，烟气NOx排放浓度<30mg/m3，氨逃逸量<2ppm，达到甚至优于《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)的相关规定。
关键词：联合法脱硝;造纸厂;煤粉锅炉;工程运行
引言
我国是一个燃煤及产煤大国，据统计，全国67%的NOx排放量来自于煤炭的燃烧[1]。随着《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)的颁布，我国对NOx的排放控制日趋严格，因而对燃煤工业锅炉进行脱硝技术改造成为我国NOx减排的一项重要措施。
目前应用较多的脱硝技术主要包括选择性催化还原法(SCR)、选择性非催化还原法(SNCR)及其联用的SNCR+SCR技术[2]。SCR技术是利用脱硝催化剂在300~400℃范围内将NOx还原为N2和H2O，目前已在全球范围尤其是发达国家得到广泛应用，但该工艺投资和运行费用较高，难以在国内中小企业中普及[3]。SNCR又称为热力脱硝，通过在炉膛高温区(850~1100℃)均匀喷入还原剂来实现NOx的脱除[4]。该工艺适用于中小型锅炉的改造，投资费用低，但氨逃逸高，脱硝效率较低。SNCR+SCR联合脱硝技术结合了SCR和SNCR两种工艺的特点，在脱硝工艺前段采用SNCR技术脱除大部分的NOx，而在脱硝工艺的尾部只需采用少量的SCR催化剂即可使烟气NOx达标排放。该工艺适用于受空间限制而无法加装大量催化剂的锅炉改造，相比与SCR技术，在取得较高脱硝效率的同时，其投资及运行成本均有所降低[5]。
山东某纸业以生产高档涂布白板纸、牛皮卡纸、牛皮箱板纸为主，广西博世科环保科技股份有限公司应业主邀请对该纸业自备热电站3台煤粉锅炉进行SNCR+SCR联合脱硝改造，工程于2014年6月始调试，至今SNCR+SCR联合脱硝已连续稳定运行了10个月，设备状况正常，脱硝效果良好，烟气排放NOx达到甚至优于《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)的要求。
1、SNCR+SCR脱硝原理
SNCR+SCR联合脱硝技术综合了两种技术的优势，在提高脱硝效率的同时不但降低了投资和运行成本，还减少氨逃逸量，减少二次污染。工艺前段的SNCR工段将氨气、氨水、尿素溶液等氨基还原剂喷入锅炉炉膛850~1100℃部位，氨基还原剂迅速分解成NH3并选择性地还原烟气中的NOx，而基本上不与烟气中的O2作用。该过程中NH3或尿素还原NOx的主反应为：
4NH3+4NO→4N2+6H2O(1)
4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O(2)
2CO(NH2)2+4NO+O2→4N2+4H2O+2CO2(3)
2CO(NH2)2+2NO2+O2→3N2+4H2O+2CO2(4)
当温度过高时，部分氨还原剂就会被氧化而生成NOX，发生副反应：
4NH3+5O2→4NO+6H2O(5)
尾部的SCR烟气脱硝装置通常布置在省煤器与空预器之间，反应温度区间在300~420℃之间，在催化剂作用下，NH3选择性的和烟气中的NOx反应生成N2和H2O，其主反应为：
4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O(6)
NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O(7)
2、SNCR+SCR联合脱硝工程
2.1工艺流程设计
山东某造纸厂燃煤锅炉烟气NOx排放浓度超过相关国家环保标准限值，对于燃煤锅炉烟气，该工程采用SNCR+SCR联合脱硝技术进行烟气脱硝处理[6]，运用尿素溶液作为还原剂，其工艺流程见图1。
如图1所示，固体尿素与软化水按一定的比例在尿素溶解罐中溶解，溶解的尿素溶液经物料泵输送到尿素储罐中，储罐内的尿素溶液经由投加泵送至静态混合器内与稀释水泵输送过来的软化水按照比例混合，将尿素溶液稀释到设定的浓度后，再输送至喷枪。在喷枪处同时喷入一定压力的压缩空气以保证尿素溶液的雾化均匀性，雾化后的尿素在炉膛高温的作用下迅速分解成NH3，与烟气中的NOX发生氧化还原反应，将大部分NOX去除，未完全反应的NH3随烟气进入到尾部的SCR催化反应器中，在催化剂的作用下继续与剩余的NOX反应，进一步减少NOX排放量。为防止尿素溶液在存储及输送的过程中结晶，需对溶解罐、储罐及输送管道进行保温。SCR系统设置1套吹扫装置，按照一定的时间间隔定期清理催化剂表层积灰;设置1套氨逃逸检测分析仪显示烟气中NH3气体浓度;设置1套取样装置，定期检查催化剂活性;设置1套尿素补偿装置，在SNCR系统未反应NH3不足时为SCR工段提供还原剂。
图1SNCR+SCR联合脱硝工程工艺流程图
2.2系统构成及其主要设备参数
2.2.1尿素溶解及储存系统
该系统使固体尿素与软化水按照设定的比例浓度溶解稀释，并将稀释后的尿素溶液打入储存罐内储存。溶解罐设有电动葫芦及浆液搅拌器1台，溶解罐、储罐及连接的输送管道均设置电伴热并进行相应的保温措施。
主要设备参数：
1)尿素溶解罐：不锈钢304，结构尺寸Φ2800mm×2000mm;
2)尿素储罐：不锈钢304，结构尺寸Φ2000mm×4000mm。
2.2.2输送系统
该系统是将液态的尿素溶液及软化水输送至计量分配系统中进行在线稀释混合，并均匀的分配到每一支喷枪中以保证更均衡的雾化效果。
主要设备参数：
1)尿素溶液输送泵2台(1用1备)，Q=5.6m3/h，H=10m;
2)尿素溶液投加泵4台(3用1备)，Q=0.4m3/h，H=150m;
3)稀释水泵4台(3用1备)，Q=2.0m3/h，H=160m。
2.2.3计量分配系统
计量分配系统中对尿素溶液、稀释水、压缩空气分别进行计量和分配，通过对NOx浓度、生产工况的变化作出响应，控制调节尿素溶液稀释浓度，进而调节适当的空气/尿素溶液质量比率，以取得最佳的NOx还原效果。本系统中控制单元采用模块化设计，采用PLC进行控制，共设有计量柜6台。
2.2.4喷射系统
将稀释后的尿素溶液、压缩空气经计量分配后，定量送至炉内各喷射层喷枪，经喷枪雾化后，喷射到850~1100℃温度范围内的锅炉炉膛与烟气混合，尿素分解产物NH3与烟气中的NOx反应生成氮气和水。
主要设备参数：
共设喷枪30支(每台炉10支，其中SNCR系统8支，SCR系统2支)，Q水=120L/h，P气=0.2~0.4MPa，P水=0.2~0.4MPa。
2.2.5SCR反应系统
尿素SNCR+SCR联合工艺中，前段SNCR不完全反应的NH3进入尾部SCR系统中，在320~400℃温度条件及催化剂的作用下，不完全反应的NH3与烟气中的NOx反应生成N2和H2O。当开启SNCR系统，稳定运行后，NOx浓度、逃逸NH3均满足工艺要求时，则不需再打开尿素补偿装置，由SNCR系统提供的尿素以满足脱硝效率要求。反之，若NOx浓度、逃逸NH3达不到工艺设计要求时，开启尿素补偿装置，适当的喷入尿素溶液。
主要设备参数：
1)设置催化剂1层，催化剂单元尺寸150mm×150mm×795mm，模块尺寸1910mm×972mm×1015mm、单重1032Kg、比表面积526.8m2，最高承受温度420℃(承受时间5h)，催化剂层比表面积409m2/m3，节距8.2mm，催化剂层压降≤400Pa，机械寿命10年，催化剂寿命24000h;
2)声波吹灰器3套(每台炉各1套)，频率170Hz，声压153dB，轴向吹灰距离7~9m，径向吹灰距离5~7m，空气压力0.4~0.6MPa，最高连续运行温度：1000℃。
2.2.6烟气在线监测系统
设置3套烟气在线监测系统，用以监测烟气流速、NOx浓度、O2浓度、逃逸NH3浓度等，并通过其反馈的数值来控制尿素、稀释水的投加量。
主要设备参数：
1)气态污染物分析仪：检测因子及量程NOx0~1000mg/Nm3，O20~25%;
2)氨逃逸分析仪：检测因子及量程NH30~100ppm。
3、运行效果及经济效益分析
3.1运行效果分析
该SNCR+SCR联合脱硝工程于2014年6月建成并试运行，至今稳定运行10个月，处理效果良好，烟气排放NOx浓度达到设计要求。2014年6月至今5#煤粉锅炉的部分检测结果见图2和图3。
图2某造纸厂SNCR+SCR联合脱硝技术对NOx的去除
图3某造纸厂SNCR+SCR联合脱硝尿素投加量及氨逃逸量
从图2和图3可以看出，当造纸厂锅炉负荷在65~75t/h范围内波动时，SNCR+SCR联合脱硝系统稳定运行期间的尿素投加量为62~79L/h，出口烟气NOx浓度稳定维持在35mg/Nm3以下，平均脱硝效率为94.6%，氨逃逸量低于2ppm，脱硝效果优于现行环保排放标准规定的100mg/Nm3。
3.2经济效益分析
某造纸厂SNCR+SCR联合脱硝工程运行至今一直保持高效稳定的脱硝效率，排放烟气中NOx浓度符合国家标准。该工程的3台75t/h锅炉脱硝主要技术经济指标为：化学品总消耗149.7~188.8万元/年，电力总消耗6.9万元/年，年NOx总削减量420t，NOx减排收益25.2万元，年综合运行总成本131.4~170.5万元，单位NOx去除成本3.12~4.06元/kgNOx，折合蒸汽脱硝成本0.73~0.95元/t蒸汽。
4、结论与建议
SNCR+SCR联合脱硝技术结合了SCR和SNCR两种工艺的特点，在获得较高脱硝效率的同时降低投资及运行成本，减少占地面积。
工程运行效果表明，SNCR+SCR联合脱硝技术可有效去除造纸厂煤粉锅炉烟气NOx，经脱硝系统后烟气排放的NOx浓度低于35mg/Nm3，氨逃逸量低于2ppm，脱硝效果优于现行环保排放标准规定的100mg/Nm3。
SNCR+SCR联合脱硝技术投资运行成本低，每千克NOx去除成本可低至3.12元。
尿素法SNCR+SCR联合脱硝技术在造纸厂煤粉锅炉的成功应用表明，该技术能够满足国家相关环保法规对燃煤烟气NOx的排放要求，是此类工业锅炉烟气脱硝切实可行，效果甚优的处理技术。
参考文献
[1]姚芝茂,武雪芳等.工业锅炉大气污染物产生与排放系数影响因子分析[C].中国环境科学学会学术年会优秀论文集.北京：中国环境科学出版社,2008:589-595.
[2]宋闯,王刚等.燃煤烟气脱硝技术研究进展[J].环境保护与循环济,2010(1):63-65.
[3]蔡小峰.基于数值模拟的SCR法烟气脱硝技术优化设计[D].北京:华北电力大学能源与动力工程学院,2006.
[4]肖翔.SNCR烟气脱硝技术与应用[J].科技传播,2010,(15):169,175.
[5]龚家猷,李庆.燃煤电厂SNCR与SCR联合脱硝工艺在国内的首次应用[J].华北电力技术,2011,(2):31-34.
[6]蔡昕,唐建成等.联合脱硝技术在燃煤锅炉脱硝改造中的应用[J].华北电力技术,2010,(12):48-51.
