摘要：为了检验SNCR脱硝技术在高效低NOx液态排渣煤粉工业锅炉中的应用效果，在一台8.4MW有机热载体锅炉炉膛内开展了SNCR脱硝技术工业化试验研究。选用尿素作为还原剂，搭建了工业化SNCR脱硝试验平台。在20%、15%、10%三种浓度尿素溶液下进行了不同尿素溶液喷射量、不同氧含量、不同锅炉负荷下的SNCR脱硝试验研究。初步试验结果表明：提出的“低NOx燃烧+SNCR脱硝”耦合技术方案是可行的，SNCR脱硝效率在80%以上，完全能够达到烟气中NOx低于50mg/m3的超低排放要求。
燃煤工业锅炉作为NOx排放的主要来源之一，国家对其NOx的限排要求日趋严格，我国发布的新版《锅炉大气污染物排放标准》GB13271-2014规定，重点地区燃煤工业锅炉NOx排放限值为200mg/m3，目前，绝大多数燃煤工业锅炉将面临因NOx排放超标而被迫淘汰的困境。在这种背景下，课题组与上海某企业合作研发了高效煤粉工业锅炉燃烧技术，以高效低NOx液态排渣煤粉燃烧器为核心设备，在燃烧器内采用分区段控制、高温低氧气氛下燃烧、旋风燃烧等组合的低NOx燃烧技术路线，最终达到NOx排放值低于150mg/m³的优异特性。
同时，针对燃煤工业锅炉的NOx实施超低排放已成大势所趋，部分省市已提出燃煤工业锅炉的NOx排放值低于50mg/m3的要求。选择性非催化还原（SNCR）作为一种成熟的脱硝技术，在我国大中型循环流化床锅炉中应用广泛。由于SNCR脱硝效率受锅炉结构、炉膛温度等影响较大，小型燃煤工业锅炉通常不满足SNCR脱硝所需的温度窗口、炉内停留时间等条件，导致SNCR脱硝技术未能有效应用。
一些研究表明，小型燃煤工业锅炉应用SNCR脱硝效果不理想，脱硝效率很低。贾明生等已对液态排渣煤粉工业锅炉炉内SNCR脱硝技术可行性进行了论证，提出的“低NOx燃烧+SNCR脱硝”技术方案是可行的，有望达到NOx低于50mg/m3的超低排放要求。本文对一台8.4MW液态排渣煤粉工业锅炉炉内SNCR脱硝技术进行工业化试验研究，检验SNCR脱硝应用于该类型燃煤工业锅炉的实际效果。
1锅炉系统概况
上海某公司新建一台有机热载体高效煤粉工业锅炉，搭载自行研发的高效低NOx液排渣煤粉燃烧器，锅炉型号为YFL-8400KW，锅炉额定热功率8.4MW，排烟温度150℃，设计锅炉效率89%。现在炉膛增设SNCR脱硝技术方案，向炉膛内部喷射还原剂对烟气进行更深层次脱硝处理。
该锅炉以有机热载体为换热介质，有机热载体在炉膛和对流段吸热升温后将热量送入车间使用，降温后又回到炉膛和对流段加热，换热过程循环进行。该煤粉工业锅炉系统简图如图1所示。精确计量的煤粉由一次风送进燃烧器入口，经过预热的助燃二次风分级送入燃烧器内，煤粉在燃烧器中高温、低氧气氛下剧烈旋流燃烧，煤粉中的灰分在1500℃以上的高温下大部分形成液态渣排到炉外，高温烟气进入炉膛后，在炉膛完成辐射和对流换热后依次进入对流段、空气预热器、布袋除尘器、脱硫塔等单元，最后洁净烟气经烟囱排入大气。高温烟气在炉膛换热同时，未燃尽的还原性气体在炉膛区域补入三次风后完成进一步的燃尽。在空气预热器中二次风与烟气换热后温度可达300℃以上。脱硫塔与烟囱一体化设计，在脱硫塔中喷淋碱液脱除烟气中的SO2，达到国家排放标准。
2喷枪位置和测点选取
在SNCR系统中，反应温度窗口、炉内停留时间和烟气混合程度等因素对SNCR脱硝效果影响很大，这三个因素取决于喷枪位置，故喷枪位置的选择至关重要，直接决定了脱硝效果的优劣。根据锅炉运行监测数据及先前对该锅炉SNCR脱硝可行性的研究，确定炉膛喷枪位置如图1所示，该炉膛长4m，宽2.8m，高约9m，喷枪位置距炉膛顶部约4.2m，距炉膛温度测点2.9m。通过喷射孔进行温度测试，喷射区域炉膛温度范围可保持在800℃~950℃，满足SNCR脱硝反应要求温度窗口，同时喷射位置的选取也保证了在温度窗口下的停留时间。根据炉膛尺寸在炉膛单侧面布置3个喷枪，喷枪喷射面与烟气来流方向垂直，增强还原剂喷雾与烟气的混合程度。喷枪选用气液双流体喷枪、圆锥形雾化喷头，喷枪材质为310S不锈钢，具备较好的耐磨耐高温性能。烟气测点选在空预器出口，测试仪器为德国testo-340烟气分析仪；炉膛温度测点设置在炉膛上部，炉膛温度由测点热电偶监测并反馈到锅炉自动控制系统显示界面，烟气测点及炉膛温度测点位置见图1。
3SNCR脱硝系统模块
在工程应用中，相比于液氨和氨水，尿素在运输、存储及管理方面更加安全，根据实际需要，本项目还原剂选用尿素。SNCR脱硝系统主要由尿素溶液配制模块、尿素溶液储存模块、尿素溶液计量输送模块及尿素溶液喷射模块构成，各模块需要根据烟气参数合理设计，针对工况条件和介质特点，严格选择设备材料。SNCR脱硝系统工艺流程见图2。
3.1尿素溶液配制模块
尿素溶液配制模块由搅拌罐、搅拌机、冷软水管、热软水管、温度计、给液泵等构成，考虑到尿素溶液的腐蚀性，设备材料均选择304不锈钢材质。尿素原料选用市场销售的袋装尿素颗粒，尿素纯度大于99%。溶解水为经过除盐处理的软水，采用软水可较好的避免管道及喷枪处的结构堵塞现象。根据工程经验，尿素溶液浓度一般在10%~20%之间，考虑到冬季温度较低，为增大尿素溶解度和避免结晶，接入热软水管道，热软水温度保持在50℃左右。搅拌罐内壁面有刻度线，可准确控制软水量，在溶液配制过程中，通过搅拌罐上的温度表监测溶液温度。配制好的尿素溶液由给液泵打入尿素溶液储液桶中存放。
3.2尿素溶液储存模块
尿素溶液储存模块由储液桶和排污阀构成，用以存放配制好的尿素溶液以供给使用，储液桶和排污阀均为耐酸碱PE塑料材质。由于尿素溶液配制方便，可以做到及时配制和输送，因此储液桶不用选择过大。根据锅炉SNCR脱硝所需尿素溶液量，选择容积为2m3，桶内杂质或废液可通过排污阀排出。
3.3尿素溶液计量输送模块
尿素溶液计量输送模块由球阀、过滤器、输送泵、止回阀、压力表、流量计等构成，该模块可控制定量的尿素溶液加压输送到喷射模块，整个模块材料均为304不锈钢材质。根据计算所需尿素流量，输送泵选择立式多级离心泵，流量2m3/h，扬程67m，配备变频器调节流量。泵进口前安装了Y型过滤器，去除溶液中颗粒杂质，保护泵及后续管件。泵出口安装止回阀，防止停运过程中叶轮倒转。系统运行时，可通过调节变频器频率调节尿素溶液流量，尿素溶液压力和流量可通过压力表和转子流量计直接读出。
3.4尿素溶液喷射模块
尿素溶液喷射模块包括压缩空气和尿素溶液两部分管路，管道及部件选用304不锈钢材质，压缩空气和尿素溶液通过软管接入喷枪。压缩空气来自于厂用压缩空气站，压力约为0.6MPa，压缩空气分两路进入喷枪，一路走喷枪内管用以雾化尿素溶液，一路走喷枪外管用以冷却喷枪。为稳定喷射压力，在尿素溶液支路前设置了稳压罐，在压缩空气支路前设置了气缸。系统工作时，压缩空气与加压后的尿素溶液共同进入喷枪内管，混合后通过喷嘴雾化喷入炉膛。为方便管路调节，在各管路上均安装了球阀，雾化气路和液路安装了止回阀。
4SNCR脱硝试验及结果分析
试验期间所用煤种为蒙煤，煤质分析数据见表1。试验所用高效低NOx煤粉工业锅炉系统在精确控制时完全能够实现NOx初始排放值低于150mg/m³。因工业锅炉负荷变化大、司炉工操作不当等问题，供粉稳定性难以持续精准控制，锅炉运行过程中可能造成风煤比配合偏离最佳参数，导致NOx排放量有一定波动。因此，在低NOx燃烧的基础上，适当放宽了NOx初始排放浓度范围，在炉膛内部耦合SNCR脱硝技术，实现NOx低于50mg/m³的超低排放目标。
SNCR 脱硝效率计算如式（1）所示：
4.1不同氧含量下NOx浓度
根据生产需要，锅炉需保持长期较高负荷运行，测试工况选择80%负荷。在此负荷下，通过调节鼓风和引风量来调节燃烧区空气量供给，放宽NOx初始排放浓度范围。图3是不同锅炉出口氧含量下NOx初始值和炉膛温度变化情况。
由图3可知，在锅炉出口氧含量为3.8%时，NOx初始值低于150mg/m3，随着氧含量的增加，NOx浓度快速升高，炉膛温度也随之升高。煤粉在高效低NOx液排渣煤粉燃烧器中燃烧时，氧含量和温度对NOx生成影响显著，随着锅炉出口氧含量增加，燃烧器主燃烧区的氧含量增加，促进了煤中N元素和空气中N2与O2的接触，加快了NOx生成速度，同时氧含量的增加抑制了燃烧过程中还原性物质对NOx的还原反应；另一方面，氧含量的增加促使煤粉燃烧速度加快，燃烧强度增强，燃烧室内温度升高，在氧浓度增加和高温的双重作用下进一步加快了NOx生成速度，使NOx生成总量增加。
4.2不同尿素溶液喷射量下脱硝效果
选择锅炉负荷80%，锅炉出口氧含量4.35%，NOx初始值265mg/m3的工况，研究不同素溶液喷射量下SNCR脱硝效果。试验采用20%、15%、10%三种浓度的尿素溶液进行，试验期间喷射区炉膛温度在800℃~900℃，不同尿素溶液喷射量下SNCR脱硝效果见图4。
由图4a可知，随着尿素溶液喷射量由40L/h增至100L/h，NOx浓度由60mg/m3迅速降至10mg/m3，脱硝效率由77%增至96%；由图4b可知，随着尿素溶液喷射量由40L/h增至80L/h，NOx浓度由78mg/m3迅速降至10mg/m3，脱硝效率由71%增至96%；由图4c可知，随着尿素溶液喷射量由50L/h增至90L/h，NOx浓度由90mg/m3迅速降至20mg/m3，脱硝效率由66%增至92%。上述结果表明，随着尿素溶液喷射量的增加，NOx浓度迅速降低，脱硝效率迅速增大。
根据尿素溶液脱硝反应机理，主要反应方程式如下：
随着尿素溶液喷射量的增大氨氮比增大，喷入炉膛的尿素量增加，加快了尿素分解反应（2）的进行，生成的NH3浓度增大，从反应平衡的角度，提高NH3的浓度会使得反应（3）和（4）的平衡向右移动，NOx还原率增加；从反应动力学的角度，提高NH3的浓度会加快反应（3）和（4）的速度，从而获得很高的脱硝效率。但氨氮比过高，未反应的NH3存在于烟气中，必然会造成氨逃逸量过大，还会增大脱硝成本，为减少氨逃逸及节省成本，尿素溶液喷射量不宜过大。由图4可知，20%浓度、45L/h喷射量时，NOx浓度为40mg/m3，脱硝效率为85%，此时氨氮比为4.23；15%浓度、60L/h喷射量时，NOx浓度为35mg/m3，脱硝效率为87%，此时氨氮比为4.14；10%浓度、80L/h喷射量时，NOx浓度为30mg/m3，脱硝效率为89%，此时氨氮比为3.6；都能满足NOx低于50mg/m3的排放要求，且尿素溶液喷射量较为适宜。
4.3不同氧含量下脱硝效果
在80%锅炉负荷下对不同氧含量下的脱硝效果进行研究，试验过程中喷射区温度在850℃~950℃，图5为不同氧含量下SNCR脱硝效果。
由图5a可知，氧含量在4.74%以下，20%、15%、10%三种浓度尿素溶液喷射后，NOx浓度分别在44mg/m3、41mg/m3、39mg/m3以下，均低于50mg/m3的超低排放要求；氧含量大于4.74%后NOx浓度大于50mg/m3。图5b表明三种浓度尿素溶液喷射下的脱硝效率均在80%以上，且随着氧浓度的增加脱硝效率出现下降趋势。脱硝效率下降主要是因为随着氧含量的增加NOx初始值迅速增大。由图3可知，氧含量为4.74%时，NOx浓度高达305mg/m3，已经超过了运行过程中NOx浓度的波动上限。因此，在80%锅炉负荷运行时，三种浓度尿素溶液均能达到50mg/m3以下的脱硝效果。
不同氧含量下三种浓度尿素溶液脱硝效果表明，10%浓度、80L/h工况下NOx浓度最低、脱硝效率最高，15%浓度、60L/h工况下次之，20%浓度、45%L/h工况下效果最差。且氧含量为4.74%时，20%、80L/h，15%、60L/h，10%、80L/h三种浓度尿素溶液脱硝的氨氮比依次为3.65、3.59、3.22，10%、80L/h尿素溶液以最小的氨氮比获得了最佳脱硝效果。出现上述现象应是喷射量大所导致，随着尿素溶液浓度减小，尿素溶液喷射量增大，喷枪喷射压力增大，使雾化液滴颗粒更细，同时更高的喷射压力也给尿素溶液提供了更大的喷射动量，喷入炉膛后能更加快速、充分的与烟气混合，从而增大了还原剂与NO接触并反应的机率，脱硝效率提高。
在80%锅炉负荷试验工况下，尿素溶液的喷射会一定程度地造成炉膛烟气温度的下降，降低锅炉热效率，但80L/h尿素溶液喷射量对锅炉热效率的影响小于0.66%，60L/h、45L/h尿素溶液喷射量对锅炉热效率的影响会更小，SNCR脱硝不会影响锅炉的正常运行。
4.4不同锅炉负荷下NOx浓度
在工业生产中，需要根据生产需要调节锅炉负荷，图6表示不同锅炉负荷下NOx、CO和炉膛温度值。
由图6a可知，在不同锅炉负荷下，CO浓度均低于2000mg/m3，达到了很好的燃烧效果。图6b表明，随着锅炉负荷的增大，炉膛温度快速升高，NOx初始值随着锅炉负荷的增大明显升高。锅炉负荷在36%时，NOx浓度为164mg/m3，处于较低的排放水平，主要是因为，锅炉负荷低时煤粉耗量少，入炉燃料总氮相对较少，燃料型NOx生成量少；同时低负荷时燃烧器温度较低，很大程度上抑制了热力型NOx的生成。随着锅炉负荷增大，煤粉耗量增大，入炉燃料总氮量增加，燃料型NOx的生成量增大，且负荷增大时燃烧温度升高，很大程度上促进了热力型NOx的生成，因此NOx排放总量增大。
4.5不同锅炉负荷下脱硝效果
采用三种浓度尿素溶液对不同锅炉负荷下的脱硝效果进行研究，SNCR脱硝效果如图7所示。
由图7可知，三种浓度尿素溶液喷射下，不同锅炉负荷下的NOx排放浓度均低于50mg/m3，脱硝效率均大于80%，且随着锅炉负荷的降低，NOx浓度减小，脱硝效率增大。三种浓度尿素溶液脱硝效果对比发现，10%浓度、80L/h尿素溶液喷射下的NOx浓度最小，脱硝效率最大，变化趋势与前文讨论相同，尿素溶液喷射量的增大有利于增强脱硝效果。
5结论
（1）80%锅炉负荷下，随着尿素溶液喷射量的增大，NOx浓度减小，脱硝效率增大。20%浓度、45L/h喷射量时，NOx浓度为40mg/m3，脱硝效率为85%；15%浓度、60L/h喷射量时，NOx浓度为35mg/m3，脱硝效率为87%；10%浓度、80L/h喷射量时NOx浓度为30mg/m3，脱硝效率为89%；均可满足NOx低于50mg/m3的排放要求。
（2）80%锅炉负荷下，不同氧含量下SNCR脱硝均能达到超低排放要求，SNCR脱硝效率均在80%以上，且随着氧含量的增加脱硝效率出现下降趋势。10%浓度、80L/h工况下NOx浓度最低、脱硝效率最高，且氧含量为4.74%时，20%、45L/h，15%、60L/h，10%、80L/h三种浓度尿素溶液脱硝氨氮比依次为3.65、3.59、3.22，10%、80L/h尿素溶液以最小的氨氮比获得了最佳脱硝效果。提高尿素溶液喷射量可增强雾化效果，强化尿素溶液与烟气的混合程度，在最少尿素耗量下得到最大的脱硝效果。
（3）三种浓度尿素溶液喷射下，不同锅炉负荷下的NOx排放浓度均低于50mg/m3，脱硝效率均大于80%，且随着锅炉负荷的降低，NOx浓度减小，脱硝效率增大。
（4）提出的“低NOx燃烧+SNCR脱硝”耦合技术方案是可行的，在低NOx燃烧的基础上，不同试验工况下SNCR脱硝效率均可达到80%以上，完全能够达到烟气中NOx低于50mg/m3的超低排放要求。
