SNCR脱硝系统

发布时间:2019-07-21浏览次数:11

简介:随着国家环保要求的日益提高,燃煤电厂烟气脱硝排放已提到各级部门的议事日程。对于 NOx 排放则可以根据 NOx 产生的过程,采用燃烧优化调整与燃烧后处理技术相结合的方式。SNCR是一种无需催化剂的脱硝方式,是 Selective Non-Catalytic Reduction 的缩写,其直译为“选择性非催化还原反应”。由于不需要催化剂,为得到较强的化学反应活性,SNCR 技术需在较高的炉膛温度(900-1150℃)下,用氨或尿素等氨基还原剂来选择性地还原烟气中的 NOx。一般来说,大型锅炉由于受到炉膛尺寸的影响,还原剂在炉膛内较难均匀混合,SNCR 的脱硝效率将低于 40%,而需要催化剂的SNCR 的脱硝效率可达到 80% 以上。由于 SNCR脱硝技术投资成本较低、改造方便,适宜协同应用其他脱硝技术,因而在燃煤电厂,尤其是老厂脱硝改造上还是取得了广泛的应用。 

1 SNCR脱硝的主要化学反应

  因为在锅炉燃烧的烟气中氮氧化物包含了 NO 和NO2,而 NO 占到烟气中 NOx 的 90% 以上。所以脱硝过程以去除 NO 为主。鉴于我集团改造以尿素为还原剂,所以这里仅列出以尿素为还原剂与 NO 在 SNCR 下的反应过程。其化学反应方程式为:

  CO(NH2)2→2NH2+CO

  NH2+NO→N2+H2O

  CO+NO→N2 +CO2

  总的反应式为: NO+CO(NH2)2+2O2→2N2+CO2+2H2O (1)

  从以上反应方程式可以看出,在适当的炉膛温度下 NOx 与还原剂(尿素)反应,生成无害的氮气、二氧化碳和水。但在方程式(2) 中可以看出,在温度过高的情况下尿素本身也会被氧化成 NOx,反而会增加NOx 的排放。

  4NH3+5O2— 4NO+ 6H2O (2)

  所以在 SNCR 的技术中,温度是至关重要的参数。

  以下我们就介绍以尿素为还原剂的SNCR脱硝技术在锅炉的应用中SNCR 的几个性能参数

  1.1 温度窗口

  温度窗口就是脱硝反应的最佳炉膛温度区间。若反应温度过低,还原剂与 NOx 没有足够的活化能使脱硝反应快速进行,导致脱硝效率降低。但温度过高,尿素本身也会被氧化成 NOx ,从而增加 NOx 的排放、脱硝效率下降。可以预见,脱硝效率与反应温度的关系曲线试为一条开口向下的抛物线,抛物线顶点左右两侧的区间即是温度窗口。以尿素为还原剂的SNCR,温度窗口在 900-1150℃。机组不同的负荷对应于锅炉的炉膛温度分布也不相同,所以用于向炉膛中喷入还原剂的喷射器也是分若干层布置的,以适应不同锅炉负荷。一般来说,SNCR 温度窗口大体对应于锅炉燃烧器上部至折焰角之间的区域。

  1.2 停留时间

  在还原剂离开温度窗口前 SNCR 的整个反应过程必须完成,这样才能达到理想的脱硝效果。这些过程包括:

  (1)从喷射器中射出的尿素溶液与烟气混合

  (2)尿素溶液中水的蒸发

  (3)尿素中分解出 NH3

  (4)NH3 再分解为 NH2 以及自由基

  (5)NOx 与 NH2 的反应

  所以说,延长还原剂在温度窗口下的停留时间脱硝反应就会更加充分。若想获得理想的脱硝效率,还原剂的停留时间至少需要 0.5 秒。该参数与锅炉结构有较大的关系。

  1.3 氨逃逸率

  由于 SNCR 工艺中没有催化剂,不会增加烟气中 SO3 的浓度,在相同的逃逸氨浓度时,SNCR 工艺对由于烟气中 NH3 遇到SO3 会产生 NH4HSO4 而造成的锅炉尾部受热面上飞灰沉积、空气预热器堵塞、腐蚀的危险性最小。一般 SNCR 工艺的逃逸氨一般控制在 5-10pmm。有资料显示当飞灰中 NH3 含量超过 5ppm(质量比)就会闻到氨气的味道,从而影响飞灰的综合利用。

  2. 山东新龙集团热电公司 SNCR 脱硝装置简介

  某集团有限公司现有170t/h煤粉炉两台,220t/h煤粉炉两台。根据脱硝改造要求,分别对四台炉进行了低氮燃烧改造,并对两台220t/h煤粉炉进行了低氮燃烧+乏气送粉改造,由烧贫煤改造为烧烟煤,进一步降低氮氧化物的产生。实际证明,低 NOx 燃烧器与 SNCR 技术相结合,基本满足了现行的排放要求。在SNCR改造中,为便于现场设备的安装,制造商采用模块化的供货方式。每个模块在脱硝流程中都具备一定的功能。具体如下:

  2.1 循环模块

  循环模块的作用将储存罐中 50% 浓度的尿素溶液输送至锅炉上部平台的分配模块并在尿素溶液储罐和计量模块之间循环,以保证反应剂的持续供应并保持尿素溶液维持一定的温度。

  2.2 墙式喷射器与多喷嘴喷射器

  由于尿素溶液存在一定的腐蚀性,尿素溶液喷入炉膛的喷射器全部用 316L 不锈钢制造。墙式喷射器分布在锅炉前墙、燃烧器的上方,其外形类似于锅炉短式吹灰器,多个喷射器成为组。可以想象,仅凭前墙墙式喷射器无法使还原剂在炉膛内均匀混合。这样就不能得到高的脱硝效率。所以必须增加多喷嘴喷射器。多喷嘴喷射器分布在锅炉两侧墙,其外形类似于锅炉伸缩式吹灰器。为保证还原剂在整个锅炉宽度方向对 NOx 进行有效拦截,多喷嘴喷射器设若干对喷嘴,喷嘴数量视炉膛内管屏间距而定。通过雾化空气,形成雾化颗粒状的尿素被送入锅炉烟气中。由于多喷嘴喷射器在炉膛中的工作温度较高,所以在喷射器内部通有除盐水作为多喷嘴喷射器冷却水。多喷嘴枪喷射器配带减速箱的电动伸缩机构,当喷射器不使用、喷射器套管冷却水流量不足、冷却水温度高或雾化空气流量不足时,多喷嘴枪喷射器会自动从锅炉中退出。

  2.3 计量站模块

  喷射区计量模块是脱硝控制的核心装置,用于精确计量和独立控制到锅炉内每个喷射区的尿素溶液浓度。该模块采用独立的化学剂流量控制,通过区域压力控制阀与就地 PLC 控制器的结合并响应来自于机组燃烧控制系统、NOx 和氧监视器的控制信号,自动调节反应剂流量,对 NOx 浓度、锅炉负荷、燃料或燃烧方式的变化做出响应,打开或关闭喷射区或控制其质量流量。

  2.4 分配模块

  分配模块用来控制到每个喷枪的雾化/冷却空气、混合的化学剂和冷却水的流量。空气、混合的化学剂可以在该模块上调节,达到适当的空气/液体质量比率,取得最佳的 NOx 还原效果。

  3.选择 SNCR 工艺需注意的问题

  3.1目前国内没有现成的 50% 尿素溶液采购,所以我们集团需从化肥厂买来袋装尿素自行配制成尿素溶液。由于尿素的溶解过程是吸热反应,其溶解热高达 -57.8cal/g(负号代表吸热)。也就是说,当 1克尿素溶解于 1 克水中,仅尿素溶解,水温就会下降57.8℃。而 50% 的尿素溶液的结晶温度是 16.7℃。所以,在尿素溶液配制过程中需配置功率强大的热源,以防尿素溶解后的再结晶。在北方寒冷地区的气象条件下,该问题将会暴露的更明显。

  3.2在整个脱硝工艺中,尿素溶液总是处于被加热状态。若尿素的溶解水和稀释水的硬度过高,在加热过程中水中的钙、镁离子析出会造成脱硝系统的管路结垢、堵塞。因此,必须在尿素中添加阻垢剂或采用除盐水作为脱硝工艺水。

3.3由于多喷嘴喷射器工作在炉膛内部高温区,为防止喷射器冷却水管路内部结垢。需采用除盐水作为多喷嘴喷射器冷却水。一般来说,除盐水来自凝汽器。凝水泵送并经减压后进入多喷嘴喷射器,与多喷嘴喷射器换热、减压后再返回凝汽器。单个多喷嘴喷射器所需冷却水在 10-15 吨之间。所以,在老机组改造中必须考虑是否有除盐水的富裕量。

  3.4在 SNCR 脱硝工艺中,压缩空气的耗量也是较大的。喷射雾化需要压缩空气,设备的冷却需要压缩空气,管路吹扫也需要压缩空气。这一系列压缩空气的需用必须考虑压缩空气量的余量,当然也可以根据使用厂用蒸汽代替压缩空气,但也需要考虑厂用气的富裕量。

  3.5在锅炉长时间投用SNCR后因为使用尿素做为还原剂,尿素反应大量氨析出,易造成锅炉飞灰及炉渣氨气味较重,在锅炉灰销售方面应注意。

  4.锅炉应用SNCR后运行中出现的问题及预防

  4.1腐蚀机理的探讨

  在SNCR 喷射系统中,喷枪设计采用的是高压泵输送尿素溶液和稀释水,用压缩空气作为雾化介质。喷头采用螺纹连接,在运行过程中,发现喷枪压缩空气堵塞,喷枪不雾化并且喷射距离较远,冲刷腐蚀水冷壁,三号炉SNCR投运后,发现厂家给配备的喷枪较短,喷出的尿素溶液正好喷到水冷壁上腐蚀水冷壁。

  由于在SNCR 投运前,锅炉水冷壁没有发生过类似状态的腐蚀,所以推断喷孔周围水冷壁管的腐蚀跟滴落的尿素溶液有关。根据尿素行业的经验,尿素溶液在一定条件下具有较强的腐蚀性。SNCR 喷孔周围的炉灰、烟气、空气以及水蒸汽、渗漏的水滴等与尿素作用,产生了一系列化学反应。按照腐蚀过程的机理,可以把这种腐蚀分成两类:化学腐蚀和电化学腐蚀。化学腐蚀是没有电流产生的腐蚀过程;电化学腐蚀是有电流产生的腐蚀过程。但是,有时很难区分,从SNCR 水冷壁的腐蚀情况来看,两种腐蚀都存在,但是以电化学腐蚀为主。

  腐蚀机理:电化学腐蚀是由于金属与作为导电体的电解质互相作用, 引起电流自金属的一部分流向另一部分,而发生金属的破坏。锅炉水冷壁管(20G)与喷枪滴落的尿素溶液相接触(尿素溶液是一种电解质并具有极性),在水的极性分子的吸引下,钢材表面的一部分铁原子,开始移入溶液中而形成带正电荷的铁离子, 而钢材上保留多余的电子,并带有负电荷。如果铁离子不断地进入滴落的尿素溶液中,水冷壁管就会逐渐出现坑洞,造成腐蚀破坏。然而,正常情况下,在一段时间后钢材表面会出现双电层的现象。由于钢材表面带负电荷, 钢材上的负电荷吸引尿素液中带正电荷的铁离子,使钢材表面形成双电层。这时可阻碍铁离子进一步溶解腐蚀, 有利于防止腐蚀的进一步发生。但是,由于尿素溶液不断地滴落蒸发(且尿素溶液中溶解了其他可以溶解铁离子的阴离子),不断地从阴极吸引电子, 从而使阳极不断有电子向阴极移动, 而阳极上的铁离子也就不断移入液滴中,腐蚀不断加剧,产生了去极化现象。

  4.2锅炉自投用SNCR脱硝改造以来,锅炉水冷壁频繁出现爆管。多方面验证分析,系尿素溶液雾化不好滴流到锅炉水冷壁或尿素压力高尿素溶液直接喷射到对面水冷壁所致,经资料查询尿素溶液分解产生NH3和烟气中的CO2在高温环境下生成氰酸氨,此物质的生成对金属表面的钝化膜能产生活化腐蚀,使金属机械强度完全丧失,在应力的作用下,金属会突然产生脆性爆破。

  那么分析引起尿素喷枪雾化不好的原因主要有:一是喷枪压缩空气(蒸汽)不稳忽高忽低或者堵塞,二是尿素压力不稳或堵塞。前者易造成锅炉水冷壁严重的爆破事故,后者易造成慢性的水冷壁泄漏事故。

  4.3针对此问题的存在与改造厂家及时沟通确定改造方案:一是加长喷枪并将喷枪角度下倾5度防止喷枪雾化不好尿素溶液滴至水冷壁上;二是喷枪应每天检查雾化情况,对喷枪不雾化、雾化不良的及时疏通或更换,同时喷枪投入时应先开气管再开水管,喷枪退出时先关水管呆一段时间再关气管,保证溶液不漏流;三是.在喷孔下部水冷壁弯管部位加装不锈钢护板,外部敷耐火所料,防止起停系统时候的漏流与水冷壁管直接接触;四是严格控制溶液和压缩风的压力,保证雾化良好、射程远与烟气充分混合,达到良好的使用效果,在停炉后要做喷枪雾化试验,以保证喷枪达到良好的雾化效果;五是根据氨逃逸数据控制合适的尿素用量,不能盲目过量使用,造成受热面腐蚀及尾部烟道的堵塞。

  5. 总结和建议

  SNCR脱硝技术占地面积小、对锅炉改造的工作量少、施工安装周期短、节省投资,较适合于老厂改造。尿素颗粒或尿素溶液在运输和储存的安全性远远高于液氨,以尿素作为还原剂的 SNCR 技术对于场地受限的电厂的脱硝改造将有一定优势。由于 SNCR 脱硝效率较低,SNCR 可以协同低NOx 燃烧器改造或简易 SNCR 等其他脱硝方式,在优化投资成本的前提下以期获得满意的脱硝效率。建议在脱硝改造前的项目可行性研究中,应对电厂的工业水源、电源、汽源、气源、除盐水量及其输送能力的备用情况进行详细的调查,从而找到适合本厂的最优 SNCR 脱硝方案。同时结合SNCR尿素溶液易腐蚀等特性,早日做好防范措施,以免日后造成不必要的损失。


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