【技术】大型循环流化床锅炉SNCR脱硝提效分析，小等

SNCR脱硝技术具有投资少、运行成本低、锅炉改运小等优势，在各类锅炉中得到应用。循环流化床锅炉的旋风分离器在烟气的滞留时间、还原剂混合等方面均优于其他炉型。本文以1150t/h超临界循环流化床锅炉为模型，探讨选择合适的还原剂，提高脱硝效率，使烟气中NOx排放达到国家新限值的要求。

1脱硝效率影响因素分析

还原剂种类、反应温度、反应时间、还原剂混合、氨氮比是影响循环流化床锅炉SNCR脱硝效率的重要因素。因此从这4个方面探讨对SNCR脱硝效率的影响。

SNCR脱硝系统的最佳反应条件是温度880～1100℃之间，反应时间大于0.4s。分离器区域烟气温度在850～950℃之间，区域内温度基本保持不变。经过实测和流场计算，烟气在分离器的平均滞留时间大于1s，超过最佳反应停留时间0.6s，具备充分反应的条件，因此循环流化床锅炉旋风分离器进口烟道是最合适的还原剂注射点。氨氮比与氨逃逸量是正比关系，即氨氮比增大时，脱硝效率提高，但氨逃逸量增大，并且脱硝效率的提高速率随氨氮比的增大而降低，因此提高氨氮比并不能从根本上解决SNCR脱硝效率偏低的问题。以下重点分析不同还原剂对脱硝效率及炉效的影响。

2SNCR脱硝还原剂分析

脱硝的还原剂均是含氮的物质，目前最为广泛的有液氨、氨水、尿素3种。

液氨，分子式NH3，易溶于水，爆炸极限为16%～25%，有毒，对人体有腐蚀性，应存储在专用库房，大量存放需要获得安监和消防部门许可。作为还原剂优点:以气体形式喷入，对炉后烟气流速和排烟温度影响最小，不会产生湿壁现象，对浇筑料无损伤;以液体的形式储存，占用体积小。缺点:有毒、可燃、可爆，存储和使用安全防护高，存储罐和输运管道需要特别处理。

氨水即氨的水溶液，分子式NH3˙H2O，容易挥发逸出，有一定的毒性。其腐蚀性较强，储运、使用时有一定的操作安全要求，工业用氨水通常为20%或25%浓度。作为还原剂优点:储存、输送和处理都比液氨简单;喷射刚性、穿透能力比氨气强。缺点:含有大量的稀释水，储运量和输送系统比氨系统庞大。氨水还原NO的化学原理与液氨相同。

尿素，分子式(NH4)2CO，吸湿性强，含氮量在46%以上，常压下熔点为132.6℃，超过熔点则分解。作为还原剂优点:无毒性，腐蚀性弱，储运方便，使用简单，不会燃烧和爆炸;溶液的挥发性比氨水小，穿透性好;合适温度范围是950～1150℃，适于煤粉锅炉脱硝系统使用。缺点:尿素水解的中间产物尿素—甲铵溶液具有很强的腐蚀性，对大多数金属有强烈腐蚀作用;脱硝反应温度窗口(脱硝适合的反应区温度)比氨水高50～100℃。

3还原剂对SNCR脱硝效率的影响

以氨为还原剂的反应表达式如下:

在有氧的条件下4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O在无氧(或者缺氧)的条件下8NH3+6NO2→7N2+12H2O该反应没有产生副产物，对氧气量的需求较大，循环流化床锅炉出口的过量空气系数为1.2左右，可以满足该反应条件要求。以尿素为还原剂的反应如下:(NH4)2C0→2NH2+CONH2+NO→N2+H2OCO+NO→N2+CO2此反应存在CO和氨的排放控制问题。不同还原剂对应不同温度窗口，SNCR脱硝效率对反应温度非常敏感，当反应偏离温度窗口，反应速度慢，还原剂的逃逸量增加，降低脱硝效率。国外试验表明，温度区间位于800～950℃之间时，选用液氨或氨水脱硝效率要高于尿素;1000℃以上是尿素的温度窗口，此时尿素的脱硝效率高于氨，如图1所示。

图1不同温度下氨和尿素的脱硝效率

循环流化床锅炉旋风分离器进口烟道的烟气温度在800～950℃之间，氨(氨水)作为还原剂，理论脱硝效率可以达到85%。尿素溶液含水量大，通常经历液滴蒸发、破碎、高温热解生成氨气，完成还原反应过程，这些过程增加反应周期，缩短有效反应时间。氨水含水量也大，系统喷射的液滴经过蒸发释放氨和还原反应过程。氨系统直接向分离器喷射稀释后的氨气，气态的氨直接参加还原反应。

从反应过程看，流化床锅炉运行条件下，液氨系统有效反应时间最短，氨水系统次之，尿素系统最差。

SNCR脱硝技术具有投资少、运行成本低、锅炉改运小等优势，在各类锅炉中得到应用。循环流化床锅炉的旋风分离器在烟气的滞留时间、还原剂混合等方面均优于其他炉型。本文以1150t/h超临界循环流化床锅炉为模型，探讨选择合适的还原剂，提高脱硝效率，使烟气中NOx排放达到国家新限值的要求。

1脱硝效率影响因素分析

还原剂种类、反应温度、反应时间、还原剂混合、氨氮比是影响循环流化床锅炉SNCR脱硝效率的重要因素。因此从这4个方面探讨对SNCR脱硝效率的影响。

SNCR脱硝系统的最佳反应条件是温度880～1100℃之间，反应时间大于0.4s。分离器区域烟气温度在850～950℃之间，区域内温度基本保持不变。经过实测和流场计算，烟气在分离器的平均滞留时间大于1s，超过最佳反应停留时间0.6s，具备充分反应的条件，因此循环流化床锅炉旋风分离器进口烟道是最合适的还原剂注射点。氨氮比与氨逃逸量是正比关系，即氨氮比增大时，脱硝效率提高，但氨逃逸量增大，并且脱硝效率的提高速率随氨氮比的增大而降低，因此提高氨氮比并不能从根本上解决SNCR脱硝效率偏低的问题。以下重点分析不同还原剂对脱硝效率及炉效的影响。

2SNCR脱硝还原剂分析

脱硝的还原剂均是含氮的物质，目前最为广泛的有液氨、氨水、尿素3种。

液氨，分子式NH3，易溶于水，爆炸极限为16%～25%，有毒，对人体有腐蚀性，应存储在专用库房，大量存放需要获得安监和消防部门许可。作为还原剂优点:以气体形式喷入，对炉后烟气流速和排烟温度影响最小，不会产生湿壁现象，对浇筑料无损伤;以液体的形式储存，占用体积小。缺点:有毒、可燃、可爆，存储和使用安全防护高，存储罐和输运管道需要特别处理。

氨水即氨的水溶液，分子式NH3˙H2O，容易挥发逸出，有一定的毒性。其腐蚀性较强，储运、使用时有一定的操作安全要求，工业用氨水通常为20%或25%浓度。作为还原剂优点:储存、输送和处理都比液氨简单;喷射刚性、穿透能力比氨气强。缺点:含有大量的稀释水，储运量和输送系统比氨系统庞大。氨水还原NO的化学原理与液氨相同。

尿素，分子式(NH4)2CO，吸湿性强，含氮量在46%以上，常压下熔点为132.6℃，超过熔点则分解。作为还原剂优点:无毒性，腐蚀性弱，储运方便，使用简单，不会燃烧和爆炸;溶液的挥发性比氨水小，穿透性好;合适温度范围是950～1150℃，适于煤粉锅炉脱硝系统使用。缺点:尿素水解的中间产物尿素—甲铵溶液具有很强的腐蚀性，对大多数金属有强烈腐蚀作用;脱硝反应温度窗口(脱硝适合的反应区温度)比氨水高50～100℃。

3还原剂对SNCR脱硝效率的影响

以氨为还原剂的反应表达式如下:

在有氧的条件下4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O在无氧(或者缺氧)的条件下8NH3+6NO2→7N2+12H2O该反应没有产生副产物，对氧气量的需求较大，循环流化床锅炉出口的过量空气系数为1.2左右，可以满足该反应条件要求。以尿素为还原剂的反应如下:(NH4)2C0→2NH2+CONH2+NO→N2+H2OCO+NO→N2+CO2此反应存在CO和氨的排放控制问题。不同还原剂对应不同温度窗口，SNCR脱硝效率对反应温度非常敏感，当反应偏离温度窗口，反应速度慢，还原剂的逃逸量增加，降低脱硝效率。国外试验表明，温度区间位于800～950℃之间时，选用液氨或氨水脱硝效率要高于尿素;1000℃以上是尿素的温度窗口，此时尿素的脱硝效率高于氨，如图1所示。

图1不同温度下氨和尿素的脱硝效率

循环流化床锅炉旋风分离器进口烟道的烟气温度在800～950℃之间，氨(氨水)作为还原剂，理论脱硝效率可以达到85%。尿素溶液含水量大，通常经历液滴蒸发、破碎、高温热解生成氨气，完成还原反应过程，这些过程增加反应周期，缩短有效反应时间。氨水含水量也大，系统喷射的液滴经过蒸发释放氨和还原反应过程。氨系统直接向分离器喷射稀释后的氨气，气态的氨直接参加还原反应。

从反应过程看，流化床锅炉运行条件下，液氨系统有效反应时间最短，氨水系统次之，尿素系统最差。

4还原剂对燃烧效率的影响

1)氨逃逸。因参与反应的过程不同，相同“N”量喷入的情况下，氨逃逸量依次是尿素系统、氨水系统、液氨系统。液氨作为还原剂，在获得较高脱硝效率的前提下，对后续锅炉设备的影响最小，降低尾部受热面的飞灰沉积堵塞及腐蚀几率。

2)排烟温度的影响。采用液氨作为还原剂的工艺，还原剂NH3由氨供应系统提供至反应区域的混合器中，与稀释空气混合并被稀释至安全浓度(5%体积浓度以下)后，通过氨注射管道喷入旋风分离器的入口烟道中。还原剂NH3喷入炉膛后，就直接选择性地脱除了烟气中的NOx。经计算，喷入氨空气混合气体约为5000m3/h，占锅炉总烟气量的0.4%，对锅炉排烟温度的影响可以忽略不计。

采用氨水方案，氨水雾化后，进入炉膛后被迅速加热形成氨气，与烟气中的NOx发生反应。SNCR脱硝向炉内喷入浓度约为20%左右的氨水溶液，在100%BMCR时喷入溶液量约为3.5t/h。经锅炉性能计算，排烟温度温升约为0.8℃。

采用尿素方案与此相似，喷入锅炉的尿素溶液浓度为10%左右，在100%BMCR时喷入溶液量约为5t/h。经过锅炉性能计算，排烟温度温升约为1.1℃。

3)对锅炉效率的影响。采用液氨方案是向烟气喷入氨空气混合气体，考虑干空气的焓增和喷入空气中水分的蒸发吸热，锅炉排烟热损失q2有所增加，但增加的量非常小。经过计算，对锅炉效率的影响仅有0.02%。采用氨水或者尿素作为还原剂，q2损失随之增加0.2%左右。

5还原剂对投资和运营的影响

CFB锅炉在采用液氨系统、氨水系统、尿素系统时，其初投资成本以及运行费用不同，其中运行费用主要为还原剂费用、电耗以及水耗。

在脱硝剂的成本中，运输成本占到了很大一部分。氨水的消耗量最大，但其中有效的部分只有五分之一，其余都是水，带来了额外的运输和储存、运行成本。

尿素是3种还原剂中最为昂贵的一种。虽然尿素的售价低于液氨，但其分子中包括CO等无效组分，在达到相同脱硝要求的情况下，其消耗量远大于液氨耗量，而且需要耗能打开化学键才能生成NH3。

液氨制氨工艺简单，其系统初投资少，运行费用低。但储存超过一定限值时，构成重大危险源。因此，在系统设计、施工和运行等方面必须遵循各种安全规范要求。

3种方案初投资成本比较见表1，运用费用比较见表2。

3种还原剂在SNCR脱硝方面的电耗费用基本相同，水耗费用方面尿素还原剂比液氨、氨水还原剂多15万元左右。

通过综合比较，选择液氨(氨水)作为还原剂比尿素还原剂节约1249万元。

6结论

由于循环流化床锅炉特殊的结构形式，分离器自然条件满足SNCR脱硝反应所需的温度、时间及混合要求。提高氨氮比可以保证较高的脱硝效率，但并不能大幅度提高脱硝效率。因此，通过反应温度、反应时间、氨氮比已经无法提高循环流化床锅炉脱硝效率。

采用液氨作为脱硝还原剂，不影响锅炉效率，炉后设备影响小，工程投入少，运行费用低，最重要的是适合的温度窗口使脱硝效率可达80%，满足国家新的排放限值要求。在当地政府许可下宜选用液氨作为还原剂，其次推荐氨水。