集中供热锅炉烟气脱硝技术的开发与应用

魏春旺，高洪瑞，张凤全，李 丹，侯蔚然，周 友

（北京市顺义大龙城乡建设开发总公司，北京 101300）

集中供热锅炉烟气脱硝技术的开发与应用

魏春旺，高洪瑞，张凤全，李 丹，侯蔚然，周 友

（北京市顺义大龙城乡建设开发总公司，北京 101300）

通过锅炉结构的改进、SCR工艺装置的优化、快速跟踪负荷变化的还原剂制备及控制调节技术的开发和应用等系统性的工作，有效满足了集中供热锅炉房烟气脱硝工程的技术要求，成功开发了集中供热锅炉烟气脱硝技术。在实际工程应用中，确保了在不同负荷段下，锅炉至SCR装置入口段的温度满足脱硝要求，SCR工艺装置能够在不同负荷下连续稳定运行并很好地跟踪负荷的变化，确保氨逃逸率满足设计要求，保证锅炉的安全稳定运行。

烟气脱硝;SCR;集中供热;锅炉

引言

集中供热是指以热水或蒸汽作为热媒，由一个或多个热源通过热网向城市、乡镇或其中某些区域热用户供应热能的方式。集中供热目前已成为现代化城镇的重要基础设施之一，是城镇公共事业的重要组成部分。采用集中供热锅炉房能够有效减少分散采暖的污染物排放，同时能够提高采暖热效率，降低采暖煤耗，是当前以及未来较长一段时间内，我国北方广大地区城镇居民冬季集中采暖供热的主要方式。我国北方地区采暖季一般为4个月左右，集中供热锅炉房锅炉运行受热负荷需求波动的影响较大，在采暖季初及采暖季末热负荷较低，因此锅炉负荷较低。同时具有昼夜及短时负荷变化大、各段炉温不稳定的特点。

随着我国固定污染源大气污染物减排力度的加大，集中供热锅炉房的NOx减排已提到议事日程，北京市出台的地方标准—《锅炉大气污染物排放标准》（DB11/139-2007）已将供暖工业锅炉的NOx排放要求与电厂锅炉排放标准一致，定为150mg/Nm3。在推进集中供热锅炉房烟气脱硝减排的过程中，主要采取将现有的用于大型燃煤电厂的选择性催化还原（SCR）脱硝成熟工艺移植到集中供热领域的方式，但在论证中发现，简单移植的SCR脱硝工艺对集中供热锅炉负荷频繁变化及炉温变化难以适应，原有SCR脱硝技术无法达到连续稳定运行的效果，因此直接移植到本项目是不可行的，导致该领域NOx减排工作推进缓慢。

本项目通过对锅炉结构的改进、SCR工艺装置的优化以及快速跟踪负荷变化的还原剂制备及控制调节技术的开发和应用等系统性的工作解决了以上问题，确保了在不同负荷段下，锅炉至SCR装置入口段的温度满足脱硝要求，SCR工艺装置能够在不同负荷下连续稳定运行并很好地跟踪负荷的变化，保证了氨逃逸率满足设计要求。

通过本项目的研究开发并最终在实际工程项目中的实施，能够较为有效地满足集中供热锅炉房烟气脱硝工程的技术要求，是本领域行之有效的技术方案，对推进集中供热锅炉房NOx减排工作具有重要的现实意义。同时也为中小型工业锅炉的NOx减排提供了一条可行的技术路线。

1 锅炉改造

为保证SCR系统入口烟温满足工况要求，通过改进锅炉结构和受热面布置方式，使得锅炉在较宽负荷范围波动时，SCR装置入口烟气温度均能够满足290℃～410℃高温催化剂的工作温度，使SCR装置处于能够连续投运的状态。

对锅炉结构进行了调整，以某64MW锅炉为例，经过重新进行热力计算和研究，确定以低负荷21MW为基准，确保在此之上的基本负荷段，SCR出口烟温在290℃～410℃之间，布袋除尘器入口烟温不低于90℃。此时脱硝入口烟温处于脱硝温度区间内。经过热力计算，在此温度范围内既保证了脱硝的运行，又保证了锅炉的设计能力和热效率。同时排烟温度确保布袋不会发生低温腐蚀。结构上的调整如图1所示。对对流管束进行了相应的调整，从炉后起，每侧拆除了膜式壁换热面的8块封板，改造成可调节的阀板，使低负荷时，高温烟气短路混入锅炉到脱硝设备入口的低温区，提升烟气温度。高负荷时，调整阀板使短路通道关闭，保证锅炉到脱硝设备入口的烟温稳定在脱硝工作范围。

图1 锅炉结构调整示意图

2 SCR工艺装置优化

2.1 SCR工艺技术原理

本项目基本工艺采用的选择性催化还原法（SCR）工艺，该工艺是目前应用最广、最有成效的烟气脱硝技术。SCR技术是在催化剂作用下，以NH3作为还原剂，将NOx还原成N2和H2O。NH3不和烟气中残余的O2反应，因此称这种方法为“选择性”。

SCR技术的基本原理如图2所示。

图2 SCR技术基本原理

选择适当的催化剂，上述反应可以在290℃～410℃的温度范围内有效进行。在NH3/NOx摩尔比为1的条件下，可以脱除烟气中80%～95%的NOx。

2.2 SCR工艺系统的物料平衡

对整个烟气脱硝过程工艺进行模拟研究，建立物料平衡、能量平衡、化学反应平衡的虚拟工程平台，并依托该平台，基于基本设计条件，对不同负荷及工况下的系统物料平衡状况、物料消耗情况等进行了计算，为设计优化提供了可靠的依据。计算条件、烟气计算结果和氨、尿素消耗计算结果如表1、表2、表3所示。

表1 计算条件

表2 烟气计算结果

表3 尿素消耗计算结果

2.3 SCR反应器及连接烟道流场优化与数值模拟

良好的NH3/NOx混合和速度均布是保证脱硝效率的前提，也是选用经济合适的催化剂体积的基础。为了达到低氨逃逸率（小于3ppm）及变负荷要求，分析各种负荷条件下速度及氨分布的变化情况也是极为重要的。通过对变负荷条件下流场的数值计算，可以进一步优化烟道及导流叶片布置，使得在任何工况下均能达到设定目标。

SCR装置通常置于锅炉之后，烟气温度较高，且SCR反应器同常见的过程设备相比有其自身的特点，如设备尺度大、烟道布置局限性大等，并对速度、NH3/NOx、温度及飞灰的负载分布提出了相当苛刻的要求，如通常要求第一层催化剂上表面的标准速度偏差小于10%，NH3/NOx摩尔比标准偏差小于5%，这对化工过程设备的放大设计而言，是个全新的挑战，传统的设计方法只能给出一些定性的分析结果，而实验研究亦因设备尺度的问题受到限制。同时，常规的冷态试验模型虽可以依据相似原理获取一定准则数相等条件下的烟气速度分布规律，但对NH3的扩散和分布以及喷氨格栅数量巨大的喷嘴与下游催化剂上方NH3的对应关系却无能为力。CFD工具的引入将有助于对SCR反应器及其连接烟道内流体流动、传热以及氨的扩散过程给出一系列的定性定量分析结果，为SCR反应器及其连接烟道的设计及工程调试积累宝贵的经验，同时结合现场测试结果，对数值计算结果进行验证和修正，建立SCR反应器及其连接烟道的设计理论和方法。主要计算内容包括：

（1）采用有限体积算法对SCR反应器及其连接烟道进行数值模拟，通过改进烟道形状、布置及加设导流叶片等措施，使得第一层催化剂上表面的速度标准偏差小于8%。

（2）通过数值计算，获取了喷氨格栅上每一位置的开孔喷出的氨的流动轨迹及迁徙规律，并对其进行了优化设计。通过调整开孔位置及大小，使得第一层催化剂上表面的NH3/NOx摩尔比标准偏差小于4%。

（3）对BMCR，75%及50%负荷等不同工况下的烟气速度分布及氨扩散规律进行分析，使其在任一工况下速度及NH3/NOx摩尔比标准偏差满足上述数值。

（4）对飞灰在SCR反应器及其连接烟道中的运动规律进行了分析，得出理论上可能发生积灰的部位，并通过声波吹灰、振打装置、加设灰斗等工程措施加以改进。

（5）对实际运行的烟气脱硝装置用网格法测得各层催化剂上表面的速度、NOx等参数的分布规律并对数值计算进行修正，同时将结果应用于系统的调试及运行优化。

通过设置并改进导流叶片的位置及形状，使得第一层催化剂上表面的速度偏差达到催化剂所要求的10%以下。图3给出了其中2种不同的导流叶片设计方案及其CFD计算结果。

图3 导流叶片设计优化

由于氨/空气混合气体的总量相对于烟气量而言相当微小，因而在上述满足速度分布条件的情况下，通过调整喷氨格栅各喷射孔的相对流量大小即可在一定条件下满足第一层催化剂上表面的NH3/NOx摩尔比标准偏差要求，通常情况下要求为5%以下。

3 尿素热解制氨技术及控制策略开发

本项目采用东南大学自主开发的尿素热解制氨工艺及核心装置尿素热解反应器。尿素热解制氨系统工艺流程：用脱盐水将颗粒尿素溶解成40%～50%质量浓度的尿素溶液，通过尿素溶解泵输送到尿素溶液储罐中存储；尿素溶液经尿素溶液循环泵、计量分配装置进入热解反应器内，与经稀释风机、电加热器输送过来的高温空气混合，尿素在温度高时不稳定，分解成NH3和HNCO（异氰酸）。HNCO与水反应生成NH3和CO2。该过程产生的还原剂氨与稀释空气混合均匀后通过喷氨格栅注射到烟气中，在催化剂作用下与烟气中的氮氧化物反应，生成对无危害的氮气和水。

热解工艺的主要反应如下：

尿素热解系统的控制：尿素喷射的控制基于机组负荷信号以及来自NOx分析仪或者CEMS系统的反馈。在热解反应器中的短时停留使SCR反应剂的生产可以快速跟踪负荷的变化，系统可以快速启动和关闭。

3.1 主要系统及设备

根据尿素热解制氨工艺的原理和流程，制氨区系统包括固体颗粒尿素的存储和卸料系统、尿素溶解和存储系统、尿素溶液给料系统、尿素溶液热解系统、自动控制系统、排放处理系统。

（1）固体颗粒尿素的存储和卸料系统

本项目设置斗提机，采用袋装尿素颗粒通过斗提机卸料入尿素溶解罐的方式，有效减轻了运行人员的劳动强度。

（2）尿素溶解和存储系统

通过斗提机卸料槽下部的插板阀向尿素溶解罐均匀地加料。溶解尿素所需的水源采用按比例补充的新鲜脱盐水或符合质量要求的溶解水。

设置一只尿素溶解罐，尿素采用袋装尿素。在溶解罐中，用脱盐水制成40%～50%的尿素溶液。当尿素溶液温度过低时，采用电加热系统启动使溶液的温度高于50℃。

设置一只尿素溶液储罐，用于存储尿素溶解罐内配置好的尿素溶液，尿素溶液储罐容积可满足多台SCR反应装置5～7天的尿素溶液用量。尿素溶液储罐的开口有人孔、尿素溶液进出口、液位计、温度计口和排放口。

（3）尿素溶液给料系统

配制好的尿素溶液输送至尿素溶液储罐，用尿素溶解循环泵（高压泵）输送给尿素热解反应器计量分配系统。

（4）尿素热解系统

尿素热解系统包括高流量和输送装置（HFD）、背压控制阀（PCV）、计量和分配装置（MDM）、热解反应器（DC）、稀释风机（AB）、稀释风电加热系统（EH）及控制系统等。整套系统应考虑夏天防晒、冬天防冻措施。

尿素溶液经由供应泵、计量与分配装置、雾化喷嘴等进入热解反应器，稀释空气经加热后也进入热解反应器。雾化后的尿素液滴在绝热分解室内分解，生成的分解产物为NH3、H2O和CO2。

1）高流量循环装置（HFD）

尿素溶液供料系统由一套高流量循环装置组成，该装置为反应装置供应尿素溶液，布置在尿素溶液储罐附近。每套流量传输装置包括2台全流量的多级SS离心泵，一用一备，内嵌双联式过滤器、设有用于远程控制和监测循环系统的压力、温度、流量以及浓度等仪表。

2）背压控制阀（PCV）

背压控制回路用于调节供料泵为计量装置供应尿素所需的稳定流量和压力，背压控制阀设置一套。

3）计量分配装置（MDM）

每台热解反应器配备一套计量分配装置。计量分配装置能够精确测量并独立控制输送到每个喷枪的尿素溶液。计量分配装置布置在热解反应器附近，计量装置用于控制通向分配装置的尿素流量的供给。该装置将响应锅炉DCS提供的喷氨信号并提供本地控制系统。分配模块通过独立尿素流量控制和区域压力控制阀门来控制通往多个喷枪的尿素和雾化空气的喷射速率。空气和尿素量通过这个装置来进行调节以得到适当的气液比并最终得到最佳的SCR反应要求。

4）热解反应器（DC）

热解反应器的相关设备包括：热解反应器、尿素喷枪组等。热解反应器布置在SCR附近。经过计量和分配装置的尿素溶液由喷枪喷入热解反应器，每台锅炉设置1台热解反应器。经过加热器的高温热风作为热解的热源，反应器内温度控制在400℃～650℃。

（5）氨气空气稀释混合系统

1）稀释风机（AB）

喷入反应器烟道的氨气为空气稀释后的含5%以下氨气的混合气体。所选择的风机满足脱除烟气中NOx最大值的要求，并留有一定的余量。稀释风机按两台100%容量（一用一备）设置，风机布置尽量靠近脱硝装置。稀释风加热后的管道及分解室后至喷氨格栅处的氨气输送管道采取严格保温措施。

2）稀释风电加热系统（EH）

为了节约能源，降低系统的运行费用，尿素热解系统可以直接采用锅炉的一次风（如果能提供）作为尿素热解反应的稀释风来源。由于稀释空气量仅为一次风量的0.5%左右，对锅炉影响微乎其微。如采用锅炉的一次风，可大幅度减少尿素热解的能耗。锅炉的一次风由稀释风机加压送至电加热器进行温度提升，达到尿素热解室的设计温度，并由加热器控制装置维持适当的尿素分解反应温度。

尿素热解装置系统流程如图4所示。

图4 尿素热解装置系统流程

3.2 控制系统

本项目为自主研制的尿素热解系统开发了配套的控制系统，实现了快速跟踪负荷变化的还原剂制备及控制调节技术：基于尿素热解还原剂制备工艺完成快速跟踪负荷变化的还原剂制备及控制调节技术的开发及应用，基于自适应控制+前馈反馈控制手段，使得还原剂生成制备及时跟踪锅炉热负荷变化及NOx入口浓度变化，使得在入口条件快速变化，而出口反馈相对滞后的基本条件下，SCR装置能够及时调整尿素加入量和喷氨量，从而确保脱硝效率稳定以及氨出口逃逸率满足标准要求。具体控制策略如下：

（1）进出口NOx含量应根据进口O2含量，折算为在6%O2下的数据。

（2）SCR烟气脱硝控制系统依据确定的NH3/NOx摩尔比来提供所需要的热解尿素溶液流量，进口NOx浓度和锅炉负荷（对应烟气流量）的乘积产生NOx流量信号，此信号乘上所需NH3/NOx摩尔比就是基本尿素溶液流量信号（前馈信号），所计算出的尿素溶液流量需求信号送到PLC控制器并和真实尿素溶液流量的信号相比较，所产生的误差信号经比例加积分动作处理送喷枪前的尿素溶液流量控制阀进行定位。通过此前馈过程保证控制系统能够快速跟踪锅炉的负荷变化或入口NOx浓度的变化。

（3）同时根据设计脱硝效率67%，依据入口NOx浓度和设计中要求的最大≤3.0ppm的氨逃逸率计算出修正的摩尔率（反馈信号）并输入在尿素溶液流量控制系统的程序上。SCR控制系统根据计算出的氨气流量需求信号去定位尿素溶液流量控制阀，实现对脱硝的自动控制。通过在不同负荷下对尿素溶液流量的调整，找到最佳的喷氨量。从而实现对尿素流量的精确控制，确保氨逃逸率满足设计要求，避免过量喷氨的情况。

4 典型工程应用

本项目技术在集中供热锅炉房领域的典型应用为北京市顺义城北供热中心3#锅炉SCR烟气脱硝工程。该项目已于2012年1月投产，2012年1月15日通过了72小时连续试运行，并通过了环保测试验收。随后投入正式连续运行。脱硝效率在负荷变化及入口NOx浓度变化下，保持稳定，效率维持在80%～90%，烟囱排放CEMS测试值始终满足排放标准的要求，NOx排放浓度低于100mg/Nm3（折算后），系统运行稳定可靠。

该工程72小时连续试运行及后续连续运行过程中的NOx脱除效率曲线、锅炉负荷曲线如图5所示；氨逃逸曲线如图6所示。

图5 负荷与效率曲线

图6 氨逃逸曲线

5 结语

集中供热锅炉房是具有我国特色的供热行业和领域，其锅炉运行具有昼夜及短时负荷变化大、各段炉温不稳定的特点，在推进集中供热锅炉房烟气脱硝减排的过程中，现有的脱硝工艺对负荷频繁变化、炉温变化难以适应，原有SCR脱硝技术无法达到连续稳定运行，直接移植到本工程领域是不可行的，导致NOx减排难以推进。本项目通过以下几个方面的开发和应用解决了以上问题：

（1）锅炉结构优化及改造：调整锅炉结构及燃烧过程，从而保证在负荷剧烈变化的情况下，炉温波动能够满足催化剂温度范围的要求；

（2）物料平衡与热量平衡研究：对整个烟气脱硝过程工艺进行模拟研究，建立物料平衡、能量平衡、化学反应平衡的虚拟工程平台；

（3）SCR脱硝装置优化设计：根据锅炉结构变化及SCR反应过程要求，基于三维数值模型，使SCR系统符合SCR工艺过程要求，并满足集中供热锅炉房整体布置要求；

（4）快速跟踪负荷变化的还原剂制备及控制调节技术的开发使得在入口条件快速变化，而出口反馈相对滞后的基本条件下，SCR装置能够及时调整尿素加入量和喷氨量，从而确保脱硝效率稳定以及氨出口逃逸率满足标准要求。

通过以上各方面的技术创新工作，确保了本项目SCR工程装置在锅炉热负荷变化及NOx入口浓度等入口条件快速变化的状态下，达到并保持高脱硝效率以及低氨逃逸率，具备对负荷和NOx浓度的快速跟踪能力。顺义城北供热中心3#炉（64MW）脱硝工程采用本项目技术设计建造，环保验收实测脱硝效率达到88.9%，氨逃逸率低于1ppm，并历经了连续运行考验，应用效果显著。

Development and Application in Flue Gas Denitration Technology of Concentrated Heat Supply Boiler

WEI Chun-wang, GAO Hong-rui, ZHANG Feng-quan, LI Dan, HOU Wei-ran, ZHOU You
(Beijing Shunyi Dalong Urban and Rural Construction Development General Co., Beijing 101300, China)

Through the improvement of boiler structure, optimization of SCR technology device, reducing agent preparation of fast track load variation, development and application on control and adjustment technology, the technical demand of flue gas denitration project in boiler house of concentrated heat supply is met effectively and flue gas denitration technology of concentrated heat supply boiler is developed successfully. In practical engineering application and at different load segment, the temperature is ensured at the entry segment from boiler to SCR device in order to meet the demand of denitration. Meanwhile the ammonia escape rate is ensured so as to meet the design requirement, and safety and steady operation of the boiler is assured.

flue gas denitration; SCR; concentrated heat supply; boiler

X701

A

1006-5377（2012）04-0043-06