电站燃煤锅炉产生的NOx是我国NOx排放的主要来源之一,降低燃煤锅炉的NOx排放是十分紧迫的环保任务。目前,燃煤锅炉基于尿素作还原剂的烟气脱硝技术主要是选择性催化还原法(Selective Catalytic Reduction, SCR)、选择性非催化还原法(Selective Non-Catalytic Reduction, SNCR)和SNCR/SCR联合脱硝三种工艺。SNCR/SCR联合脱硝是耦合了SNCR, SCR和烟道内尿素热解的一种改进型工艺,不仅利用炉膛SNCR反应降低了SCR反应器入口NOx浓度,还可省掉高耗能的尿素热解装置和喷氨系统等设备,特别适合原烟气中NOx浓度不高、现场位置受限、不能采用液氨作还原剂的电站锅炉机组。本文以某燃煤电站300MW机组SNCR/SCR联合脱硝系统作为研究对象,通过冷态混合试验、数值模拟计算和热态试验等途径,先后对炉膛SNCR反应后的锅炉尾部烟道和SCR反应器内的多相流动特性和均匀混合方法展开了研究工作,获得了SNCR/SCR联合脱硝系统的关键技术工艺和参数,并据此设计和实施了300MW机组SNCR/SCR联合脱硝装置,为工业应用提供了重要理论依据和实践经验。鉴于SNCR/SCR联合脱硝需要将尿素溶液喷入炉膛和尾部烟道进行热解反应,本文对尿素溶液液滴在热烟气流中的热分解过程进行数值模拟和热态试验。研究结果表明,尿素溶液液滴在高温热烟气中的热分解存在一个有效温度窗口(450-730K)。当温度在低限以下时,尿素热分解率很低；温度超过低限时,尿素分解率迅速上升；当温度达到高限时,HNCO+NH3的转化率接近98%,其中NH3的占比达85%左右。随着烟气温度的升高,尿素热分解率在一定的温度范围维持不变,当温度接近1100K时,尿素的有效分解率迅速下降,并伴有少量的NO和N2O的生成,且其浓度值随着温度的升高而增加,由此得到SNCR/SCR联合脱硝系统补氨喷射位置(转向室烟道内尿素热解区域)的合理依据。烟气中尿素热分解产物HNCO未完全转化为NH3,为观察脱硝催化剂对HNCO的催化水解效果,在尿素热解炉出口建立了催化反应模块试验装置,对催化反应模块进出口的NH3和HNCO成分进行测试,发现脱硝催化剂能促使HNCO在较低的温度区间迅速与水汽反应生成NH3,且温度越高,HNCO的转化率也越高,当温度接近300℃时,HNCO的转化率接近95%左右,验证了SCR反应器入口烟气温度(一般在300-420℃)符合HNCO水解转化反应条件。为综合研究影响SNCR/SCR联合脱硝系统内气固两相流动和均匀混合的各个因素,搭建了可以进行SNCR喷枪喷射、补氨喷枪喷射、飞灰流动沉积以及烟气导流混合的冷态试验台。还原剂以CO气体代替,系统通道内处于自模化流动状态,冷态试验表明：由炉膛SNCR喷枪喷入的还原剂,在锅炉省煤器出口和反应器内呈现大浓度梯度的L型非均匀分布特性；转向室区域补氨喷枪位置越靠近转向角,越能促进还原剂的均匀分布,但改善效果有限,据此提出了一种特殊的复合X型混合器,能够使烟气组分在狭长空间长距离迁移与分区强混,保证SCR反应器内首层催化剂入口截面获得良好的氨氮浓度分布均匀性。基于来自炉膛的高含尘烟气,在省煤器出口引出后连续经历多个90°弯头,且会遇到烟道空间尺寸的急剧变化,经烟道弯头设置弧形导流板,反应器首层催化剂入口截面的烟气流速和飞灰浓度标准偏差系数仍偏大,设计了适用于斜坡顶SCR反应器气固相浓度场均布优化的近贴顶棚壁面多排列长杆形整流构件,不仅大大降低了固相流场的不均匀性,而且进一步改善了气相流场。在获得尿素溶液热分解特性和还原剂混合优化方法基础上,建立了一个300MW机组的SNCR/SCR联合脱硝系统全尺寸三维数值模型。掌握了锅炉各区域的流场、温度场和NOx浓度场的变化规律,据此提出了在锅炉转向室侧墙直接喷射尿素溶液代替常规的尿素热解反应器；通过优化补氨喷枪喷入位置、喷射速度、各点喷入量大小等控制条件,以及与前部SNCR添加尿素还原剂的匹配耦合,解决了单独SNCR反应后的氨逃逸浓度波动引起的脱硝运行不稳定和SCR反应器出口局部区域NH3逃逸浓度过量的问题。研究表明：锅炉300MW满负荷时,雾化液滴平均粒径0.4mm,液滴初始速度为30m/s,SNCR脱硝效果较好；氨氮摩尔比与SNCR脱硝率呈非线性关系,且当氨氮摩尔比大于1.2后,对SNCR效率影响不明显；SNCR反应后的逃逸NH3在尾部烟道和反应器内的分布规律与冷态试验吻合,更进一步改善提高流场均匀性,获得了复合X型混合器和反应器顶棚长杆形整流构件的结构优化设计参数,有效改善催化剂入口速度分布、NH3浓度分布和飞灰颗粒浓度分布的均匀性。最后进行了燃煤锅炉300MW机组SNCR/SCR联合脱硝系统成套技术的集成设计与开发,包括烟气系统、尿素站系统、计量分配模块、SNCR喷枪模块、补氨喷枪模块、烟道及反应器系统内的导流板、复合X型混合器、整流杆等。进行了相关热态试验研究。试验发现：对于单独SNCR系统,氨氮摩尔比为1.12的情况下能获得33%以上的SNCR效率,氨逃逸浓度为25ppm,喷射层温度、液滴粒径、喷射速度等均影响SNCR效率,通过在锅炉转向室侧墙补氨喷枪补氨,SCR反应器入口烟道安装特殊复合X型混合器,反应器顶棚增设多组圆形整流杆构件,可实现联合脱硝系统中SCR反应器内的NH3浓度均匀分布；在联合脱硝总的氨氮摩尔比为1.418时,SNCR效率35%,SCR效率78.4%,SNCR/SCR联合脱硝总效率85.96%,脱硝效果良好；试验结果还可看出,SNCR反应后,省煤器A、B侧出口NOx浓度不同,A侧大于B侧,计算值与测试值吻合；同时尿素溶液喷入锅炉对锅炉效率产生影响,尿素溶液浓度为5%时,锅炉热效率降低0.8114%,尿素溶液浓度为10%时,锅炉热效率降低0.4148%；NH3逃逸会导致飞灰中氨含量增加,也会与烟气中的503反应生成铵盐副产物,对锅炉下游设备产生影响,此外应当避免喷射器的尿素溶液滴漏、尿素溶液接触炉内换热屏和水冷壁,减少对换热元件的腐蚀,保证锅炉安全稳定运行。