CFB鍋爐SNCR脫硝技術(shù)研發(fā)

張定海，張 芳，吳繼品，韋 耿，毛 宇，周 棋，葉 茂

（1.東方鍋爐股份有限公司，成都611731； 2.江蘇徐礦綜合發(fā)電利用有限公司，徐州221011）

隨著環(huán)保要求越來越嚴(yán)格，不僅新建機(jī)組需要同步建設(shè)脫硝裝置，老機(jī)組也要進(jìn)行脫硝改造。由于SNCR脫硝技術(shù)設(shè)備系統(tǒng)簡單、造價(jià)相對低廉，不存在反應(yīng)器堵塞等問題，因此在CFB鍋爐上的應(yīng)用具有一定優(yōu)勢。

1 CFB鍋爐SNCR脫硝過程模擬研究

CFB鍋爐SNCR過程模擬的難點(diǎn)主要有幾個(gè)方面［1］：

（1）尿素或者氨水溶液在爐內(nèi)蒸發(fā)熱解的準(zhǔn)確模擬。

（2）尿素-SNCR過程的化學(xué)動力學(xué)機(jī)理。

（3）CFB鍋爐旋風(fēng)分離器流場的準(zhǔn)確把握。

商業(yè)化CFD軟件fluent為CFB鍋爐旋風(fēng)分離器流場及粒子追蹤模擬提供了手段，目前CFD軟件已經(jīng)廣泛地使用于指導(dǎo)研發(fā)、設(shè)計(jì)、調(diào)試以及改造中。

CFB鍋爐旋風(fēng)分離器不同工況下氮劑的擴(kuò)散及反應(yīng)模擬結(jié)果見圖1。

由圖1可以明顯地看出：旋風(fēng)分離器出口氮劑和煙氣的混合效果非常好。通過SNCR過程模擬可計(jì)算出脫硝效率和氨逃逸率，并對CFBSNCR技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使脫硝效率達(dá)到60%以上。

圖1 不同工況下還原劑的擴(kuò)散效果圖

2 CFB鍋爐SNCR脫硝技術(shù)試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)裝置

3MW CFB鍋爐SNCR試驗(yàn)臺配置有：氮劑儲罐、攪拌器、計(jì)量泵、分配器及噴射器等。計(jì)量泵采用柱塞式計(jì)量泵，其行程可在0～100%無級調(diào)節(jié)，泵的流量為100L／h，泵的材料選用316L，泵前配置過濾器，泵后配置背壓閥、流量計(jì)，管子選用Dn＝15mm。

試驗(yàn)臺主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 CFB-SNCR試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)內(nèi)容如下：

（1）不同噴射位置對脫硝效率及氨逃逸率的影響。

（2）最佳噴射位置下不同氨氮比（NSR）對脫硝效率及氨逃逸率的影響。

（3）不同霧化噴槍對脫硝效率的影響。

（4）旋風(fēng)分離器區(qū)域不同溫度對脫硝效率及氨逃逸率的影響。

（5）鍋爐負(fù)荷對脫硝效率及氨逃逸率的影響。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

通過不同位置及噴槍形式的優(yōu)選，確定出最佳的噴射位置及噴槍形式。在最佳噴射位置及噴槍形式的基礎(chǔ)上進(jìn)行了3個(gè)不同NSR工況下的脫硝效率及氨逃逸率的測試。NOx質(zhì)量濃度變化曲線見圖2。

圖2 不同工況下NOx質(zhì)量濃度變化曲線

各工況下NOx質(zhì)量濃度m（NOx）的變化值、脫硝效率及氨逃逸率見表2。

表2 各工況氨逃逸測試值

由表2可見：CFB鍋爐采用SNCR技術(shù)雖能達(dá)到60%以上的脫硝效率，但是隨著脫硝效率的增加，氨逃逸率也相應(yīng)地有所增加。

3 CFB鍋爐SNCR脫硝技術(shù)工程應(yīng)用

將SNCR技術(shù)應(yīng)用于江蘇徐礦綜合發(fā)電利用有限公司2臺300MW CFB鍋爐上，還原劑為尿素。

3.1 SNCR技術(shù)工藝系統(tǒng)

3.1.1 尿素溶液制備系統(tǒng)

運(yùn)送至現(xiàn)場的袋裝顆粒尿素儲存在尿素儲存間中，經(jīng)電動葫蘆吊裝送入尿素溶解罐，使尿素充分地溶解在按比例補(bǔ)充的新鮮除鹽水中，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%～50%的尿素溶液。溶解罐中除鹽水通過蒸汽加熱維持在40～50℃，溶解罐設(shè)置有攪拌器。溶解罐中的尿素溶液通過尿素溶液泵送入尿素溶液儲罐中。

3.1.2 尿素溶液稀釋與計(jì)量系統(tǒng)

尿素溶液通過循環(huán)泵先在本系統(tǒng)進(jìn)行稀釋及尿素溶液計(jì)量，根據(jù)鍋爐負(fù)荷調(diào)節(jié)尿素溶液供應(yīng)量，多余的尿素溶液返回尿素溶液儲罐。本系統(tǒng)入口設(shè)置稀釋水壓力調(diào)節(jié)閥，以保證入口稀釋水壓力變化時(shí)泵的出口壓力仍保持恒定，從而保證噴槍入口的尿素溶液壓力，達(dá)到要求的噴射效果。

來自廠區(qū)除鹽水母管的除鹽水經(jīng)稀釋水箱穩(wěn)壓后再接至稀釋水泵。稀釋水泵出口的兩條稀釋水管路分別與尿素供液泵出來的兩條尿素溶液管路連接，尿素與除鹽水通過靜態(tài)混合器混合后配置成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～20%的溶液，并輸送至鍋爐區(qū)域作還原劑使用。

尿素溶液稀釋與計(jì)量系統(tǒng)通過尿素溶液線和稀釋水線的流量控制閥，以及手動閥門、壓力調(diào)節(jié)閥自動調(diào)節(jié)進(jìn)入每個(gè)鍋爐注入?yún)^(qū)域的尿素溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和流量，以響應(yīng)煙氣中NOx的質(zhì)量濃度、鍋爐負(fù)荷和燃料量的變化。

3.1.3 尿素溶液分配和噴射系統(tǒng)

尿素溶液通過稀釋與計(jì)量之后進(jìn)入分配系統(tǒng)，由分配系統(tǒng)分配到各個(gè)旋風(fēng)分離器SNCR噴槍區(qū)域。在鍋爐不同負(fù)荷下，選擇煙氣溫度處在最佳反應(yīng)區(qū)間的噴射區(qū)噴入還原劑。噴射區(qū)域的位置和噴槍的設(shè)置通過對旋風(fēng)分離器溫度場、煙氣流場、還原劑噴射流場、化學(xué)反應(yīng)過程的精確模擬確定。

還原劑在旋風(fēng)分離器內(nèi)的停留時(shí)間一般大于0.5s。根據(jù)不同負(fù)荷狀況對噴嘴的幾何特征、噴射的角度和速度、噴射液滴直徑進(jìn)行優(yōu)化，通過改變還原劑擴(kuò)散路徑，達(dá)到選定最佳停留時(shí)間的目的。

還原劑噴射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能適應(yīng)鍋爐在最低穩(wěn)燃負(fù)荷工況和BMCR之間的任何負(fù)荷下的安全連續(xù)運(yùn)行，并能適應(yīng)機(jī)組負(fù)荷變化和機(jī)組啟停次數(shù)的要求。

還原劑噴射系統(tǒng)設(shè)置12根噴槍，用于擴(kuò)散和混合尿素霧滴。噴槍采用墻式噴槍噴射器。

噴射器由于處于高溫和高煙塵的環(huán)境中，易因磨損和腐蝕導(dǎo)致?lián)p壞，因此噴射器選用耐磨、耐腐蝕的不銹鋼材料制造。

噴射器的設(shè)計(jì)參數(shù)依據(jù)計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合鍋爐結(jié)構(gòu)而確定，向每個(gè)噴射器提供壓縮空氣，以霧化尿素液滴。

從尿素溶液稀釋計(jì)量系統(tǒng)出來之后的尿素溶液通過一系列的手動閥門分別接至每根噴槍，調(diào)試階段將手動閥門調(diào)節(jié)至適當(dāng)位置后不變，保證單個(gè)區(qū)域內(nèi)每個(gè)噴槍的尿素溶液量相同，尿素溶液管道上設(shè)置就地壓力表。霧化空氣系統(tǒng)同樣也通過一系列的手動閥門將壓縮空氣分別接至每根噴槍，調(diào)試階段將手動閥門調(diào)節(jié)至適當(dāng)位置后不變，保證每個(gè)噴槍的霧化空氣量相同，霧化空氣管道上也設(shè)置就地壓力表。

通過SNCR過程模擬指導(dǎo)12支噴槍布置位置，達(dá)到脫硝效率的最大化。

3.1.4 輔助系統(tǒng)

壓縮空氣站用于提供尿素溶液的霧化介質(zhì)；系統(tǒng)配置2臺空壓機(jī)（一運(yùn)一備），空壓機(jī)排氣流量8m3／min，壓力0.75MPa；設(shè)置一個(gè)容積2m3的壓縮空氣儲罐；同時(shí)接入廠區(qū)公用壓縮空氣系統(tǒng)作為備用。

3.2 SNCR脫硝效果

2012年6月2 7日，江蘇徐礦綜合利用發(fā)電有限公司2臺300MW CFB鍋爐SNCR煙氣脫硝改造工程實(shí)現(xiàn)整套系統(tǒng)試投運(yùn)，經(jīng)環(huán)保局測試：1號鍋爐NOx質(zhì)量濃度從190mg／m3下降至30mg／m3；2號鍋爐NOx質(zhì)量濃度從220mg／m3下降至70mg／m3（見圖3）。

圖3 實(shí)例鍋爐NOx質(zhì)量濃度變化圖

3.3 對鍋爐運(yùn)行的影響

在SNCR投運(yùn)時(shí)，不斷地向爐膛內(nèi)噴入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～15%的尿素溶液，噴入量約為1.8～3.0t／h。尿素溶液進(jìn)入爐膛后，除尿素與NO反應(yīng)生成CO2／H2O／N2，其中的水分將不發(fā)生化學(xué)變化，瞬間蒸發(fā)后隨煙氣向尾部流動。

整個(gè)試運(yùn)期間，噴水量約2t／h，SNCR系統(tǒng)投運(yùn)對鍋爐排煙溫度的影響很小，升高1～2K；鍋爐過熱蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度與SNCR系統(tǒng)未投前比較沒有發(fā)生明顯的變化，減溫水流量也沒有明顯的變化。實(shí)踐表明：SNCR脫硝系統(tǒng)的投入和退出對鍋爐運(yùn)行的穩(wěn)定性沒有明顯的影響。運(yùn)行期間飛灰及爐渣可燃物質(zhì)量分?jǐn)?shù)與SNCR投入前比較，沒有明顯的變化，說明SNCR的投運(yùn)對鍋爐燃燒沒有明顯影響。

4 結(jié)語

CFB鍋爐因燃料灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)大、NOx排放質(zhì)量濃度低等特點(diǎn)，導(dǎo)致實(shí)施SCR脫硝技術(shù)經(jīng)濟(jì)性不佳，而采用SNCR脫硝技術(shù)為最佳。東方鍋爐研發(fā)的CFB鍋爐SNCR脫硝系統(tǒng)簡單，維護(hù)方便，在工程實(shí)施后脫硝效率能夠達(dá)到60%以上；同時(shí)對鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性影響較小，設(shè)備可靠。CFB鍋爐采用SNCR脫硝技術(shù)，可一步達(dá)到最嚴(yán)格的環(huán)保NOx排放質(zhì)量濃度限值的要求。

［1］趙立平，曹慶喜，吳少華.NH3選擇性非催化還原NO的化學(xué)動力學(xué)計(jì)算及分析［J］.電站系統(tǒng)工程，2008，24（1）：27-29，32.