CFB鍋爐SNCR脫硝工藝系統(tǒng)及其常見問題分析

武世福，蘇鐵熊，張培華，趙耀芳

(1.中北大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，太原030051;2.中北大學(xué)朔州校區(qū)，山西朔州036000;3.山西平朔煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 朔州066003)

目前，電廠鍋爐煙氣脫硝主要采用選擇性非催化還原反應(yīng)技術(shù)，其技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)就是如何合理使用尿素、氨水或液氨3種還原劑量，保證脫硝效率達(dá)到最大，允許氨逃逸的量最小。因此，電廠有必要對其使用量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，確定機(jī)組年運(yùn)行還原劑消耗量，使用哪種還原劑更經(jīng)濟(jì)，以降低企業(yè)成本。另外，氨逃逸量是評價系統(tǒng)性能的主要指標(biāo)之一，生成物NH4HSO4對回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器的負(fù)面影響越來越受到人們的普遍關(guān)注［2］，基于此，本文對山西某電廠300 MW循環(huán)流化床(CFB)鍋爐使用3種不同還原劑的SNCR脫硝技術(shù)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析，從評價系統(tǒng)性能的主要指標(biāo)出發(fā)，分析了煙氣酸露點(diǎn)及逃逸氨生成的NH4HSO4對空氣預(yù)熱器的腐蝕程度，計(jì)算出最佳排煙溫度，并提出了SNCR脫硝系統(tǒng)中空氣預(yù)熱器改造中應(yīng)注意的問題，通過煙氣中NOx濃度來選擇合適的還原劑用量，保證氨逃逸量達(dá)到最小。

1 SNCR脫硝還原劑經(jīng)濟(jì)性分析

目前CFB鍋爐SNCR脫硝系統(tǒng)采用還原劑為尿素、液氨以及氨水，這些還原劑在750～1100℃反應(yīng)下能夠取得較好的脫硝效果。

1.1 尿素SNCR脫硝反應(yīng)原理

尿素為還原劑時，存在對CO與NH3的排放控制問題。以尿素作為CFB鍋爐SNCR脫硝還原劑時，主要反應(yīng)方程式如下:

1.2 液氨、氨水SNCR脫硝反應(yīng)原理

以液氨或氨水作為CFB鍋爐SNCR脫硝還原劑時，此反應(yīng)過程沒有副產(chǎn)物生成，而且整個脫硝系統(tǒng)裝置簡單，比較適合處理大量的煙氣，得到廣泛應(yīng)用，其主要反應(yīng)方程式如下:

1.3 還原劑費(fèi)用比較

按照某化工廠原料的價格，山西某電廠1臺300 MW CFB鍋爐年利用小時數(shù)按5000 h計(jì)算，脫除煙氣中NOx的含量為200 mg/Nm3，為保證SNCR系統(tǒng)較高脫硝效率及氨逃逸率不超過5×10－6或更低，計(jì)算時，氨氮摩爾比控制在2.0左右，不應(yīng)超過2.5，則SNCR脫硝系統(tǒng)選用氨水、液氨以及尿素不同還原劑的費(fèi)用如表1所示。

表1 還原劑費(fèi)用統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistics of reducing agent cost

由表1計(jì)算結(jié)果可知，1臺300 MW CFB鍋爐采用SNCR脫硝技術(shù)進(jìn)行尾部脫硝，選用20%濃度氨水時，全年還原劑成本費(fèi)用可達(dá)到729萬元，選用液氨作為還原劑的成本最低，約為272萬元，與選用尿素作為還原劑相比，全年可節(jié)省約57萬元。

由于采用尿素作為還原劑時，系統(tǒng)首先需要對尿素進(jìn)行溶解、加熱，系統(tǒng)復(fù)雜，初期投資費(fèi)用很高，運(yùn)行費(fèi)用也相當(dāng)高［2］。液氨是三者里面危險(xiǎn)性最高的還原劑，必須執(zhí)行嚴(yán)格的安全和防火措施，投資高于氨水系統(tǒng)。氨水系統(tǒng)流程簡單，工程造價低，維護(hù)費(fèi)用低。因此，從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、安全角度考慮，氨水系統(tǒng)為SNCR系統(tǒng)的首選。

目前國內(nèi)已建或在建的CFB鍋爐的SNCR脫硝項(xiàng)目，由于受安全性與釆購條件限制，大部分系統(tǒng)還原劑采用尿素。

2 CFB鍋爐NOx排放的主要影響因素

2.1 燃料和床溫的影響

燃料本身及鍋爐運(yùn)行床溫是NOx生成的重要因素。燃料在鍋爐中隨揮發(fā)分析出的有機(jī)氮燃燒，然后是焦炭中的有機(jī)氮燃燒，生成NOx，同時隨著鍋爐運(yùn)行床溫的不斷升高，NOx的生成量也會隨之增大。另外，煤中收到基O/N比值、S/N比值同樣會影響到NOx的排放，S和N被氧化的過程中存在一定的競爭關(guān)系，煙氣中SO2和NOx的排放總是存在一個此升彼降的發(fā)展趨勢。

2.2 過量空氣系數(shù)的影響

過量空氣系數(shù)的變化同樣會影響NOx的生成。當(dāng)一次、二次送風(fēng)不采用分級燃燒時，降低過量空氣系數(shù)，一定程度上可限制反應(yīng)區(qū)內(nèi)氧濃度，對熱力型NOx和燃料型NOx的生成都有一定控制作用。當(dāng)采用分級燃燒時，可有效降低NOx的排放量。

2.3 鍋爐負(fù)荷的影響

增大鍋爐負(fù)荷率，鍋爐給煤量會增加，爐膛內(nèi)煙溫會隨之增高，生成的NOx也會隨之增多。

2.4 石灰石進(jìn)料量的影響

在CFB鍋爐中，石灰石的加入對降低SO2排放起到重要作用。但數(shù)據(jù)［1］也表明，加入的石灰石會影響到煙氣中NOx的排放濃度，因?yàn)镃aO會促進(jìn)NH3生成，NH3氧化為NO。同時，CaO也會對噴氨脫硝反應(yīng)顯示出一定的催化活性，能夠正向促進(jìn)噴氨脫硝反應(yīng)進(jìn)行。

3 SNCR工藝系統(tǒng)對空氣預(yù)熱器的影響

3.1 四分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器

山西某電廠采用上海鍋爐廠制造的型號為1－32VI(Q)－2080SMRC容克式四分倉空氣預(yù)熱器。

空氣預(yù)熱器轉(zhuǎn)子主要由36個扇形格倉(每個10°)和轉(zhuǎn)子中心筒組成，蓄熱元件是由波形薄鋼板組成，高溫端、中溫端、低溫端蓄熱元件高度分別為1000 mm、705 mm、305 mm。

空氣預(yù)熱器在冷端煙氣出口管道上裝有1臺微爆式脈沖吹灰器，水沖洗裝置兩根清洗管布置在空預(yù)器的煙氣入口和出口管道上，用于正常清洗。

空氣預(yù)熱器是利用鍋爐尾部煙氣熱量加熱燃燒用空氣的換熱裝置。300 MW工況下空氣預(yù)熱器的運(yùn)行參數(shù)如表2所示。

表2 300 MW工況下空預(yù)器運(yùn)行參數(shù)Tab.2 Operation parameters of air preheater under 300 MW condition

3.2 煙氣中酸露點(diǎn)計(jì)算

山西某電廠CFB鍋爐燃燒煤矸石與洗中煤，設(shè)計(jì)煤質(zhì)元素分析與工業(yè)分析特征數(shù)據(jù)如表3所示。

中國目前很多鍋爐廠主要應(yīng)用的仍是前蘇聯(lián)“鍋爐熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)法”中提出的酸露點(diǎn)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式。由于計(jì)算值與實(shí)測值存在偏差，后來提出的修正計(jì)算公式，對工程實(shí)踐具有一定的引導(dǎo)作用［3］:

式中:K為煙氣中SO2排放系數(shù);ts1為煙氣中水露點(diǎn)溫度;αfh表示飛灰占燃料灰分的份額，本廠灰渣比6:4，取 αfh=0.6，當(dāng)爐膛出口過量空氣系數(shù) α=1.2～1.25，β取值121，當(dāng) α=1.4～1.5時，β取值129，本廠運(yùn)行中過量空氣系數(shù)控制在1.23左右，β取值 121;Aar，zs、Sar，zs分別為收到基折算灰分與折算硫分。

計(jì)算出該鍋爐廠煙氣中水蒸氣體積分?jǐn)?shù)為8.6%，結(jié)合煙氣中水露點(diǎn)計(jì)算公式:

煙氣中SO2排放系數(shù)K采用如下計(jì)算公式:

對煙氣實(shí)測酸露點(diǎn)有影響的因素有:過量空氣系數(shù)、飛灰系數(shù)、煙氣中SO3份額及水蒸汽份額，則鍋爐煙氣酸露點(diǎn)計(jì)算如表4所示。

決定煙氣酸露點(diǎn)高低最重要的因素為煙氣中SO2轉(zhuǎn)化為SO3的份額，以及煙氣中水蒸氣的份額。為防止空預(yù)器冷端腐蝕，空預(yù)器出口煙溫一般高于理論計(jì)算煙氣酸露點(diǎn)的15～20℃。

3.3 氨逃逸對空預(yù)器影響

在空預(yù)器蓄熱元件的溫端與冷端，氨逃逸會與煙氣中硫氧化物及水蒸汽反應(yīng)生成NH4HSO4(簡稱ABS)，為一種黏稠狀物質(zhì)，可導(dǎo)致空預(yù)器蓄熱元件腐蝕，具有一定的吸濕性，會吸附煙氣中的水分和飛灰，長時間會使空預(yù)器堵灰嚴(yán)重，使煙風(fēng)阻力增大。

文獻(xiàn)［4］中用Radian值來表征空預(yù)器ABS形成速率，其與煙氣中SO3和NH3的含量、煤質(zhì)及排煙溫度有關(guān)。

硫酸氫銨的熔點(diǎn)為147℃，是一種腐蝕性極強(qiáng)的強(qiáng)電解質(zhì)物質(zhì)。文獻(xiàn)［5］中采用Clausius－Clapeyron方程來分析氨逃逸濃度與硫酸氫銨露點(diǎn)之間的關(guān)系:

式中:PH2SO4為硫酸蒸汽分壓力，kPa;PNH3為逃逸氨蒸汽分壓力，kPa;T為測得的硫酸氫銨露點(diǎn)溫度，K;R 取8.314 J/mol·K。

方程式(4)表明:NH4HSO4露點(diǎn)溫度隨逃逸氨濃度的增加而上升，也會隨煙氣中硫酸蒸汽濃度的增加而上升。

3.4 脫硝空預(yù)器改造中應(yīng)注意的問題

1)蓄熱元件的高換熱性和低阻力性是回轉(zhuǎn)式空預(yù)器改造的目標(biāo)，但二者又是矛盾的，通常阻力小的波形，換熱效率低，換熱效率高的，阻力大，選擇好的換熱元件非常重要。

由于搪瓷換熱元件在傳熱、防腐性能上優(yōu)于合金鋼，價格便宜，因此改造中一般將冷端更換為搪瓷鍍層蓄熱元件。搪瓷鍍層蓄熱元件還可以降低NH4HSO4在空預(yù)器蓄熱元件上的形成速率。

2)許多電廠試圖通過空預(yù)器改造來解決排煙溫度過高的問題，提高鍋爐效率。但是，單純將冷端蓄熱元件換成搪瓷材質(zhì)，并且增加高度，并不能保證排煙溫度一定降低。改造后，降低了排煙溫度，但冷端綜合溫度過低會導(dǎo)致冷端堵灰，中溫端底部也會落入酸露點(diǎn)范圍內(nèi)，造成腐蝕和堵灰。因此，實(shí)時監(jiān)測金屬蓄熱元件的溫度很關(guān)鍵。

表3 鍋爐設(shè)計(jì)煤質(zhì)元素分析與工業(yè)分析Tab.3 Element analysis and industry analysis of design coal quality for CFB boiler

表4 鍋爐煙氣酸露點(diǎn)計(jì)算Tab.4 Boiler flue gas acid dew point calculation

3)在鍋爐脫硝改造過程的同時，通常會進(jìn)行低氮燃燒器改造［6］。而回轉(zhuǎn)式空預(yù)器的著火事故多數(shù)發(fā)生在啟爐或者停爐過程中，由于缺乏運(yùn)行數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)行人員對空預(yù)器二次燃燒難以進(jìn)行正確判斷和快速處理，極易發(fā)生事故。

4 結(jié)論

1)山西某電廠CFB鍋爐SNCR系統(tǒng)中應(yīng)用氨水、液氨、尿素作還原劑的年費(fèi)用分別為729萬元、272萬元和329萬元，所以應(yīng)選擇氨水為SNCR系統(tǒng)還原劑。

2)該電廠CFB鍋爐煙氣酸露點(diǎn)理論計(jì)算為90.6℃，為確保鍋爐安全運(yùn)行，應(yīng)保證排煙溫度不低于110.6℃，而實(shí)際運(yùn)行中排煙溫度在140℃左右，增加了排煙熱損失，使鍋爐熱效率降低，一般排煙溫度每增加15～20℃，會使排煙熱損失增加1%，可適當(dāng)增加尾部受熱面來利用熱量。

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