循環(huán)流化床鍋爐SNCR脫硝技術(shù)優(yōu)化改造

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(1.中國華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司，北京 102209;2.煤基清潔能源國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102209)

0 引 言

近年來，我國NOx排放總量不斷上升，城市環(huán)境惡化，霧霾嚴(yán)重，并有不斷加重的趨勢。最新研究表明，大氣細(xì)顆粒物NOx、液相氧化SO2是我國當(dāng)前霧霾期間硫酸鹽的重要形成原因。我國引進(jìn)循環(huán)流化床鍋爐發(fā)電技術(shù)已有20年歷史，現(xiàn)有不同容量的循環(huán)流化床鍋爐近3 000臺，約63 000 MW容量投入商業(yè)運(yùn)行，大于電力行業(yè)中鍋爐總臺數(shù)1/3[1]。隨著國家環(huán)保部門要求的日益提高，新環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施后[2]，規(guī)定燃煤電廠NOx排放濃度不高于100 mg/m3(以NO2計，按O2濃度6%折算)。

西北某電廠循環(huán)流化床鍋爐NOx排放濃度一直高于350 mg/m3，為滿足當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門提出的治理要求，電廠根據(jù)自身情況對2臺300 MW循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行了以尿素為還原劑的SNCR脫硝改造。循環(huán)流化床鍋爐系東方鍋爐股份有限公司設(shè)計制造的單汽包、自然循環(huán)的循環(huán)流化床鍋爐，改造后排放標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到環(huán)保部要求，但出現(xiàn)了調(diào)節(jié)系統(tǒng)不穩(wěn)定、運(yùn)行方式不合理導(dǎo)致原始排放量高、爐內(nèi)脫硫系統(tǒng)對原始排放影響較大，間接影響SNCR調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性等問題。

國內(nèi)外循環(huán)流化床鍋爐脫硝技術(shù)以SNCR脫硝使用最為廣泛，楊梅[3]、高明明等[4]對循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行SNCR脫硝研究，說明SNCR脫硝具有較好的市場前景。孫獻(xiàn)斌等[5]對SNCR脫硝工藝系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備噴槍進(jìn)行研究，自主研發(fā)了一種空氣冷卻式空氣霧化噴槍，解決了之前噴槍霧化效果差、尿素及氨水耗量大等問題，在300 MW機(jī)組上取得了良好效果。本文以尿素、氨水為還原劑，結(jié)合我國西北某電廠循環(huán)流化床鍋爐脫硝情況，介紹SNCR脫硝原理、主要工藝流程和設(shè)備組成等，分析了300 MW循環(huán)流化床鍋爐使用SNCR脫硝的優(yōu)勢，并結(jié)合300 MW循環(huán)流化床鍋爐自身特點(diǎn)，對原有SNCR設(shè)備進(jìn)行改造，以期實(shí)現(xiàn)設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行，提高脫硝效率。

1 NOx生成機(jī)理及控制手段

1.1 NOx生成機(jī)理

燃煤鍋爐生成的NOx主要由NO、NO2、N2O等組成。研究發(fā)現(xiàn)，電廠燃煤生成NOx的過程如圖1所示。電廠燃煤生成NOx主要包括3種產(chǎn)生途徑:燃料型NOx、熱力型NOx、快速型NOx[6]。對于循環(huán)流化床鍋爐而言，燃用煙煤、褐煤、頁巖等劣質(zhì)燃料時，主要生成燃料性NOx。

圖1 煤燃燒生成NOx過程Fig.1 NOx formation process during coal combustion

1.2 NOx控制手段

目前國內(nèi)對NOx控制方法有燃燒中控制和煙氣脫硝，燃燒中控制主要有低氮燃燒器、低氮改造、燃燒調(diào)整等，煙氣脫硝主要有選擇性非催化還原SCR法、SNCR法[7]。

SCR脫硝原理是:在催化劑作用下，通過還原劑(NH3、尿素)與煙氣中NOx選擇性反應(yīng)生成N2和水。SNCR法不同于SCR法，在不使用催化劑的條件下，還原劑(NH3、尿素)在高溫下(850～1 150 ℃)[8]直接與煙氣中NOx發(fā)生氧化還原反應(yīng)。

1.3 SNCR脫硝技術(shù)原理

SNCR脫硝技術(shù)原理是將NH3、尿素等還原劑噴入鍋爐水平煙道，在合適的溫度、氣氛或催化劑條件下將NOx還原，循環(huán)流化床鍋爐采用SNCR脫硝技術(shù)控制NOx排放的主要機(jī)理如圖2所示[9]。

圖2 SNCR脫硝技術(shù)控制NOx排放機(jī)理Fig.2 Main mechanism of SNCR denitration technology to control NOx emission

1.4 SNCR法與SCR法技術(shù)特點(diǎn)對比

與SCR技術(shù)相比，SNCR煙氣脫硝技術(shù)投資運(yùn)行成本低，占地面積少(布置在鍋爐水平煙道處)，建設(shè)工期短，脫硝效率可達(dá)到環(huán)保要求，適宜大型循環(huán)流化床鍋爐。根據(jù)調(diào)研和計算論證，SNCR脫硝技術(shù)對鍋爐效率、排煙溫度、鍋爐受熱面以及鍋爐下游設(shè)備造成腐蝕的影響均較小，不影響機(jī)組安全運(yùn)行，不需進(jìn)行針對性設(shè)備改造;脫硝裝置投運(yùn)后，NOx排放量明顯控制。在合適的噴氨量及溫度窗下，SNCR脫硝技術(shù)的脫硝效率可以達(dá)到81%[10]。此外，SNCR系統(tǒng)還具備投資成本低(設(shè)備簡單、系統(tǒng)造價降低)，運(yùn)行成本較低(不增加引風(fēng)機(jī)電耗、運(yùn)行維護(hù)簡單)，不增加煙氣系統(tǒng)阻力，不使用催化劑，不產(chǎn)生新的SO3，氨逃逸控制在10×10-6以內(nèi)，不會造成尾部煙道的積灰和腐蝕，安裝及操作較易等優(yōu)點(diǎn)。

綜上所述，SNCR技術(shù)是成熟的脫硝技術(shù)，其低投資和低運(yùn)行成本，特別適用于CFB機(jī)組、老機(jī)組脫硝改造，也適合垃圾焚燒爐、中小型燃煤鍋爐的煙氣脫硝，在國內(nèi)外有較為廣泛的應(yīng)用。

1.5 SNCR脫硝技術(shù)主要化學(xué)反應(yīng)

SNCR技術(shù)是用NH3、尿素等還原劑，以循環(huán)流化床鍋爐旋風(fēng)分離器入口水平煙道為反應(yīng)器，通過適當(dāng)?shù)臏囟?850～1 150 ℃)，在不使用催化劑的情況下，將NOx分解成氧氣和水。

NH3或尿素還原NOx的主要反應(yīng)為

NH3為還原劑時：

(1)

尿素為還原劑時：

(2)

2 SNCR脫硝技術(shù)

2.1 工藝流程

SNCR煙氣脫硝系統(tǒng)典型工藝流程如圖3所示。

圖3 SNCR煙氣脫硝系統(tǒng)典型工藝流程Fig.3 Typical process flow of SNCR flue gas denitration system

尿素經(jīng)汽車運(yùn)輸?shù)綇S區(qū)，制成濃度50%的尿素溶液輸送至儲存罐內(nèi)。儲罐內(nèi)尿素溶液通過高壓泵與凝結(jié)泵出口引來的凝結(jié)水稀釋后輸送至水平煙道平臺。尿素溶液濃度根據(jù)噴入點(diǎn)的流速、煙溫、NOx濃度等試驗(yàn)參數(shù)確定，稀釋水為凝結(jié)水，經(jīng)過計算機(jī)控制稀釋水量大小，在保證脫硝效率的情況下，計算機(jī)系統(tǒng)控制稀釋水用量，既能保證霧化效果，又能合理減少稀釋水，避免浪費(fèi)。

在水平煙道平臺設(shè)置有分配裝置，經(jīng)分配裝置，尿素被輸送到每個噴槍，在霧化風(fēng)壓力下，將尿素溶液噴射進(jìn)旋風(fēng)分離器入口水平煙道，對煙氣中NOx進(jìn)行還原，這種利用水平煙道作為反應(yīng)容器的脫硝形式，大大減少了鍋爐脫硝改造的施工量，使300 MW循環(huán)流化床鍋爐脫硝改造成本降低了2/3，成為目前循環(huán)流化床鍋爐脫硝改造的主流施工方案。

2.2 設(shè)備組成

脫硝設(shè)備主要由制備系統(tǒng)、儲存系統(tǒng)、分配系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)4大部分構(gòu)成[11]。制備系統(tǒng)主要有溶解罐、攪拌器、加熱器、轉(zhuǎn)移泵。儲存系統(tǒng)主要有儲存罐、攪拌器、加熱器、輸送泵、稀釋水泵、稀釋水罐。分配系統(tǒng)主要有靜態(tài)混合器、調(diào)節(jié)閥、電磁流量計。噴射系統(tǒng)主要有噴槍、霧化風(fēng)管道、冷卻法管道、轉(zhuǎn)子流量計。

3 脫硝改造問題及解決方法

3.1 NOx濃度波動大

脫硝系統(tǒng)投入后存在NOx測量值波動較大的問題，運(yùn)行過程中，鍋爐燃料量的波動導(dǎo)致NOx測量值在24～240 mg/Nm3。自動控制邏輯中，還原劑噴入量控制NOx測量值[12]。由于測點(diǎn)位置靠后，導(dǎo)致還原劑噴入量對NOx測量值存在3 min左右的滯后，且整個系統(tǒng)受燃料量波動影響較大。

改造措施:將NOx測量儀表由原來的引風(fēng)機(jī)出口改造到空預(yù)器入口，測點(diǎn)位置前移，NOx測量值滯后時間大大縮短。同時對控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化，將燃料量作為主控輸出前饋。優(yōu)化后，燃料量波動時，還原劑調(diào)節(jié)閥動作明顯較之前更為準(zhǔn)確，NOx排放數(shù)值更加穩(wěn)定(尿素耗量750 kg/h、氨氮摩爾比1.8)。改造前后NOx測量值變化如圖4所示。

圖4 改造前后NOx測量值Fig.4 NOx measured value before and after modification

3.2 燃用高硫煤時無法保證NOx排放量達(dá)標(biāo)

該電廠燃用高硫煤時，脫硝系統(tǒng)投運(yùn)后NOx瞬間會升到230 mg/m3。原因?yàn)殡姀S燃用高硫煤時，為保證煙氣SO2不超標(biāo)，向爐內(nèi)投入大量石灰石，爐內(nèi)投石灰石對NOx生成有促進(jìn)作用，石灰石以催化劑的形式促使?fàn)t內(nèi)燃料中的N快速轉(zhuǎn)變成NOx[13]，導(dǎo)致NOx濃度迅速上升，減少石灰石投運(yùn)。

改造措施:將原來水平煙道的噴射方式由水平對射改造為錯列對射，并錯開0.3 m距離，讓更多煙氣接觸到還原劑，提高反應(yīng)效率。通過改造脫硝效果提升，氨逃逸數(shù)值由7×10-6降為3×10-6。

3.3 運(yùn)行方式不合理導(dǎo)致原始排放量高

脫硝效率不僅要去除已經(jīng)生成的NOx，還要通過運(yùn)行手段降低NOx生成量，通過實(shí)際運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，采用分級供風(fēng)能夠有效地在源頭減少NOx的生成量[14]。

改造措施:通過改變運(yùn)行方式，減少一次風(fēng)量(一、二次風(fēng)配比4∶6)，使燃燒處在貧氧狀態(tài)，密相區(qū)內(nèi)由于氧含量不足，燃燒速度和溫度水平下降;燃料中氮分解生成大量中間活產(chǎn)物CN、HCN，不僅將部分NO還原，又抑制了燃料型NOx的生成。加大二次風(fēng)的供應(yīng)量，由于該區(qū)域燃燒溫度較低，不會生成過多的NOx。通過調(diào)整燃燒方式，可以減少10%的原始排放量，脫硝效率高達(dá)85%以上。

4 改造效果及經(jīng)驗(yàn)

4.1 效果分析

該電廠2臺機(jī)組鍋爐SNCR脫硝改造后，經(jīng)過環(huán)保局的驗(yàn)收，NOx最終排放濃度低于100 mg/Nm3，滿足GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》要求。通過鍋爐燃燒優(yōu)化，鍋爐原始NOx排放濃度約為250 mg/Nm3，SNCR脫硝裝置投運(yùn)后，可控制NOx排放濃度低于50 mg/Nm3時，脫硝效率高于85%。2臺300 MW循環(huán)流化床鍋爐可減排NOx總量>1 780 t/a，空氣質(zhì)量大幅度提升。

脫硝改造工程實(shí)施后，電廠NOx排污費(fèi)減少約112萬元。2013年9月，國家發(fā)改委將燃煤發(fā)電企業(yè)脫硝電價補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)由0.008元/kWh提高至0.01元/kWh，每年僅脫硝電價補(bǔ)貼就高達(dá)4 000萬元。此外，火電廠排放的NOx除形成酸雨外，還會與碳?xì)浠衔锓磻?yīng)生成致癌物質(zhì)，危害人體健康。因此，通過脫硝工程可大幅減少NOx排放，有助于改善當(dāng)?shù)卮髿猸h(huán)境。

4.2 運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)

1)爐內(nèi)脫硫盡量不投入或少投入

循環(huán)流化床鍋爐為了降低SOx排放，通常采用爐內(nèi)加入石灰石，石灰石對NOx排放有明顯影響，造成NO上升，原因?yàn)?① 石灰石分解生成的富余CaO是燃料和注氨N轉(zhuǎn)化為NO和N2的強(qiáng)氧化劑，也是CO、H2還原NO的強(qiáng)催化劑，CaO對燃料N轉(zhuǎn)化為NO的催化能力強(qiáng)于其分解能力;② 富余CaO是氧化氣氛下N2O分解的強(qiáng)催化劑。因此石灰石的加入增加了NOx的排放，實(shí)際運(yùn)行中，如果爐外脫硫能夠滿足的情況下，應(yīng)停止?fàn)t內(nèi)脫硫。

2)根據(jù)煤質(zhì)及時調(diào)整一、二次風(fēng)配比

在實(shí)際運(yùn)行中，應(yīng)根據(jù)煤種情況，適當(dāng)降低一次風(fēng)，增大二次風(fēng)。由于循環(huán)流化床鍋爐存在核心貧氧區(qū)，通過調(diào)整一、二次風(fēng)配比可大幅減少熱力性NOx的生成量(減少10%原始排放)。

3)根據(jù)NOx原始排放量及時調(diào)整尿素噴入量

實(shí)際運(yùn)行過程中，NOx原始排放與負(fù)荷有較大關(guān)系，可根據(jù)負(fù)荷情況及時調(diào)整尿素調(diào)整閥開度，提高脫硝運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性[15]。根據(jù)循環(huán)流化床鍋爐特點(diǎn)，采用SNCR脫硝技術(shù)對循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行改造后，環(huán)保要求達(dá)標(biāo)，經(jīng)濟(jì)社會效益明顯。

5 結(jié) 語

循環(huán)流化床鍋爐脫硝是一種系統(tǒng)性脫硝手段。根據(jù)煤質(zhì)變化及時調(diào)整一、二次風(fēng)風(fēng)量比例實(shí)現(xiàn)合理的運(yùn)行方式;根據(jù)負(fù)荷變化及時調(diào)整尿素耗量，確保脫硝系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行;燃用高硫煤時，適當(dāng)降低入爐石灰石量，通過尾部濕法脫硫來控制SO2排放;根據(jù)邏輯控制的優(yōu)先順序，盡量縮短反饋時間，防止尿素調(diào)節(jié)閥動作存在滯后性。隨著國家環(huán)保政策的實(shí)施，循環(huán)流化床鍋爐是資源綜合利用爐型的首選，SNCR脫硝技術(shù)將會得到進(jìn)一步發(fā)展。