440 t/h循環(huán)流化床鍋爐脫硝優(yōu)化提效改造研究

王 忠

(國(guó)家電投集團(tuán)大連泰山熱電有限公司，大連 116021)

0 引 言

工業(yè)燃燒產(chǎn)生的煙氣主要成分之一——氮氧化物NOx，是導(dǎo)致光化學(xué)煙霧、酸雨和霧霾等一系列環(huán)境問(wèn)題的主要空氣污染源的一種。為了滿足日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者、企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)集中探索了許多方法如三聯(lián)催化、氮氧化物減量和儲(chǔ)存、選擇性催化還原煙氣脫硝(SCR)等以減少氮氧化物的排放。

2014年9月12日，國(guó)家發(fā)展改革委、環(huán)境保護(hù)部、國(guó)家能源局聯(lián)合印發(fā)《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014-2020年)》，要求新建和現(xiàn)役燃煤發(fā)電機(jī)組大氣污染物排放濃度應(yīng)基本達(dá)到或接近燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值(即在基準(zhǔn)氧含量6%條件下，煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不高于10、35、50 mg/Nm3)。2017年9月，遼寧某熱電廠接到大連市環(huán)保局下發(fā)的《關(guān)于限期實(shí)施超低排放改造的通知》，要求限期完成超低排放改造。因而，遼寧某熱電廠進(jìn)行了煙氣超低排放改造工程，改造后實(shí)現(xiàn)了超低排放，從而更好地保護(hù)環(huán)境。落實(shí)了國(guó)家環(huán)保政策的要求。

文中介紹了遼寧某熱電廠440 t/h CFB鍋爐脫硝優(yōu)化提效改造的情況及改造后的具體效果，該低氮燃燒技術(shù)方案并在其余3臺(tái)鍋爐上得到了很好的應(yīng)用。

1 設(shè)備現(xiàn)狀

遼寧某熱電廠現(xiàn)有2臺(tái)哈鍋制造的440 t/h 循環(huán)流化床鍋爐，采用了Alstom公司的超高壓參數(shù)中間再熱循環(huán)流化床技術(shù)。鍋爐總體型式為自然循環(huán)、單鍋筒、一次再熱、高溫絕熱旋風(fēng)分離器、平衡通風(fēng)、回料閥給煤、緊身封閉布置，配國(guó)產(chǎn)135 MW抽凝式汽輪發(fā)電機(jī)組。鋼架雙排柱懸吊結(jié)構(gòu)、燃煤、固態(tài)排渣。

經(jīng)測(cè)試，鍋爐NOx的原始排放可達(dá)到350 mg/Nm3，改造前鍋爐的脫硝技術(shù)采用SNCR脫硝系統(tǒng)，能夠滿足NOx<200 mg/Nm3的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。SNCR脫硝技術(shù)是將NH3、尿素等還原劑噴入爐內(nèi)與NOx進(jìn)行選擇性反應(yīng)，無(wú)需催化劑輔助催化，但必須在合適的溫度區(qū)間加入還原劑。還原劑噴入爐膛的最佳工作溫度區(qū)域?yàn)?50～1 150 ℃，此時(shí)還原劑(如尿素)能迅速將煙氣中的NOx還原反應(yīng)生成N2和H2O。

NH3或尿素還原：NOx的主要反應(yīng)分別如下為[1]-[3]：

NH3為還原劑的反應(yīng)：4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

尿素為還原劑的反應(yīng)：NO+CO(NH2)2+1/2O2→2N2+CO2+H2O

當(dāng)溫度高于1 150 ℃時(shí)，NH3則會(huì)被氧化為NO：

4NH3+5O2→4NO+6H2O

還原劑的反應(yīng)高效溫度范圍稱為溫度窗。最佳溫度區(qū)一般為850～1 100 ℃。當(dāng)反應(yīng)溫度過(guò)高時(shí)，由于氨的分解會(huì)使NOx還原率降低，另一方面，反應(yīng)溫度過(guò)低時(shí)，氨的逃逸增加，也會(huì)使NOx還原率降低。

原脫硝系統(tǒng)的尿素溶液制備系統(tǒng)設(shè)置1臺(tái)尿素溶解罐，1臺(tái)尿素稀釋用除鹽水箱，設(shè)置2臺(tái)尿素溶液供應(yīng)泵(1運(yùn)1備)，向兩臺(tái)鍋爐的脫硝供應(yīng)尿素溶液。

2 存在問(wèn)題

要達(dá)到超低排放要求，需將NOx的排放量從原來(lái)的200 mg/m3減小到NOx50 mg/m3。經(jīng)過(guò)對(duì)鍋爐現(xiàn)有的運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)行狀況進(jìn)行分析，需針對(duì)以下問(wèn)題進(jìn)行具體的改造工作：

(1)風(fēng)帽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及長(zhǎng)期運(yùn)行磨損等原因?qū)е逻\(yùn)行一次風(fēng)量偏高，不利于分級(jí)燃燒控制，同時(shí)布風(fēng)均勻性不佳易導(dǎo)致鍋爐床溫不均。

(2)鍋爐給煤方式為后墻給煤，目前存在不同給煤線之間容易發(fā)生給煤不均的現(xiàn)象；

(3)脫硝系統(tǒng)的公用部分設(shè)計(jì)不夠合理；公用系統(tǒng)現(xiàn)為母管制，運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)存在兩臺(tái)鍋爐的尿素溶液流量互相干擾的問(wèn)題；

(4)現(xiàn)有的SNCR噴槍型式較為老舊，噴射混合效率不高而導(dǎo)致還原效率低下，同時(shí)噴槍安裝方式和數(shù)量不夠合理。

3 煙氣脫硝改造方案

脫硝優(yōu)化提效改造工程擬通過(guò)SNCR系統(tǒng)升級(jí)改造、鍋爐改造并配合燃燒優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn)氮氧化物超低排放、降低爐膛溫度、減輕磨損、提高鍋爐效率、降低風(fēng)機(jī)電耗、延長(zhǎng)鍋爐運(yùn)行周期等技術(shù)目標(biāo)。主要工作內(nèi)容具體如下：

(1)一次風(fēng)布風(fēng)裝置改造；

(2)SNCR脫硝系統(tǒng)升級(jí)改造。

3.1 鍋爐一次風(fēng)布風(fēng)裝置改造

鍋爐設(shè)計(jì)的布風(fēng)板一次風(fēng)為總風(fēng)量的50%，設(shè)計(jì)布風(fēng)板阻力為5 kPa。目前燃用褐煤，根據(jù)褐煤高揮發(fā)分特點(diǎn)，布風(fēng)板一次風(fēng)率可以降低至40%。但降低布風(fēng)板一次風(fēng)率時(shí)布風(fēng)板風(fēng)帽阻力隨之降低，將會(huì)加劇風(fēng)帽磨損后已存的布風(fēng)不均勻性從而引起床溫偏差擴(kuò)大。床溫偏差過(guò)大意味著爐內(nèi)受熱面?zhèn)鳠崞畲?。因此，為了?shí)現(xiàn)良好的布風(fēng)效果，提高一次風(fēng)的穿透能力，達(dá)到減少流化風(fēng)量、降低床溫、提高床溫均勻性，從而實(shí)現(xiàn)降低氮氧化物原始排放的目的，需要對(duì)一次風(fēng)布風(fēng)板風(fēng)帽進(jìn)行改造。

遼寧某熱電廠440 t/h CFB鍋爐的原風(fēng)帽為大鐘罩風(fēng)帽，風(fēng)帽橫向間距270 mm，縱向間距270 mm，風(fēng)帽外緣? 159 mm，風(fēng)帽凈間距為111 mm。風(fēng)帽高度145 mm，風(fēng)帽出風(fēng)孔為8孔?22，風(fēng)帽內(nèi)腔直徑?103，風(fēng)帽底孔為M72×3螺紋，帽孔處風(fēng)帽壁厚為28 mm。原風(fēng)帽接管分為兩段：下段?76×8內(nèi)徑?60，上端帶M72×3外螺紋與風(fēng)帽底孔配合；上段為?68×5管內(nèi)徑58 mm，并在上端開(kāi)有兩排孔，每排8個(gè)孔均為?15通風(fēng)直徑。安裝時(shí)將兩段接管插在一起，通過(guò)螺紋旋在風(fēng)帽底孔部，旋轉(zhuǎn)至上段管頂在帽體內(nèi)腔的頂部為止。原有的這種風(fēng)帽更換困難、頭部易燒損、帽孔處易磨損、帽體間易發(fā)生對(duì)吹磨損。從運(yùn)行參數(shù)看，目前布風(fēng)板阻力偏低，一次風(fēng)經(jīng)過(guò)風(fēng)帽后穿透能力偏差，對(duì)物料擾動(dòng)不夠，換熱換值不能達(dá)到正常運(yùn)行需要，這也是導(dǎo)致床溫不均勻的問(wèn)題之一。

針對(duì)遼寧某熱電廠440 t/h循環(huán)流化床鍋爐風(fēng)帽布風(fēng)不均勻的問(wèn)題，對(duì)風(fēng)帽進(jìn)行了改造，將外罩小孔區(qū)域進(jìn)行了加厚，以提高其耐磨性和使用壽命。將風(fēng)帽外罩風(fēng)孔向下傾斜15°，減少相鄰風(fēng)帽風(fēng)孔的擾動(dòng)，減少床料反竄；風(fēng)帽芯管上端部利用端板焊死，防止風(fēng)帽脫落從芯管漏渣，便于安裝施工。風(fēng)帽出風(fēng)孔為10孔，開(kāi)孔為長(zhǎng)條形，由2個(gè)直徑14 mm的半圓和和一個(gè)邊長(zhǎng)15 mm長(zhǎng)方形組成，芯管在上端開(kāi)有兩排孔，每排8個(gè)孔均為Φ13.7 mm通風(fēng)直徑。

改造后，在10萬(wàn)風(fēng)量下，布風(fēng)板熱態(tài)阻力(200 ℃)約為2 kPa，150 000 Nm3/h風(fēng)量下布風(fēng)板熱態(tài)阻力(200 ℃)約為4.2 kPa。同時(shí)，改造后一次風(fēng)布風(fēng)板的臨界流化風(fēng)量降低至約70 000 Nm3/h。

因此，改造后鍋爐布風(fēng)均勻性提升，臨界流化風(fēng)量減小，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行中一次風(fēng)量可進(jìn)一步下降，為鍋爐低氮燃燒奠定了基礎(chǔ)。

3.2 SNCR脫硝系統(tǒng)升級(jí)改造

針對(duì)脫硝公用系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理、噴槍安裝方式和數(shù)量不夠合理對(duì)現(xiàn)有的SNCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)行脫硝升級(jí)改造，其中主要內(nèi)容為改造噴射系統(tǒng)、尿素供應(yīng)系統(tǒng)和氨逃逸表。

通過(guò)SNCR系統(tǒng)升級(jí)改造，計(jì)劃將NOx的排放量由200 mg/Nm3降至約40 mg/Nm3，從而實(shí)現(xiàn)氮氧化物超低排放。

3.2.1 噴射系統(tǒng)

噴射系統(tǒng)，是保證脫硝效率的關(guān)鍵。噴入的尿素必須與煙氣中的NO充分混合才可以發(fā)揮較好的選擇性還原NO的效果，但如果混合時(shí)間太短，或者混合不充分，就會(huì)降低反應(yīng)的選擇性，從而降低脫硝效率。為達(dá)到設(shè)計(jì)脫硝效率，必須使用高效脫硝噴槍噴槍，并在合理設(shè)計(jì)脫硝噴槍位置的基礎(chǔ)上增加噴槍數(shù)量。具體方案為：

拆除原有噴槍，在每個(gè)分離器設(shè)置8支高效噴槍：

具體布置方式為分離器入口內(nèi)測(cè)3支噴槍、外側(cè)5支噴槍。

單只噴槍最大出力為120 L/h。每臺(tái)鍋爐共計(jì)16支，兩臺(tái)鍋爐共計(jì)32支高效噴槍。

3.2.2 尿素供應(yīng)系統(tǒng)

兩臺(tái)爐的尿素溶液供應(yīng)系統(tǒng)采用母管制形式，實(shí)際運(yùn)行中存在兩臺(tái)鍋爐互相干擾的問(wèn)題。因此，本次改造計(jì)劃改為單元制供應(yīng)尿素溶液。

改造方案為：增加尿素泵和稀釋水泵各2臺(tái)，并對(duì)相應(yīng)管道進(jìn)行調(diào)整，從母管制運(yùn)行變?yōu)閱卧七\(yùn)行。

3.3 鍋爐燃燒優(yōu)化調(diào)整

由于鍋爐布風(fēng)均勻性提升，一次風(fēng)量可進(jìn)一步下降，為鍋爐低氮燃燒奠定了基礎(chǔ)。在高負(fù)荷時(shí)對(duì)鍋爐進(jìn)行了燃燒調(diào)整，分別對(duì)鍋爐氧量、上下二次風(fēng)開(kāi)度、爐內(nèi)石灰石噴入量等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，當(dāng)370 t/h負(fù)荷工況下，當(dāng)爐內(nèi)氧量控制在2%左右，一次風(fēng)量110 000 Nm3/h，下二次風(fēng)開(kāi)度50%，上二次風(fēng)開(kāi)度100%，尿素溶液(濃度40%)耗量約500 kg/h時(shí)，NOx最終排放可控制50 mg/Nm3(6% O2標(biāo)態(tài)折算后)以下。

4 結(jié)束語(yǔ)

鍋爐局部床溫偏高是發(fā)生NOx急劇增加現(xiàn)象的根本原因。因此，通過(guò)改造鍋爐布風(fēng)裝置改變床溫不均勻的現(xiàn)象，然后結(jié)合通過(guò)對(duì)SNCR系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造和燃燒優(yōu)化調(diào)整，使得噴入的尿素與煙氣中的NO可以充分混合，提高了脫硝效率，從而使遼寧某電廠440 t/h CFB鍋爐的NOx的排放值由200 mg/Nm3降至約40 mg/Nm3，從而實(shí)現(xiàn)氮氧化物的超低排放，達(dá)到了國(guó)家最新的排放要求，完成電廠預(yù)期的環(huán)保改造目標(biāo)。