75t/h鍋爐煙氣的脫硝綜合改造

張志偉

作者通聯:廣州珠江啤酒股份有限公司熱電廠 廣州市新港東路磨碟沙大街 510315

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一、概述

廣州珠江啤酒股份公司熱電廠兩臺B&WB75-5.3-M鍋爐型自然循環鍋爐，額定蒸發量為75t/h，爐膛的深度×寬度為5810mm×5810mm。制粉系統為中速磨直吹式，鍋爐采用正四角直流式煤粉燃燒器，燃燒器排列方式為（從下往上排列）二、一、二、二、一、二，切圓直徑為450mm。鍋爐設計燃煤為山西大同煙煤,燃燒器未采用低氮燃燒技術，NOx排放濃度700～1000mg/m3，未達標，主要原因如下。

（1）一次風率過高。一次風率偏高時，燃燒過程煤粉著火和揮發分燃燒階段氧濃度較高，NOx大量生成；同時會推遲煤粉著火，導致鍋爐穩燃性差，飛灰含碳量升高。鍋爐燃燒器一次風率設計值為38%，遠大于低氮燃燒器設計一次風率值，煤粉中揮發分N將大部分轉化為NOx，對著火穩燃極為不利。

（2）均等配風。鍋爐燃燒器采用傳統均等配風方式，將所有的煤粉和空氣都通過燃燒器送入爐膛燃燒，這樣煤粉與空氣充分混合，燃燒強度大，燃燒溫度高，但由此產生的NOx排放量也高。

（3）對煙氣排放未進行脫硝處理。

針對以上實際情況，本著節約和高效的原則，采用低氮燃燒技術和尾部煙氣脫硝技術對鍋爐進行脫硝綜合改造（圖1）。

圖1 鍋爐煙氣脫硝綜合改造實現過程

二、改造措施

1.低氮燃燒技術改造

鍋爐低NOx燃燒改造采用上下濃淡燃燒技術，將一次風分為濃淡兩股，在燃燒器出口實現分級送風與燃料合理配比，達到抑制NOx生成的目的。通過控制燃燒器附近燃料與空氣的混合，可以阻止燃料氮向NOx的轉化和熱力NOx的生成，同時兼具低負荷穩燃的作用。解決燃燒器一次風率設計值偏高的問題，抑制揮發分NOx生成；同時采用空氣分級燃燒技術，設兩層分離式燃盡風（SOFA），抑制燃燒后期NOx生成。達到NOx排放水平不高于400mg/m3的目標。

（1）上下濃淡燃燒。燃燒器一次風噴口前安裝可調式煤粉濃淡分離器，將一次風分成上下濃淡兩股氣流（圖2），在不顯著增大一次風道阻力的前提下，濃淡比可達7∶1。利用扇形擋塊對煤粉顆粒的慣性導向作用，實現煤粉氣流的濃縮和分流，達到煤粉濃淡分離目的。

圖2 上下濃淡分離器工作原理圖

分離裝置由一次風管道、撞擊塊、彎曲板及分隔板組成。撞擊塊安裝在一次風管道壁面上，由于擋塊的導向作用，一部分煤粉氣流改變流動方向，這部分氣流中煤粒顆粒的運動慣性遠大于空氣的慣性，經與擋塊碰撞后大部分反彈至濃側氣流通道，同時，由于導流作用在擋塊后形成一個低壓區，小部分煤粉顆粒隨空氣在壓差作用下繞流擋塊進入淡側氣流通道。這樣，在擋塊作用下，煤粉氣流被濃縮，形成了濃淡分離。在擋塊后面還設置了分離隔板，把這兩股濃淡偏差氣流保持到燃燒器出口。

當轉動擋塊使之高度發生變化時，濃淡分離效果是不同的，通過改變擋塊高度實現濃度的連續可調。

一次風濃、淡側噴口均設波形鈍體，在鈍體后形成一回流區回流高溫煙氣，強化著火，使得煤粉更多燃燒過程在與周圍二次風混合前燃燒，抑制燃燒初期揮發份NOx生成。同時強化著火可以提高燃燒效率。

原一次風冷卻風仍保留，以便在燃燒器停用時起到保護噴口作用。

（2）空氣分級燃燒。SOFA空氣分級燃燒技術，將爐膛燃燒區域分成兩部分，減少下部一次燃燒區域配風，使得煤粉燃燒初期處于欠氧條件，NOx生成得到抑制，在燃燒器上部一定高度處布置分離式火上風（SOFA），保證煤粉燃盡。

SOFA空氣分級燃燒技術是目前主流的煤粉低NOx燃燒技術，其原理主要是控制煤粉燃燒前期的氧量，使得煤中大部分N元素轉化為N2，SOFA的補入提供焦炭燃盡所需氧量，保證鍋爐燃燒效率。

SOFA噴口設擺動機構，可以上下擺動以適應燃料煤種變化。正常運行時，投運一層SOFA風，另一層保留一定的冷卻風量即可保證爐膛送風，當燃用難燃盡煤時，投運下層SOFA風，及早補入燃燒用風，保證燃盡；當燃用煤種容易燃盡時，投上層SOFA，保證燃盡的同時可以將NOx控制得更低。

（3）燃燒器配風。此次改造不改動制粉系統和送粉系統，燃燒器設計維持一次風量、風速、風溫和二次風速、風溫不變，SOFA引自熱風管，其風速和風溫與二次風相同，燃燒器配風參數見表1。

表1 改造配風

主燃燒器噴口布置方式較之改前略有改動，取消一層二次風，噴口布置從下到上依次為二、一、二、一、二，主燃燒器上部設兩層SOFA噴口，即上SOFA和下SOFA。①一次風噴口布置標高略有變動，下一次風風管往上移132mm，上一次風風管往下移100mm。一次風噴口設水平波形鈍體，鈍體迎風面設耐磨陶瓷片，防止噴口磨損。運行時在鈍體后形成回流區，強化燃燒，保證穩定燃燒，降低著火初期NOx排放。②保持上、下二次風標高不變，噴口尺寸也不變，原先中間的兩層二次風改為一層中二次風。③要獲得好的低NOx排放效果，SOFA應布置在距離主燃燒區越遠越好的位置，但其布置高度還受碳燃盡的影響，進而影響鍋爐效率。SOFA噴口設上、下兩層，并可在此基礎上上下手動擺動15°，以適應燃料煤種變化。④讓管安裝。為配合兩層SOFA管道的安裝，需要在該兩層的水冷壁管進行六根管道讓管改動。而改造前后的燃燒器長度相同，故不需要進行讓管。

（4）效果。在燃燒初期NOx濃度即維持在較低水平，隨著燃盡風（OFA）的補入，NOx濃度有所升高，但此時煤粉中的N元素大部分已轉化為N2，NOx濃度升高幅度不大。到爐膛出口，NOx排放濃度控制在400mg/m3以下。

2.SNCR脫硝技術改造

選擇性非催化還原（SNCR）是一種不用催化劑，在900～1100℃范圍內還原NOx的方法。SNCR脫硝技術利用尿素做還原劑，將干尿素溶解為40%濃度的溶液后泵送至爐前，經稀釋水系統稀釋并經壓縮空氣霧化后送至爐內，與煙氣充分混合反應脫除爐內NOx。

影響SNCR的性能參數：①溫度窗口，溫度窗口是脫硝反應最佳的爐膛溫度區間。若反應溫度過低，還原劑與NOx沒有足夠活化能使脫硝反應快速進行，導致脫硝效率降低。溫度過高，尿素本身也會被氧化成NOx，反而會增加NOx的排放。以尿素為還原劑的SNCR溫度窗口為900～1100℃。②停留時間。在還原劑離開窗口前SNCR整個反應過程必須完成，這樣才能達到理想的脫硝效果。若想獲得良好的脫硝效果，還原劑的停留時間至少要0.5s。③適當的NH3/NOx的摩爾比，根據反應方程式，NH3/NOx的理論摩爾比應該為1，但實際上都要比1大才能達到較好的NOx還原率。NH3的量加大有利于還原劑與煙氣的混合。但過高的NH3量也會增加氨的逃逸。

此次改造采用尿素為還原劑。將配制稀釋好的尿素溶液送到兩個噴射區噴射器。尿素溶液經由噴射器噴入爐內與煙氣混合進行脫除NOx的氧化還原反應。達到SNCR系統入口NOx濃度400mg/m3時，保證NOx排放濃度≤300mg/m3的效果。

根據鍋爐熱態性能測試數據及CFD數值模擬計算結果，定出SNCR噴槍布置，確保脫硝反應發生在最佳的溫度窗口。每臺鍋爐噴槍設置兩層（圖3）：A層在鍋爐側墻各設置2根噴槍；B層在鍋爐前墻設置4根噴槍，兩側墻各設置1根噴槍。其中2#鍋爐A層在15.5m，B層在18m；3#鍋爐A層在15.8m，B層在18.3m。根據鍋爐運行時負荷的情況、溫度場變化以及NOx含量等決定投運噴射區噴射量。

圖3 SNCR工藝系統示意圖

當鍋爐負荷和爐膛出口的NOx濃度變化時，送入爐膛的尿素量也應隨之變化，這將導致送入噴槍的流量發生變化，若變化太大，將會影響到霧化噴射效果，從而影響脫硝率和氨殘余。因此設計了稀釋系統，用來保證在運行工況變化時噴嘴中流量不變。特定濃度的尿素溶液從儲罐輸出后，在爐前與稀釋水混合，通過監測在線稀釋水流量來調節最終的尿素濃度。

表2 固定流量下不同尿素濃度的脫硝試驗數據（流量0.56m3/h）mg/m3

將配制稀釋好的尿素溶液送到兩個噴射區的噴射器。噴射區設有流量調節閥門和流量計量設備，用以計量和控制本區噴入爐膛的尿素流量。噴射所需的霧化介質采用壓縮空氣，其作用主要是提高還原劑噴射速度、增加噴射動量，以加強尿素溶液顆粒與爐內煙氣混合，保證脫硝效果、提高尿素利用率減少尿素用量，并且減少尾部氨殘余。

通過對鍋爐的試驗及對數據比較（表2），設定流量0.56m3/h時，按以下參數運行可獲得較佳的脫硝效果：50t/h負荷，濃度8～10%；50～70t/h負荷,濃度 8～10%；70t/h以上負荷，濃度 5%。

三、改造后的實際運行效果

通過比較改造前后兩臺鍋爐運行實際情況（表3），兩臺鍋爐脫硝效率均能達到＞60%的目標和氮氧化物排放濃度＜400mg/m3的要求。兩臺鍋爐氮氧化物排放量每小時分別減少56.15kg和68.4kg。按每年運行330天計算，分別可減排氮氧化物444.71t和541.73t，年總減排量為986.44t，達到環保部門要求公司年總減排量776.17t的目標。

表3 脫硝改造后氮氧化物數據對比