CFB鍋爐SNCR脫硝工藝系統及其常見問題分析

武世福，蘇鐵熊，張培華，趙耀芳

(1.中北大學機械與動力工程學院，太原030051;2.中北大學朔州校區，山西朔州036000;3.山西平朔煤矸石發電有限責任公司，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技術，其技術的關鍵點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行統計計算，確定機組年運行還原劑消耗量，使用哪種還原劑更經濟，以降低企業成本。另外，氨逃逸量是評價系統性能的主要指標之一，生成物NH4HSO4對回轉式空氣預熱器的負面影響越來越受到人們的普遍關注［2］，基于此，本文對山西某電廠300 MW循環流化床(CFB)鍋爐使用3種不同還原劑的SNCR脫硝技術進行了經濟性分析，從評價系統性能的主要指標出發，分析了煙氣酸露點及逃逸氨生成的NH4HSO4對空氣預熱器的腐蝕程度，計算出最佳排煙溫度，并提出了SNCR脫硝系統中空氣預熱器改造中應注意的問題，通過煙氣中NOx濃度來選擇合適的還原劑用量，保證氨逃逸量達到最小。

1 SNCR脫硝還原劑經濟性分析

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

1.1 尿素SNCR脫硝反應原理

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，主要反應方程式如下:

1.2 液氨、氨水SNCR脫硝反應原理

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

1.3 還原劑費用比較

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

表1 還原劑費用統計表Tab.1 Statistics of reducing agent cost

由表1計算結果可知，1臺300 MW CFB鍋爐采用SNCR脫硝技術進行尾部脫硝，選用20%濃度氨水時，全年還原劑成本費用可達到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，全年可節省約57萬元。

由于采用尿素作為還原劑時，系統首先需要對尿素進行溶解、加熱，系統復雜，初期投資費用很高，運行費用也相當高［2］。液氨是三者里面危險性最高的還原劑，必須執行嚴格的安全和防火措施，投資高于氨水系統。氨水系統流程簡單，工程造價低，維護費用低。因此，從經濟、技術、安全角度考慮，氨水系統為SNCR系統的首選。

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

2 CFB鍋爐NOx排放的主要影響因素

2.1 燃料和床溫的影響

燃料本身及鍋爐運行床溫是NOx生成的重要因素。燃料在鍋爐中隨揮發分析出的有機氮燃燒，然后是焦炭中的有機氮燃燒，生成NOx，同時隨著鍋爐運行床溫的不斷升高，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系，煙氣中SO2和NOx的排放總是存在一個此升彼降的發展趨勢。

2.2 過量空氣系數的影響

過量空氣系數的變化同樣會影響NOx的生成。當一次、二次送風不采用分級燃燒時，降低過量空氣系數，一定程度上可限制反應區內氧濃度，對熱力型NOx和燃料型NOx的生成都有一定控制作用。當采用分級燃燒時，可有效降低NOx的排放量。

2.3 鍋爐負荷的影響

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

2.4 石灰石進料量的影響

在CFB鍋爐中，石灰石的加入對降低SO2排放起到重要作用。但數據［1］也表明，加入的石灰石會影響到煙氣中NOx的排放濃度，因為CaO會促進NH3生成，NH3氧化為NO。同時，CaO也會對噴氨脫硝反應顯示出一定的催化活性，能夠正向促進噴氨脫硝反應進行。

3 SNCR工藝系統對空氣預熱器的影響

3.1 四分倉回轉式空氣預熱器

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熱器。

空氣預熱器轉子主要由36個扇形格倉(每個10°)和轉子中心筒組成，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器的煙氣入口和出口管道上，用于正常清洗。

空氣預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工況下空氣預熱器的運行參數如表2所示。

表2 300 MW工況下空預器運行參數Tab.2 Operation parameters of air preheater under 300 MW condition

3.2 煙氣中酸露點計算

山西某電廠CFB鍋爐燃燒煤矸石與洗中煤，設計煤質元素分析與工業分析特征數據如表3所示。

中國目前很多鍋爐廠主要應用的仍是前蘇聯“鍋爐熱力計算標準法”中提出的酸露點計算經驗公式。由于計算值與實測值存在偏差，后來提出的修正計算公式，對工程實踐具有一定的引導作用［3］:

式中:K為煙氣中SO2排放系數;ts1為煙氣中水露點溫度;αfh表示飛灰占燃料灰分的份額，本廠灰渣比6:4，取 αfh=0.6，當爐膛出口過量空氣系數 α=1.2～1.25，β取值121，當 α=1.4～1.5時，β取值129，本廠運行中過量空氣系數控制在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。

計算出該鍋爐廠煙氣中水蒸氣體積分數為8.6%，結合煙氣中水露點計算公式:

煙氣中SO2排放系數K采用如下計算公式:

對煙氣實測酸露點有影響的因素有:過量空氣系數、飛灰系數、煙氣中SO3份額及水蒸汽份額，則鍋爐煙氣酸露點計算如表4所示。

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

3.3 氨逃逸對空預器影響

在空預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生成NH4HSO4(簡稱ABS)，為一種黏稠狀物質，可導致空預器蓄熱元件腐蝕，具有一定的吸濕性，會吸附煙氣中的水分和飛灰，長時間會使空預器堵灰嚴重，使煙風阻力增大。

文獻［4］中用Radian值來表征空預器ABS形成速率，其與煙氣中SO3和NH3的含量、煤質及排煙溫度有關。

硫酸氫銨的熔點為147℃，是一種腐蝕性極強的強電解質物質。文獻［5］中采用Clausius－Clapeyron方程來分析氨逃逸濃度與硫酸氫銨露點之間的關系:

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溫度，K;R 取8.314 J/mol·K。

方程式(4)表明:NH4HSO4露點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 脫硝空預器改造中應注意的問題

1)蓄熱元件的高換熱性和低阻力性是回轉式空預器改造的目標，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在空預器蓄熱元件上的形成速率。

2)許多電廠試圖通過空預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，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致冷端堵灰，中溫端底部也會落入酸露點范圍內，造成腐蝕和堵灰。因此，實時監測金屬蓄熱元件的溫度很關鍵。

表3 鍋爐設計煤質元素分析與工業分析Tab.3 Element analysis and industry analysis of design coal quality for CFB boiler

表4 鍋爐煙氣酸露點計算Tab.4 Boiler flue gas acid dew point calculation

3)在鍋爐脫硝改造過程的同時，通常會進行低氮燃燒器改造［6］。而回轉式空預器的著火事故多數發生在啟爐或者停爐過程中，由于缺乏運行數據經驗，運行人員對空預器二次燃燒難以進行正確判斷和快速處理，極易發生事故。

4 結論

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

2)該電廠CFB鍋爐煙氣酸露點理論計算為90.6℃，為確保鍋爐安全運行，應保證排煙溫度不低于110.6℃，而實際運行中排煙溫度在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%，可適當增加尾部受熱面來利用熱量。

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