內(nèi)江發(fā)電廠高壩電廠循環(huán)流化床鍋爐脫硝系統(tǒng)改造技術(shù)

周其濤

（內(nèi)江發(fā)電廠，四川 內(nèi)江 641005）

工業(yè)技術(shù)

內(nèi)江發(fā)電廠高壩電廠循環(huán)流化床鍋爐脫硝系統(tǒng)改造技術(shù)

周其濤

（內(nèi)江發(fā)電廠，四川 內(nèi)江 641005）

本文分析了電站鍋爐NO的形成及SNCR脫硝機(jī)理，介紹了循環(huán)流化床鍋爐的脫硝試驗(yàn)，從脫硝系統(tǒng)方案設(shè)想、可行性分析等多角度充分論證了CFB鍋爐開(kāi)展脫硝改造的可行性，為開(kāi)展循環(huán)流化床鍋爐小投資短工期脫硝改造提供了有利的借鑒。

環(huán)保；CFB鍋爐；煙氣脫硝；SNCR；尿素

內(nèi)江發(fā)電廠高壩電廠CFB示范電站于1996年投產(chǎn)運(yùn)行，鍋爐為芬蘭奧斯龍公司生產(chǎn)的Pyroflow型410T/h常壓循環(huán)流化床鍋爐，設(shè)計(jì)工況下SO2測(cè)量保證值700mg/m3、NOx保證測(cè)量值200mg/m3、設(shè)計(jì)引風(fēng)機(jī)風(fēng)量2×67.26 m3/s。由于高壩電廠目前燃煤煤質(zhì)完全偏離設(shè)計(jì)煤種，目前高負(fù)荷情況下鍋爐實(shí)際NOx排放濃度已最高達(dá)482mg/Nm3，已經(jīng)不能夠滿足《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB13223-2011）提出的200mg/Nm3的氮氧化物排放限值，嚴(yán)重制約機(jī)組帶負(fù)荷能力，發(fā)電負(fù)荷75MW以上即容易出現(xiàn)NOx超標(biāo)排放。

為探索高壩電廠脫硝系統(tǒng)的改造可行性，我廠組織實(shí)施了多次脫硝試驗(yàn)。本文結(jié)合高壩電廠現(xiàn)有設(shè)備設(shè)施、脫硝試驗(yàn)情況、借鑒部分電廠脫硝改造經(jīng)驗(yàn)，探討了高壩電廠循環(huán)流化床鍋爐短工期小投資進(jìn)行脫硝改造的技術(shù)可行性。

一、CFB鍋爐煙氣中NOx的形成及SNCR脫硝機(jī)理

火力發(fā)電廠大氣排放主要污染物是SO2、NOx、粉塵。環(huán)境保護(hù)部《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB13223-2011）對(duì)火電廠的煙氣排放提出了更嚴(yán)格的要求，各發(fā)電企業(yè)相繼開(kāi)展了煙氣脫硝的研究和試驗(yàn)。

（一）CFB鍋爐NOx的生成

燃煤在鍋爐燃燒過(guò)程中生產(chǎn)NOx主要有三種途徑，即熱力型、快速型、及燃料型。NOx中NO約占90%，N02約占5%～10%，N20約占l%。

熱力型NOx的形成對(duì)溫度有很強(qiáng)的依賴關(guān)系，只有在高溫下化學(xué)反應(yīng)才足夠快，在溫度超過(guò)1200℃時(shí)隨溫度的增加NOx 按指數(shù)規(guī)律增加：

快速型NOx是通過(guò)空氣中的氮和碳1s即可得到較好的脫硝效率。

循環(huán)流化床鍋爐的旋風(fēng)分離器遠(yuǎn)離密相區(qū)，而且溫度在脫硝反應(yīng)的最佳溫度范圍內(nèi)，不會(huì)出現(xiàn)NH3氧化問(wèn)題，反應(yīng)劑和煙氣混合迅速而充分，并且有效停留時(shí)間較長(zhǎng)，使得CFB鍋爐SNCR脫硝系統(tǒng)的脫硝效率可以達(dá)到70%以上，是一個(gè)理想的SNCR反應(yīng)劑噴入點(diǎn)。

4 系統(tǒng)安全及氨逃逸的影響

尿素不存在爆炸危險(xiǎn)，又是無(wú)毒無(wú)害的化學(xué)制劑，所以尿素溶液系統(tǒng)的安全性最高，常溫下濃度15%及以下的尿素溶液不必采取額外的安全設(shè)施。

運(yùn)行中噴射過(guò)量的尿素溶液，會(huì)導(dǎo)致氨逃逸，未反應(yīng)的氨與煙氣中水蒸汽結(jié)合會(huì)導(dǎo)致空氣預(yù)熱器的腐蝕，同時(shí)氨氣與煙氣中的SO3反應(yīng)生成硫酸氫銨，在180℃ ～200℃下呈“鼻涕”狀懸掛在空預(yù)器上，阻塞煙氣通道。但是CFB鍋爐采用爐內(nèi)脫硫，煙氣中難以生成SO3，理論上是不會(huì)出現(xiàn)此種情況。氫原子團(tuán)如CH和HCN的反應(yīng)產(chǎn)生的，快速型NOx產(chǎn)生的量比起通過(guò)其他機(jī)理產(chǎn)生的NOx一般情況下要小得多。

燃料型NOx是煤燃燒時(shí)產(chǎn)生的NOx的主要來(lái)源。煤燃燒時(shí)約75%～90%的NOx是燃料型NOx。

循環(huán)流化床鍋爐的NOx排放比起傳統(tǒng)的煤粉爐要低很多。一是循環(huán)流化床鍋爐一般控制床溫在870℃左右，其它爐型（特別是煤粉爐）的燃燒溫度要達(dá)到1200℃及以上。二是循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計(jì)采用一二次風(fēng)分級(jí)燃燒技術(shù)也有效地抑制了NOx的生成。因此，在循環(huán)流化床鍋爐中產(chǎn)生的熱力型和快速型NOx非常少，主要是燃料型NOx，約占90%以上。

（二）SNCR脫硝機(jī)理

1 尿素溶液脫硝的化學(xué)反應(yīng)

SNCR脫除NOx技術(shù)是把含有NHx基的還原劑（如氨氣、氨水或者尿素等）噴入鍋爐溫度為800℃～1100℃的區(qū)域，該還原劑迅速熱分解成NHx和其它副產(chǎn)物，隨后NHx與煙氣中的NOx進(jìn)行SNCR反應(yīng)而生成N2。

采用尿素作為還原劑還原NOx的主要化學(xué)反應(yīng)為：

NO2性能穩(wěn)定，還原反應(yīng)緩慢，在SNCR脫硝系統(tǒng)中很難除去，因此，一般僅考慮NO的還原反應(yīng)。

2 脫硝溫度

大量的試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐證明，SNCR脫硝技術(shù)對(duì)反應(yīng)溫度非常敏感。隨著反應(yīng)溫度降低，脫硝反應(yīng)速度降低，使大量反應(yīng)劑來(lái)不及參與反應(yīng)，既降低脫硝效率，又增加反應(yīng)劑逃逸量。反應(yīng)溫度過(guò)高，當(dāng)溫度高于1100℃時(shí)，NH3的氧化反應(yīng)速度超過(guò)還原反應(yīng)，造成NOx排放濃度超標(biāo)。試驗(yàn)研究結(jié)果表明，NHx基的還原劑（尿素等）噴入鍋爐溫度為800℃～1100℃的區(qū)域，該還原劑迅速熱分解成NHx和其它副產(chǎn)物，隨后NHx與煙氣中的NOx進(jìn)行SNCR反應(yīng)而生成N2。800℃～1100℃的溫度區(qū)域?yàn)樽罴涯蛩貒娙朦c(diǎn)。

3 脫硝反應(yīng)時(shí)間

煙氣和脫硝反應(yīng)劑在極短時(shí)間內(nèi)得到充分混合是保證SNCR達(dá)到理想脫硝效率、減少還原劑逃逸的關(guān)鍵因素之一。對(duì)于CFB鍋爐，高溫旋風(fēng)分離器入口速度一般為20m/s～30m/s，分離器筒體直徑約6m～7m，中心筒直徑約3m，煙氣在旋風(fēng)分離器內(nèi)停留時(shí)間約2.5s～3.5s。根據(jù)試驗(yàn)和工程實(shí)際可知，煙氣停留時(shí)間大于

圖1

圖2

二、內(nèi)江發(fā)電廠410T/h CFB鍋爐脫硝試驗(yàn)

為探索該電廠410t/h循環(huán)流化床鍋爐CFB煙氣脫硝的可行性，2015年5月～8月先后在鍋爐給煤線加入尿素顆粒、脫硝添加劑，在旋風(fēng)分離器進(jìn)口加入尿素顆粒、噴入尿素液等試驗(yàn)。

試驗(yàn)證明，在旋風(fēng)分離器進(jìn)口噴入尿素液，能有效降低煙氣中NOx含量。本次試驗(yàn)分兩階段進(jìn)行：第一階段探索負(fù)荷（發(fā)電65MW）下尿素溶液的脫硝效率及最佳尿素濃度；第二階探索NOx達(dá)標(biāo)排放情況下機(jī)組最大發(fā)電負(fù)荷。

1 第一階段（2015年8月5日，15∶45～19∶30）

試驗(yàn)開(kāi)始前一段時(shí)間（9∶00～11∶00）機(jī)組發(fā)電負(fù)荷61MW、NOx排放濃度173mg/Nm3，機(jī)組各運(yùn)行參數(shù)如圖1所示。

15∶45實(shí)驗(yàn)開(kāi)始，尿素溶液初始濃度30%，噴入后煙氣中NOx濃度由158mg/Nm3驟降至79mg/Nm3，并一直維持在90mg/Nm3以內(nèi)運(yùn)行；16∶40～18∶25處理煙氣分析儀故障；18∶35尿素溶液濃度配至15%，噴入后NOx濃度由115mg/Nm3驟降至55mg/Nm3（如圖2所示），其余各參數(shù)保持不變。19∶30試驗(yàn)結(jié)束。

第一階段試驗(yàn)表明機(jī)組發(fā)電負(fù)荷65MW以內(nèi)時(shí)，噴入15%的尿素溶液脫硝效率可達(dá)50%。

2 第二階段（2015年8月6日 10∶23-14∶35）

10∶23試驗(yàn)開(kāi)始，（發(fā)電負(fù)荷70MW）尿素溶液濃度為15%，逐漸升高機(jī)組負(fù)荷。11∶33負(fù)荷升至發(fā)電75MW、NOx濃度184mg/Nm3，之后NOx出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象；隨即開(kāi)始逐漸降低負(fù)荷，13∶45負(fù)荷降至發(fā)電69MW、NOx降至158mg/Nm3，維持負(fù)荷穩(wěn)定，觀察NOx排放情況；14∶00暫停噴入尿素溶液，此時(shí)NOX濃度驟升至266mg/Nm3；14∶05恢復(fù)噴入尿素溶液后NOx濃度又驟降至189mg/Nm3，通過(guò)調(diào)整后一直維持在170mg/Nm3內(nèi)。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)（停止噴尿素液）NOx出現(xiàn)超標(biāo)排放，繼續(xù)降負(fù)荷至發(fā)電65MW并加強(qiáng)鍋爐調(diào)整后機(jī)組逐漸恢復(fù)正常運(yùn)行。

（三）試驗(yàn)結(jié)論

1 通過(guò)向鍋爐旋風(fēng)分離器進(jìn)口煙道噴入適當(dāng)濃度的尿素溶液能迅速降低NOx排放濃度，有利于提高機(jī)組帶負(fù)荷能力。

2 機(jī)組發(fā)電負(fù)荷65MW時(shí)，噴入15%的尿素溶液脫硝效率可達(dá)50%。

3 現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備及現(xiàn)有煤質(zhì)情況下，#機(jī)組負(fù)荷最高能達(dá)到發(fā)電負(fù)荷75MW，脫硝效率30%。

4 由于本次試驗(yàn)是采用臨時(shí)設(shè)施且旋風(fēng)分離器進(jìn)口煙道噴槍單側(cè)各只1支，因此噴入尿素溶液覆蓋煙道的面積較小（約20%）。若增加尿素溶液覆蓋煙道的面積，有望進(jìn)一步提高機(jī)組脫硝效率和機(jī)組帶負(fù)荷能力。

三、高壩電廠CFB鍋爐脫硝系統(tǒng)改造方案設(shè)想

該電廠脫硝試驗(yàn)表明，在鍋爐旋風(fēng)分離器進(jìn)口噴入適當(dāng)濃度的尿素溶液可以降低NOx的排放。本著投資省、系統(tǒng)安全、工期短、見(jiàn)效快的原則，進(jìn)行技術(shù)改造論證和方案設(shè)計(jì)，可以實(shí)施脫硝系統(tǒng)的改造。

（一）計(jì)算依據(jù)

1 煙氣量

高壩電廠#11機(jī)組設(shè)計(jì)工況最大煙氣量380160Nm3/h，運(yùn)行近20年來(lái)，空預(yù)器堵管率增加，煙道等漏風(fēng)增大，方案設(shè)計(jì)取煙氣量400000Nm3/h。

2 NOx原始濃度

鍋爐設(shè)計(jì)工況NO濃度實(shí)測(cè)保證值200mg/m3，折算為NOx濃度為200×1.533=306.6mg/m3，按照目前鍋爐漏風(fēng)情況（煙囪入口氧量8.5%），折算到標(biāo)態(tài)、干基、6%O2折算到標(biāo)準(zhǔn)值為306.6× （21-6）/（21-8.5）=344mg/Nm3。方案設(shè)計(jì)按照NOx原始濃度400mg/Nm3作為設(shè)計(jì)依據(jù)。

3 系統(tǒng)容量

由于高壩電廠#11機(jī)組一般帶調(diào)峰負(fù)荷，在枯水期及酷暑階段，用電早高峰（07∶00）至晚高峰（23∶00）帶較高負(fù)荷運(yùn)行，其余時(shí)段一般帶60%～70%負(fù)荷運(yùn)行。方案設(shè)計(jì)按照設(shè)計(jì)工況，合理利用現(xiàn)有場(chǎng)地，本著節(jié)約投資的原則，尿素溶液儲(chǔ)存罐的容量按照早高峰至晚高峰的16個(gè)小時(shí)計(jì)算。

（二）系統(tǒng)工藝流程設(shè)想

1 脫硝系統(tǒng)工藝流程

本方案設(shè)計(jì)采用制備15%的尿素溶液儲(chǔ)存于2臺(tái)尿素溶液罐（一臺(tái)制備、一臺(tái)運(yùn)行），通過(guò)噴射泵經(jīng)Φ38×3的304不銹鋼管進(jìn)入鍋爐28m層，經(jīng)計(jì)量、均流后，分別通過(guò)Φ27×3的304不銹鋼管進(jìn)入鍋爐甲乙側(cè)旋風(fēng)分離器進(jìn)口平臺(tái)，均流后進(jìn)入布置于旋風(fēng)分離器進(jìn)口的10只噴槍，后經(jīng)壓縮空氣霧化后噴入鍋爐。

2 系統(tǒng)控制方案

脫硝系統(tǒng)熱工控制方案是在DCS系統(tǒng)CRT畫面中加入整個(gè)脫硝生產(chǎn)過(guò)程的全程監(jiān)視及控制。運(yùn)行人員可實(shí)時(shí)根據(jù)CEMS系統(tǒng)中NOx的排放情況，適時(shí)調(diào)整尿素溶液加入量，以及脫硝噴槍的運(yùn)行方式，以控制煙氣中NOx的排放。

（三）環(huán)保及經(jīng)濟(jì)效益分析

1 環(huán)保效益

本方案實(shí)施后，能滿足機(jī)組高負(fù)荷下NOx的達(dá)標(biāo)排放，提高發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷率，并可以根據(jù)排放情況實(shí)時(shí)合理投停SNCR脫硝系統(tǒng)。

2 經(jīng)濟(jì)效益

（1）系統(tǒng)運(yùn)行成本：年運(yùn)行成本約130萬(wàn)元。

脫硝系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，小時(shí)成本860元/h（脫硝系統(tǒng)投運(yùn)時(shí)每小時(shí)消耗尿素、除鹽水、電費(fèi)等成本）。機(jī)組年運(yùn)行小時(shí)數(shù)按照3000h計(jì)算，脫硝系統(tǒng)投運(yùn)時(shí)間按1500小時(shí)計(jì)算（按照低負(fù)荷時(shí)不投脫硝系統(tǒng)，75%負(fù)荷以上投入脫硝系統(tǒng)計(jì)算運(yùn)行成本）。

（2）人工成本約20萬(wàn)。

（3）投資成本：本方案投資約204萬(wàn)元。

合計(jì)成本354萬(wàn)元。

（4）收益估算。發(fā)電邊際貢獻(xiàn)約0.15元/kWh，改造后可提高機(jī)組負(fù)荷，按照年增加負(fù)荷小時(shí)數(shù)1500h、增加負(fù)荷15MW計(jì)算，可增加收入337萬(wàn)元。

一年左右即可收回投資。

（四）風(fēng)險(xiǎn)分析

1 由于電廠燃煤煤種復(fù)雜，運(yùn)行調(diào)整有較大困難，對(duì)NOx的達(dá)標(biāo)排放存在一定的不確定因素。

2 方案設(shè)想采用的煙氣量為設(shè)計(jì)煤種煙氣量，并做適當(dāng)調(diào)整，沒(méi)有實(shí)測(cè)各種煤質(zhì)情況下100%負(fù)荷時(shí)的煙氣量，計(jì)算上可能存在偏差。

3 方案設(shè)想采用的NOx原始濃度為鍋爐設(shè)計(jì)控制濃度的折算值，并做適當(dāng)調(diào)整，沒(méi)有實(shí)測(cè)各種煤質(zhì)情況下100%負(fù)荷時(shí)的NOx原始濃度，計(jì)算上可能存在偏差。

4 由于煤種變化，SO2的排放也將制約機(jī)組帶負(fù)荷能力，經(jīng)濟(jì)分析中沒(méi)有考慮，機(jī)組負(fù)荷可能受到SO2排放的制約。

5 尿素溶液濃度10%、20%的結(jié)晶溫度為0℃。為減少投資費(fèi)用，方案設(shè)計(jì)未考慮伴熱裝置，在極端氣候條件下，可能會(huì)出現(xiàn)尿素溶液的結(jié)晶，對(duì)運(yùn)行產(chǎn)生影響。

結(jié)論

目前，循環(huán)流化床鍋爐雖然采用低溫燃燒、分級(jí)燃燒技術(shù)等，有效的降低了煙氣中NOx的排放，但是仍然不能滿足《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB13223-2011）提出的要求。煙氣中NOx的排放已經(jīng)嚴(yán)重制約機(jī)組帶負(fù)荷能力，國(guó)內(nèi)部分循環(huán)流化床鍋爐已經(jīng)實(shí)施了脫硝系統(tǒng)的改造，但是投資大，工期長(zhǎng)，投資回報(bào)周期長(zhǎng)。

內(nèi)江發(fā)電廠高壩電廠CFB鍋爐，通過(guò)簡(jiǎn)易的脫硝試驗(yàn)驗(yàn)證了脫硝改造的技術(shù)可能性。本文借鑒部分電廠成功改造經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合電廠實(shí)施的簡(jiǎn)易脫硝試驗(yàn)，利用目前現(xiàn)有設(shè)施，綜合分析諸方面因素，論證了以小投資，短工期、高收益實(shí)現(xiàn)循環(huán)流化床鍋爐脫硝系統(tǒng)改造的可行性。

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[2]陳杭君，趙華，丁經(jīng)緯.火電廠煙氣脫硝技術(shù)介紹[J].熱力發(fā)電，2005（02）.

[3]趙全中，田衛(wèi)兵.火電廠煙氣脫硝技術(shù)介紹[J].內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2008：26 （04）.

[4]內(nèi)江發(fā)電廠.奧斯龍公司循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行和維護(hù)手冊(cè)[Z].

[5]內(nèi)江發(fā)電廠.100MW機(jī)組鍋爐運(yùn)行規(guī)程[S].

[6]內(nèi)江發(fā)電廠.100MW機(jī)組鍋爐檢修規(guī)程[S].

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