CFB鍋爐SNCR煙氣脫硝系統運行分析及改進

徐克濤，馮前偉，裴煜坤，張楊

(華電電力科學研究院，杭州　310030)

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CFB鍋爐SNCR煙氣脫硝系統運行分析及改進

徐克濤，馮前偉，裴煜坤，張楊

(華電電力科學研究院，杭州310030)

循環流化床鍋爐選擇性非催化還原(SNCR)煙氣脫硝，在低負荷工況下存在脫硝效率偏低、氨逃逸率高等問題。結合工程實踐，分析了循環流化床機組采用SNCR脫硝技術在不同工況下的運行情況，針對SNCR脫硝系統運行中存在的問題提出了相應的改進建議，為電廠安全、經濟、穩定運行提供依據。

循環流化床鍋爐；SNCR；煙氣脫硝；氨逃逸率；改進建議

0　引言

隨著新環保標準的頒布實施，循環流化床(CFB)鍋爐依靠自身特性已不足以滿足煙氣排放標準要求，而選擇性非催化還原(SNCR) 脫硝工藝具有成本低、占地面積小、設施簡單等優點，適于老電廠及中小型機組的脫硝改造。資料顯示，循環流化床鍋爐SNCR脫硝系統綜合脫硝效率可達50%～70%，滿足現有環保標準要求[1-2]。然而，由于受煤質條件變動、運行工況不穩定、運行操作不到位等因素影響，實際運行中存在各種問題，特別是在低負荷工況下，NOx難以實現達標排放。因此，全面了解循環流化床鍋爐的環保特性，摸清全負荷工況下SNCR運行情況，對于發電企業實現節能減排、降低企業生產成本和提高經濟效益具有重要意義。

1　SNCR脫硝技術概述

SNCR脫硝工藝是在無催化劑的作用下，在鍋爐爐膛溫度區域為800～1 100 ℃的范圍內噴入還原劑(如氨水、液氨或尿素等)，還原劑在高溫環境下迅速分解成NH3并與煙氣中的NOx發生還原反應，生成無害的N2和H2O的脫硝工藝[3-4]。以尿素為還原劑，主要化學反應如下。

(1)尿素熱解

(1)

(2)

(2)還原反應

(3)

(4)

(5)

2　SNCR脫硝系統運行情況

某電廠鍋爐為東方鍋爐廠生產的DG705/13.8-II-1型循環流化床(CFB)鍋爐，采用單汽包、自然循環、循環流化床燃燒方式，脫硝系統采用SNCR脫硝工藝。整套脫硝裝置主要包含還原劑存貯和制備系統、循環模塊、計量模塊、分配模塊、自動控制系統、還原劑噴射系統等[5]。

鍋爐的主要設計參數見表1(表中，BMCR為鍋爐最大連續蒸發量，低再為低溫再熱器，低過為低溫過熱器)，脫硝裝置設計煤質見表2，脫硝裝置的主要設計參數見表3。

表1　循環流化床鍋爐主要設計參數

表2　脫硝裝置設計煤質參數

表3　SNCR脫硝裝置的主要設計參數

3　脫硝系統運行情況對比分析

根據DL/T 260—2012《燃煤電廠煙氣脫硝裝置性能驗收試驗規范》等相關測試標準，分別在100%，75%和50%額定負荷工況下，對SNCR脫硝系統的運行情況進行測試并對比分析。

3.1NOx的生成

煤燃燒過程中，氮氧化物的生成量與燃料特性、燃燒溫度和過量空氣系數等因素密切相關。一般情況下，褐煤、頁巖等劣質燃料中氮的主要存在形態是胺，有利于NOx排放量增多，而煙煤、無煙煤中氮的主要存在形態是芳香環，NOx排放量相對較少；爐膛燃燒溫度升高，NOx的排放量將會提高，而在CFB鍋爐運行溫度范圍(750～950 ℃)內，床溫的變化對NOx的生成量影響不大；降低過量空氣系數，在一定程度上可降低反應區的氧濃度，從而降低NOx的生成量[6-8]。

測試結果表明：在100%額定負荷和75%額定負荷工況下，NOx質量濃度的波動范圍為240～270 mg/m3(標態、干基、6% O2，下同)，低于脫硝裝置設計值280 mg/m3；50%額定負荷工況下NOx質量濃度的波動范圍為380～420 mg/m3，遠高于設計值。因此，該廠NOx生成量受機組負荷變化影響較大，隨著機組負荷的降低，煙氣中NOx的質量濃度呈不斷升高趨勢。其主要原因為：該廠燃煤為劣質煤矸石，氧化鈣等含量較高，造成鍋爐運行過程中在脫除SO2的同時增加了NOx的生成，特別是在機組負荷低于50%額定負荷工況時該情況尤為突出；此外，低負荷工況時爐膛中氧濃度偏高，過量空氣系數較大，從而加劇了NOx的生成。 NOx的質量濃度隨負荷變化曲線如圖1所示。

圖1　NOx的質量濃度隨負荷變化曲線

3.2反應溫度

反應溫度是SNCR脫硝裝置穩定、高效運行的前提。適宜的噴氨溫度范圍為800～950 ℃，太高的噴入溫度會導致還原劑被氧化成NOx，使煙氣中的NOx含量不減反增；過低的噴入溫度則會導致反應不充分，造成還原劑流失，對下游設備造成不利影響[9]。由圖2可知，在100%額定負荷工況下，旋風分離器入口煙溫為880～920 ℃，平均床溫為840～880 ℃，處于最佳反應溫度區間；而在50%額定負荷工況下，旋風分離器入口煙溫和平均床溫為740～780 ℃，偏離最佳反應溫度。此外，在低負荷工況時，爐膛中部燃燒溫度為830～870 ℃，爐膛兩側溫度為730～760 ℃，溫度偏差達到約100 ℃。床溫偏差過大不但影響鍋爐安全經濟運行，也影響鍋爐污染物生成量，在實際運行中需要嚴格控制，盡量降低床溫偏差。

圖2　反應溫度隨負荷變化曲線

3.3脫硝效率

脫硝效率是反映脫硝系統整體性能的關鍵因素之一。由圖3可知，在100%和75%額定負荷工況下，SNCR脫硝系統的效率保持在70%以上，出口NOx排放質量濃度小于70 mg/m3，可滿足當前環保排放限值的要求；在50%額定負荷工況下，SNCR脫硝系統的效率在50%左右，出口NOx排放質量濃度大于150 mg/m3，不能滿足當前環保排放限值的要求。在機組較高負荷時，機組運行參數在設計運行范圍內，脫硝裝置可以維持較高的脫硝效率；而在低負荷工況時，煙氣參數偏離設計值，脫硝反應未達到理想的反應環境，脫硝效率相對偏低，且試驗發現，增加還原劑投入量對提高脫硝效率的作用不大。

圖3　脫硝效率隨負荷變化曲線

3.4還原劑耗量

還原劑的耗量受機組煙氣量、NOx質量濃度以及脫硝效率等因素的影響。由圖4可知，在100%和75%額定負荷工況下，SNCR脫硝系統的效率保持在70%以上，還原劑耗量分別為248，193 kg/h，NOx排放質量濃度滿足當前環保排放限值的要求；在50%負荷工況下，SNCR脫硝系統的效率在50%左右，還原劑耗量為157 kg/h，NOx排放質量濃度高于當前環保排放限值的要求。隨著機組負荷的增加，還原劑的耗量并非呈線性增加，低負荷工況下，反應溫度相對較低，還原劑耗量較大，部分還原劑未參加反應，并且隨著還原劑投入量的繼續增加，脫硝裝置出口氮氧化物質量濃度呈上升趨勢。

圖4　還原劑耗量隨負荷變化曲線

3.5氨逃逸量

氨逃逸量是反映SNCR脫硝系統整體性能的另一關鍵因素。氨逃逸量的多少對后續設備的安全穩定運行至關重要，逃逸氨與SO3相互作用，易在空氣預熱器低溫段積垢，造成空氣預熱器積灰阻塞；同時影響除塵區飛灰的品質，從而影響發電企業的經濟效益。由圖5可知，在100%額定負荷工況下，氨逃逸量在3 mg/m3左右；在50%負荷工況下，氨逃逸量在6 mg/m3左右。其主要原因是，低負荷工況下反應煙溫較低，還原劑耗量較大，流失嚴重，造成氨逃逸濃度增加，且隨著還原劑量的繼續增加，脫硝效率變化不大，而氨逃逸量呈急劇增加的趨勢，既影響企業的經濟性，又對下游設備造成不利的影響。因此，需要嚴格控制氨逃逸量。

4　SNCR煙氣脫硝裝置改進建議

(1)從源頭上控制NOx。根據目前燃煤市場供應情況，在保證企業經濟效益的基礎上，充分考慮燃煤對環保設施的影響，盡量選擇品質較好、污染物生成量少的煤源，減少低負荷工況下燃煤煤質對NOx生成的影響。

(2)鍋爐側改造及優化調整。根據電廠床溫特性，對旋風分離器入口煙道進行改造，以提高其入口煙氣流速，增加返料量，提高床溫均勻性；適當加大兩側給煤機出力，減少中間給煤機出力，適當降低中部燃煤量，降低床溫偏差；優化鍋爐運行方式，合理調整風量配比，使鍋爐各工況燃料型NOx排放得到有效控制。

圖5　氨逃逸量隨負荷變化曲線

(3)脫硝裝置設施優化調整。優化噴射區流場配置，提高還原劑在煙氣中的均勻性，進而提高SNCR脫硝效率以及運行經濟性；調整尿素溶液與壓縮空氣比例，通過現場霧化調整試驗確定最佳霧化參數[10]；優化稀釋水流量控制系統，嚴格控制稀釋后尿素溶液濃度，減少稀釋水用量，降低對鍋爐效率的影響，提高運行經濟效益。

(4)脫硝裝置控制系統優化調整。優化分散控制系統(DCS)，使用前饋調節模式，保證脫硝系統能夠根據負荷變化自動調節工藝參數，以實現脫硝系統的穩定運行，并保證脫硝效率。

(5)脫硝工藝改造。對現有的脫硝裝置，考慮采用“低氮燃燒+SNCR”脫硝工藝、“SNCR+選擇性催化還原(SCR)”聯合脫硝技術進行提效改造以提高其性能，達到超低排放目標[11]。

5　結束語

SNCR煙氣脫硝技術在中小型CFB鍋爐上有著廣泛的應用前景。在實際運行過程中SNCR脫硝系統存在著各種問題，特別是在低負荷工況時，反應溫度低、脫硝效率偏低、氨逃逸量大、NOx難以實現達標排放等問題尤為明顯。因此，研究全負荷工況下CFB鍋爐煙氣脫硝技術尤為重要，對提高企業經濟效益和社會效益具有重要意義。

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(本文責編：白銀雷)

2016-04-06；

2016-06-10

X 701

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1674-1951(2016)07-0070-04

徐克濤(1985—)，男，河南許昌人，工程師，工學碩士，從事火電廠煙氣環保工程技術等方面的研究工作(E-mail:xukt_2010@163.com)。