低氮燃燒加SNCR脫硝技術改造在神木公司的應用

劉曉云

摘 要：根據NOx生成原理及控制技術，擬定了低氮燃燒加SNCR的脫硝工藝路線。并結合某神木公司410t/h高溫高壓煤粉鍋爐脫硝項目，分析了具體工藝流程和技術特點，并根據投運效果證明該路線的可行性。

關鍵詞：低氮燃燒；SNCR；脫硝；鍋爐

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.08.034

神木發電有限公司共裝有2臺110MW燃煤汽輪機發電機組，所安裝鍋爐為北京巴威公司生產的B&WB-410/9.81-M型高壓鍋爐，燃煤按神府煤種設計，屬于優質煙煤，灰含量只有11%，實際燃煤為神木煙煤，四角切圓布置直流煤粉燃燒器，空氣預熱器為管式空預器，分為上中下級布置，省煤器分為上下級并且與上下級空氣預熱器交錯布置在尾部豎井煙道內部；制粉系統采用中間儲倉式、乏氣送粉制粉系統；鍋爐布置為單鍋簡，集中下降管，固態排渣、自然循環煤粉鍋爐；除塵方式電除塵；脫硫方式為兩爐一塔循環流化床干法脫硫系統。目前兩臺機組出口煙氣SO2排放濃度≤100mg/Nm3，煙氣含塵量濃度≤30mg/Nm3，NOx排放濃度為800～900mg/Nm3。

為遵從國家環保政策的要求，滿足日益嚴格的環保排放標準，進一步減少NOx排放總量，堅持科學發展觀，實現可持續發展戰略，更好地為集團公司的發展和神木縣環境保護和生態城市建設貢獻力量，擬為中電國華神木發電有限公司2×110MW燃煤機組配置脫硝裝置。

1 鍋爐NOx生成與控制

1.1 NOx生成

燃煤鍋爐排放的NOx主要由NO、NO2及微量N2O組成，其中NO含量超過90%，NO2約占5～10%，N2O量只有1%左右。理論上NOx的生成有三條途徑，即：熱力型、燃料型與瞬態型。其中，燃料型NOx所占比例最大。

1.2 NOx控制

燃煤鍋爐的NOx控制主要分為爐內低NOx燃燒技術和爐后煙氣脫硝技術兩類，其控制機理主要為爐內低NOx燃燒技術主要通過控制當地的燃燒氣氛，利用欠氧燃燒生成的HCN與NH3等中間產物來抑制與還原已經生成的NOx。對于爐膛出口煙氣中的NOx，可在合適的溫度條件或催化劑作用下，通過往煙氣中噴射氨基還原劑，將NOx還原成無害的N2和H2O。

經過多年研究與發展，燃煤鍋爐的NOx控制技術已日趨成熟，國內外廣泛采用的NOx控制技術主要有：低NOx燃燒器、空氣分級、燃料分級、燃料再燃、選擇性催化還原SCR、選擇性非催化還原SNCR、SNCR/SCR混合法等。根據NOx控制要求不同，這些技術既可以單獨使用也可以組合使用。神木發電公司的兩臺燃煤鍋爐均采用直流燃燒器，因此低NOx燃燒器的技術分析只針對直流燃燒器。

（1）低NOx燃燒器 NOx燃燒器采用特定機構將煤粉濃縮分離，在燃燒初期形成局部的煤粉濃淡偏差燃燒來控制NOx生成。低NOx燃燒器的脫硝效率約為20～40%。

（2）爐內空氣分級煤粉燃盡前，在低NOx燃燒器的火焰下游維持一定程度的還原性氣氛，是進一步控制爐內NOx生成的一個重要措施。常規手段是改變傳統集中送風的方式，將部分助燃空氣從主燃燒器區域分離出來，通過燃燒器上方的噴口送入爐內，在爐膛高度方向形成空氣分級（SOFA）燃燒的模式。分級風主要用于后期的煤粉與CO燃盡。分級風主要有緊湊型、單級分離型及多級分離混合型等三種。空氣分級與低NOx燃燒器相配合，可降低NOx排放約40～60%。空氣分級程度及分級風噴口與主燃燒器區域的距離，決定了燃燒器區域的還原性氣氛程度及煤粉在欠氧條件下的停留時間，從而影響到NOx的生成濃度。為改善早期低NOx燃燒系統所存在的煤粉燃盡程度低、水冷壁結渣及高溫煙氣腐蝕等缺陷，現代低NOx燃燒系統采取邊界風、側壁風、二次風大偏斜及濃淡偏差燃燒等措施，在燃燒器噴嘴附近或爐膛中央營造欠氧燃燒環境，并使水冷壁處于氧化氣氛，提高煤粉初期的燃燒速度。此外，利用新型燃盡風噴口結構，強化分級風的穿透能力，提高分級風與煙氣的混合程度，改善煤粉與CO的后期燃盡。

（3）燃料再燃爐內空氣分級使煤粉燃燒初期處于欠氧環境，在一定程度上會延遲燃燒。為在控制NOx生成的同時，還不降低煤粉燃盡。再燃技術將高效低NOx燃燒器、燃料再燃及空氣分級等技術結合在一起，利用再燃過程的中間產物還原已經生成的NOx，在爐膛內形成主燃區、再燃區和燃盡區。約80～85%的一次燃料噴入主燃區，在氧化氣氛（α=1.1～1.15）下劇烈燃燒；約15～20%的二次燃料（天然氣、油或高揮發分的超細煤粉）于再燃區噴入爐膛，在強還原氣氛（α=0.7～0.9）條件下，二次燃料燃燒產生大量碳氫原子團（HCN），將來自主燃燒器區域的NOx還原成N2；剩余二次風由OFA噴口送入燃盡區，富氧（α=1.15）燃燒未燃燼碳與CO。再燃技術在控制NOx排放的同時，兼顧燃盡、結渣與腐蝕等鍋爐性能，是目前最先進的低NOx燃燒技術，NOx降低率約為50～70%。該技術的NOx控制能力與爐膛沿程上的氧量控制密切相關，對鍋爐的運行操作方式及控制精度要求非常高。

（4）低NOx燃燒優化系統爐膛內的煤粉燃燒是一個復雜的整體系統，通過低NOx燃燒優化控制系統量化各參數之間的非線性內在關系，可充分挖掘現有燃燒裝置的NOx控制潛力。

燃燒優化系統利用多變量非線性回歸學習方法，將熱力試驗數據與歷史數據相結合，在控制變量（鍋爐效率、空氣系數、過熱汽溫、再熱汽溫、煙氣成分等）、操作變量（風量、小風門開度、風箱與爐膛差壓等）以及擾動變量（煤質組成、負荷要求、大氣環境變化等）之間，構造出一種對應關系。當擾動變量發生變化時，燃燒優化系統操作變量進行精確調節，以維持控制變量處于良好狀態。

低NOx燃燒優化系統是通過精確調節運行方式來實現NOx控制的，可降低NOx排放約10～30%。其NOx控制能力受到現有硬件設備性能的制約，且難以兼顧隱性模糊變量（結焦程度與腐蝕等），易導致鍋爐燃燒方式走向極端，影響鍋爐其它性能。

（5）選擇性非催化還原技術（SNCR）在爐膛出口與屏式過熱器附近煙氣溫度約850～1150℃區間，向爐內噴射氨水或尿素溶液，將高溫煙氣中的NOx直接還原成無害的N2和H2O。SNCR技術的脫硝效率約為30～50%，氨逃逸濃度可控制在10μL/L以下，適用于NOx減排要求相對較低的情況。SNCR系統的脫硝效果受到爐膛內溫度場、速度場以及脫硝還原劑噴射均勻性等因素影響，其中如何將還原劑送入爐內合適的位置起決定性作用。

2 鍋爐設計參數及煤種

2.1 鍋爐設計參數

2.2 設計煤種

神木發電有限公司2×110MW鍋爐燃煤為混煙煤，主要使用周邊大柳塔煤礦生產的原煤與部分小窯煤生產的煙煤的混合。單臺鍋爐燃煤量約為47t/h，兩臺鍋爐每天燃煤約2256t/d。

3 低NOx燃燒改造方案

3.1 性能要求

綜合分析國內外相關的低NOx燃燒技術，對于本工程通過燃燒技術的升級改造，要求達到如下性能要求：

（1）NOx排放濃度控制在350mg/Nm3；

（2）鍋爐效率降低絕對值不超過0.5%；

（3）不引起鍋爐結渣與高溫煙氣腐蝕；

（4）不改變鍋爐最大出力，保證主汽溫及壓力在正常范圍。

3.2 工藝方案

針對中電國華神木發電有限公司鍋爐的燃燒技術與鍋爐性能現狀，燃燒技術改造方案（如圖1）。

低NOx燃燒器改造方案的思路是在保持鍋爐原四角切圓直流燃燒器設計原則不變的前提下，充分利用原燃燒器的優點，合理增加布置SOFA風，改進其它燃燒器噴口結構，以達到基本保持原有飛灰含碳量、爐渣含碳量、鍋爐效率不變、鍋爐蒸汽參數穩定、NOx排放量下降的目的，具體如下：

（1）沿高度方向上二次風進行重新分配，增設三層高位燃盡風，燃盡風總量在30%左右，燃盡風取自左右側兩個大風箱。這三層燃燼風分隔布置，逐步進入爐內燃燒。燃燼風結構上可實現上下左右擺動，運行時通過噴口擺動角度的調整，達到一最佳效果。

（2）對一次風噴口進行調整，采用水平濃淡燃燒技術。煤粉濃淡分離器將大部分煤粉分離到濃側，實現燃燒前期的氧量控制，使得揮發份氮轉化為N2，從而降低揮發分NOx的生成；淡側煤粉量很少，空氣系數較高，煤粉熱解過程溫度相對較低，揮發份N向NOx的轉化率也將降低。

（3）對一、二次風切圓直徑進行優化，實現徑向空氣分級燃燒。合理的一、二次風射流夾角除了可以控制NOx生成，還可以在爐內形成“風包粉”的燃燒效果，既可以保證穩定燃燒，又能降低水冷壁高溫腐蝕風險，并防止水冷壁結渣。

（4）在一次風噴口周圍新增周界風噴口，并且偏置周界風噴口，向火側周界風量較小，背火側周界風量較大，可以在水冷壁附近形成局部富氧環境，降低水冷壁結焦風險。同時周界風噴口與一次風煤粉射流成一定夾角，可以起到防止煤粉沖刷水冷壁、保護噴口，調節著火距離以及實現細部空氣分級的作用，對控制NOx排放有利。

通過以上技術措施，保證鍋爐NOx排放達到改造要求，同時鍋爐效率不降低，蒸汽參數正常，鍋爐運行穩定。

3.3 電氣、儀表及控制系統

（1）電氣系統。低氮燃燒改造系統用電負荷主要包括新增風門執行機構及儀表。現場從DCS間鋪設電源線，為新增加的設備提供電源。壓力變送器、電動執行器反饋信號、分析儀表采用4-20mA信號送至電廠原DCS系統。執行器給定信號接受原電廠DCS 4-20mA信號。

（2）控制系統。低氮燃燒改造控制系統的自動監測與控制進入電廠DCS系統，可以在DCS上面實現對風門執行機構和SOFA噴口上下擺動的自動調節，運行參數自動檢測和儲存，使系統實現自動控制。操作人員通過鍵盤、鼠標就能完成風門執行系統的開關操作，并實時監視煙氣分析數據。整個系統受電廠原DCS系統控制。

4 SNCR改造方案

4.1 性能要求

通過低NOx燃燒器將NOx降低到約350mg/Nm3基礎上，可采用SNCR裝置將NOx降低到約200mg/Nm3，脫硝效率約43%，同時要求氨逃逸濃度小于10μL/L，對鍋爐效率的影響低于0.5%。

4.2 工藝設計參數

針對中電國華神木電廠2臺鍋爐的NOx排放現狀與NOx控制要求，SNCR裝置與低NOx燃燒器相結合時的初步設計參數（如表3）。

4.3 工藝布置

考慮到爐膛截面尺寸為9.98×9.98m，SNCR只采用墻式噴槍就能有效保證還原劑與煙氣的充分混合，SNCR合適的反應溫度在870～1150℃之間，根據爐膛溫度分布的特點，合適的溫度區間大概在鍋爐折焰角附近，同時為了滿足鍋爐負荷變化時爐膛溫度的變化，SNCR墻式噴槍應多層布置（SNCR噴槍布置示意圖3）

根據SNCR噴槍布置示意圖，可分3層布置，以滿足不同負荷下SNCR反應所需，實際投運時，一般只投運1層，噴射層的高度要根據低NOx燃燒器改造后的爐膛溫度場再決定。根據現場勘查，折焰角上下的爐壁安裝條件較好，前后左右側均可以布置噴槍，每層建議布置9～15支噴槍，單臺鍋爐約布置34支噴槍。SNCR采用墻式噴槍就能有效保證還原劑與煙氣的充分混合，SNCR合適的反應溫度在870～1150℃之間，根據爐膛溫度分布的特點，合適的溫度區間大概在鍋爐折焰角附近，同時為了滿足鍋爐負荷變化時爐膛溫度的變化，墻式噴槍采用氣力霧化方式，霧化粒徑的大小可通過調整霧化介質的壓力進行調整，霧化介質既可以采用壓縮空氣，也可以采用低壓蒸汽。通過調整噴槍的噴槍動量、流量及霧化壓力來實現不同負荷工況下粒徑的穿透深度，從而促進還原劑與煙氣的混合，提高脫硝率，降低NH3逃逸。

SNCR煙氣脫硝系統主要還原劑為工業尿素，由還原劑儲存供應系統、稀釋水系統、流量控制系統和噴射系統四個系統滿足要求。

5 實際運行效果

神木公司于2014年10底完成了兩臺鍋爐NOx燃燒改造和SNCR改造，根據機組不同運行工況分析：在110MW時，鍋爐低氮燃燒投運，噴氨系統停運時，空預器入口處平均煙氣溫度為410.5℃，NOX平均濃度為181.0mg/Nm3（標態、干基、6%O2 ）；噴氨系統投運后，實測空預器入口處平均煙氣溫度為431.9℃，NOX平均濃度為124.1mg/Nm3（標態、干基、6%O2），脫硝效率為31.4%，NH3逃逸率2.10mg/m3。在100MW時，鍋爐低氮燃燒投運，噴氨系統停運時，實測空預器入口處平均煙氣溫度為410.5℃，NOX平均濃度為195.0mg/Nm3（標態、干基、6%O2 ）；噴氨系統投運后，實測空預器入口處平均煙氣溫度為418.8℃，NOX平均濃度為123.3mg/Nm3（標態、干基、6%O2），脫硝效率為36.8%，NH3逃逸率0.76mg/m3在。80MW時，鍋爐低氮燃燒投運，噴氨系統停運時，實測空預器入口處平均煙氣溫度為363.2℃，NOX平均濃度為189.5mg/Nm3（標態、干基、6%O2 ）；噴氨系統投運后，實測空預器入口處平均煙氣溫度為418.8℃，NOX平均濃度為104.6mg/Nm3（標態、干基、6%O2），脫硝效率為44.8%，SNCR退出運行。

6 結語

通過對神木公司兩臺鍋爐低NOx燃燒加SNCR脫硝技術改造，從三個工況測試結果看，鍋爐效率較前有所提高，正常運行下空預器入口的濃度基本被控制在200mg/Nm3以內，各工況下出口NOX排放濃度均滿足國標和設計指標要求（設計不大于190mg/Nm3），脫硝效率基本達到設計要求，NH3逃逸率2mg/m3左右，脫硝改造總體達到設計要求。

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