CFB鍋爐脫硝系統運行優化調整

李季 劉澤斌 趙德明

摘 要：目前#24CFB鍋爐在低氮燃燒的基礎上增設SNCR脫硝系統，由于#24爐運行工況限制以及執行超低排放標準，造成尿素使用量較大。為了有效降低尿素用量，控制排放風險，提高脫硝效率，擬對當前運行工況和現有脫硝設備進行運行優化調整。進一步的改進優化措施有：控制一次脫硫和二次脫硫的比例；調節噴槍分組投入情況；調整稀釋水壓力；優化尿素流量調節門控制模塊自動調節邏輯。針對現有設備經過理論分析，優化調整的手段是可行的。經過優化調整后，提高了尿素利用率，增加了經濟效益，實施新的調整措施后每年可節約脫硝成本38余萬元。

關鍵詞：尿素；脫硝；影響因素；反應效率

1 項目背景

2012年1月1日國家開始實施新的《火電廠大氣污染物排放標準》，氮氧化物排放限值調整為100mg/m3。河北華電石家莊熱電有限公司八期四臺410t/h循環流化床鍋爐，脫硝技改工程在鍋爐本體已有的低氮燃燒基礎之上，增設SNCR脫硝系統。系統最初設定：（1）脫硝裝置NOx脫除率不小于60%。（2）氨逃逸不大于10ppm。（3）尿素耗量：在BMCR負荷時，且出口煙氣NOx排放值小于100mg/m3時，系統尿素耗量≤150 L/h（單臺爐）。2014年由于京、津、冀地區受霧霾嚴重的影響，提出了超低排放的要求，氮氧化物的排放限值下調到50mg/m3，環保壓力異常嚴峻。

在燃燒過程中由于#24爐床溫較高，運行中尿素溶液消耗量大，增加了公司環保投入成本，同時尿素溶液的噴入量過多，導致氨逃逸上升甚至超標，同時加重了尾部受熱面積灰，造成排煙溫度上升，對鍋爐尾部煙道受熱面和布袋除塵器的安全運行構成了威脅。技術攻關小組成員經過深入調查和分析，希望可以通過運行優化調整使當前運行狀況得以改善，尿素溶液用量有所降低。

2 設備概況

2.1 鍋爐概況

石熱公司#21至#24鍋爐為4臺410t/h循環流化床鍋爐（#21-#22機組采用兩爐對一機的運行方式），石熱公司#21至#24循環流化床鍋爐是東方鍋爐廠生產的DG410/9.81-9 型循環流化床鍋爐。該鍋爐是高溫高壓、單汽包、自然循環鍋爐，采用循環流化床燃燒方式、高溫分離物料、固態排渣、干式輸送、平衡通風、半露天布置。鍋爐主要由一個膜式水冷壁爐膛、兩臺旋風分離器、自平衡“J”型回料閥，水冷滾筒冷渣器和尾部對流煙道組成。鍋爐脫硫分為爐內噴入石灰石粉干法脫硫和引風機出口煙氣引至吸收塔進行濕法脫硫，煙氣兩級除塵（電除塵和布袋除塵）后經煙囪排入大氣。

2.2 SNCR脫硝裝置概況

2.2.1工藝流程

脫硝系統主要分為噴射區和還原劑儲存制備區兩個區域。噴射區主要包括尿素噴射裝置、稀釋水泵和噴射區輔助系統。尿素噴射裝置安裝在旋風分離器入口水平煙道，尿素溶液依靠高溫煙氣分解成有效NH3，使煙氣中NOx和還原劑分解的有效成分NH3充分接觸、反應，從而達到降低排煙中NOx含量的目的。

脫硝還原劑儲存、制備、供應系統包括尿素倉庫、尿素溶液制備罐、加熱蒸汽及疏水回收系統、尿素溶液供應泵、尿素溶液存儲罐、尿素溶液循環泵、計量分配裝置、稀釋水系統、水沖洗系統等。此套系統提供5%-10%濃度的尿素溶液供脫硝反應使用。

2.2.2反應原理

3 脫硝現狀及優化目標

3.1 現狀調查

根據表1所示2016年前五個月尿素消耗量以及氨逃逸超標次數和時間的統計，可見運行中尿素用量大尤為明顯。尿素溶液的噴入量過多，導致氨逃逸上升甚至超標，同時會加重尾部受熱面積灰，造成排煙溫度上升，對設備的安全運行構成了威脅。

3.2 目標設定

目標設定分析：1）在投運以來的幾個月中#24爐尿素溶液用量曾多日出現過低至100L/h甚至更低的情況。因此經過分析，認為通過合理調整可以將其變為常態。2）根據循環流化床的特性，其燃燒溫度較低，相應產生的NOx相對較少，目前尿素液量明顯偏大，有較大的降低空間。3）我們小組成員均為技術骨干，都有著較強的理論知識和解決實際問題能力。

基于以上幾點，我們希望在保持固有燃燒的基礎上通過優化調整來降低運行當中尿素溶液使用量。

4 技術方案、路線及因素分析

4.1 技術方案、路線

4.2 循環流化床鍋爐運行中影響NOx生成的主要因素

4.2.1燃煤成分的影響

鍋爐燃燒生成的NOx主要來自燃煤中的氮，燃煤中氮含量越高，則生成的NOx就越高。燃煤里揮發分中的各種元素比也會影響到NOx的排放量，其中，O、H含量越高，生成NOx排放量越高，同時NO越難于被還原；另外，因為S和N氧化時會相互爭奪氧，所以SO2排放提高，則NOx排放會降低。

4.2.2氧量的影響

降低氧量，在一定程度上可減弱熱力型NOx和燃料型NOx的生成，然而過低的氧量會使CO濃度增加，燃燒效率下降，鍋爐熱效率降低。一二次風合理的配比，也會降低NOx生成。適當降低一次風量、增加二次風量，N被氧化的速度減弱，NOx生成量就會下降，但是前提一定要保證鍋爐流化質量。二次風從燃燒密相區不同高度分層送入，通過調節各分管閥門控制層間風量比，有望控制NOx排放量達到最低水平。

4.2.3床溫的影響

床溫對NOx的排放量的影響很大，即隨著床層溫度的提高，NOx的排放量將升高，因此，可以通過降低床溫來控制NOx的生成量。但是，床溫的降低會使燃燒效率下降，負荷受限；同時不利于N2O的分解，會使得N2O的排放濃度增加。

4.2.4石灰石的影響

在循環流化床鍋爐爐內脫硫中，加入石灰石是為降低SO2的排放量，同時，對NOx的排放量也會產生明顯上升影響。石灰石的影響主要體現在兩個方面，一個是過多的CaO作為強催化劑會強化燃煤中氮的氧化速度，使NO的生成量增加；另一個是過多的CaO和CaS作為催化劑對燃煤中生成NO的貢獻大于其對還原性氣體還原NO的貢獻，所以，會使NOx生成量增加。為了保證脫硫效率，應采用品質較好的石灰石，同時控制石灰石粒度，保證最佳的Ca/S，減少富余CaO和CaS的生成。

5 創新方案實施

所謂創新就是在固有燃燒調整的基礎上增加新的有效的調整手段，通過原因分析有針對性的進行運行調整。

常規手段主要是根據現有運行要求：通過值長協調摻配煤比例，及時反饋配煤指標變化，提前預判，合理調節一、二風配比，適當降低氧量，控制床溫煙溫的變化，減少系統漏風。

針對#24爐當前運行狀況我們提出四點創新調節手段。

5.1 調節兩級脫硫比例

根據配煤指標變化，尤其是揮發分、硫分變化較大時，適當調節兩級脫硫比例。

根據圖1中石灰石用量與尿素溶液用量之間的關系，針對煤質當中揮發分對NOx排放的影響我們得出：（1）煤質當中揮發分≤28%時，正常控制鍋爐出口二氧化硫排放值控制在800-900mg/m3。（2）煤質當中揮發分>28%時，適當提高濕法脫硫出力，降低本爐脫硫出力，二氧化硫排放至控制在900-1000mg/m3。（3）煤質當中揮發分>35%時，進一步提高濕法脫硫出力，二氧化硫排放至控制在1000-1100mg/m3。

根據煤質當中揮發分含量對NOx排放的影響及時調節一、二次脫硫比例可以達到提高脫硝效率，降低系統尿素溶液用量，減少氨逃逸值的目的。

5.2 噴槍投入情況

因為目前#24爐運行工況達不到原脫硝系統設計，并且長時間運行后發現返料有結塊現象，所以決定對噴槍的組合形式進行試驗。尿素噴槍不同組合投入。不同負荷下尿素噴槍不同組合方式，對氨逃逸及尿素流量的影響。

根據圖2、圖3、圖4所示實驗結果我們發現下層噴槍受水平煙道下部煙氣流速及積灰影響，降低了尿素對氮氧化物的還原效率，所以我們根據當前設備具體運行狀況對噴槍投入數量及組合情況進行調整，以便達到更好的脫硝效果，投入上層和中上層噴槍尿素溶液使用量最少、脫硝效率最高、氨逃逸值最低。

5.3 調節稀釋水壓力

如圖2、圖3、圖4所示稀釋水壓力變化對脫硝的影響。在鍋爐負荷較低時，由于煙氣流速較低，尿素溶液和煙氣的混合相對較差，這時適當提高稀釋水壓力，提高霧化效果，尿素溶液可以和煙氣更好的進行混合，提高脫硝效率。但隨著鍋爐負荷升高，通過提高稀釋水壓力來提高脫硝效率的效果會越來越弱。所以綜合來看，在鍋爐負荷小于310t/h時，稀釋水壓力不低于0.7MPa，鍋爐負荷大于310t/h時，稀釋水壓力維持在0.5-0.7MPa之間。通過不同負荷時對稀釋水壓力的調整可以提高脫硝效率，降低尿素溶液用量和減少氨逃逸的排放。

5.4 優化尿素溶液調整門自動控制邏輯

原脫硝系統尿素溶液調整門自動控制邏輯只有NOx排放測量值作為反饋信號，當鍋爐負荷、氧量、煤量出現擾動時，PID調節時擾動較大，調節時間長，穩定性差。

綜合考慮，建議將鍋爐負荷、氧量、煤量等能影響NOx排放的因素作為前饋信號（直接反應鍋爐燃燒變化）。將單臺爐NOx排放值和吸收塔出口NOx排放值對比，同時提高NOx測量儀測量精度，降低故障率，減少對自動調節的調節擾動。此方案已和熱工車間共同提出并上報，等公司批準后進行技改。

現階段，主要是運行人員要及時切為手動進行操作，尿素溶液用量波動明顯減小，降低了尿素溶液用量，減少了氨逃逸的排放。

6 優化調整后效果及對比

6.1 優化調整后效果

6.2 效果對比

如圖5對比所示，對脫硝系統進行運行優化調整后2016年7-11月尿素溶液用量和氨逃逸值較2016年1-5月有了顯著的降低，尿素用量較1-5月份減少0.082kg/t，降幅為42.7%；氨逃逸超標時間較1-5月份減少4.14h/天，降幅為90.6%，氨逃逸超標次數較1-5月份減少0.5次/天，降幅為71.4%。大大的降低了尿素投入成本以及減小了氨逃逸方面的環保壓力。

7 效益分析

7.1 經濟效益及計算依據〔單位：萬元（人民幣）〕

#24爐的尿素節約量：（0.192-0.11）*1071355/1000=87.85噸。按每噸尿素1700元計算，7-11月運行優化后節約成本約為14.93萬元。

7.2 安全效益

尿素溶液使用量的降低，減少了鍋爐尾部受熱面積灰，使排煙溫度有所下降，鍋爐運行潛在的尾部受熱面泄露、布袋除塵器損壞等問題得到有效控制，為機組的安全運行提供了可靠保證。

7.3 社會效益

在此次優化調整中，青年員工積極參與，充分發揮主觀能動性，解決了生產實際問題，激發了他們創新創效活力，相關技能水平得到提高，鍛煉了青年員工解決技術問題的能力，為公司技術人才的培育奠定了基礎；同時，大家意識到在運行調整控制方面還有很大的拓展空間，良好的活動氛圍為班組今后的創新創效活動打下了堅實的基礎，為公司提效增盈，安全生產提供了有力保證。

7.4 環境效益

此次優化調整，確保鍋爐煙氣氮氧化物達標排放，實現了機組的超低排放；同時尿素溶液投入量的降低，減少了環保投入成本，氨逃逸值也因為優化調整有了顯著的下降，減少了刺激性氣體（NH3）的排放，為公司節能減排工作做出了相應的貢獻和提供了有力保障。

8 創新性及推廣前景

本次脫硝系統運行優化緊緊圍繞清潔生產和污染物生產過程控制的理念，從氮氧化物的產生原理入手，達到了降低尿素溶液用量的目標。

脫硝系統運行優化調整方案有較強的可操作性和推廣性，我廠八期四臺同類型鍋爐均根據此優化調整方案進行具體實施，且效果顯著。此優化調整方案在全國范圍內大型CFB鍋爐中有著很高的借鑒意義，均可根據各自燃燒特性進行運行優化調整，降低尿素溶液消耗量。為公司的提質增效和節能降耗提供技術保障！

（注：此論文為產學研合作大學生創新項目研究成果）

作者簡介：

李季（1980-），男，助理工程師，主要從事電廠鍋爐運行工作；劉澤斌（1999-），男，北京師范大學第二附屬中學。