煤粉鍋爐低氮燃燒及SNCR聯合脫硝技術研究

張 攀范祥子

(煤科集團杭州環保研究院有限公司,浙江杭州 311200)

0 引 言

NOx是大氣主要污染物之一,其與碳氫化合物在強光下易造成光化學污染;NOx還是酸雨、臭氧、灰霾等污染形成的主要因素,對人類健康和生存環境造成嚴重危害。為貫徹落實GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》,2003年12月31日前建成投產的煤粉爐NOx排放質量濃度必須低于200 mg/Nm3,之后建成的煤粉鍋爐NOx排放質量濃度必須低于100 mg/Nm3。目前早期建成的煤粉鍋爐NOx產生濃度在500～800 mg/Nm3,環保改造勢在必行。

燃煤電廠的NOx控制技術,根據其在燃煤過程中所處的位置可分為3類:燃燒前控制技術、燃燒中控制技術和燃燒后控制技術。①燃燒前控制技術是降低燃料中的氮含量,如采用選煤、配煤等方法減少煤中氮含量,該技術投資和運行費用一般較高,而且對熱力型NOx無明顯效果,應用有限[1]。②燃燒中控制技術是指改進燃燒系統減少NOx的生成量,即低氮燃燒技術,但脫硝效率只有40%左右。在鋼鐵廠等具有焦爐煤氣氣源的情況下,可以采用氣體再燃技術降低NOx原始排放,但對鍋爐的運行造成一定影響,例如導致爐膛內局部還原性氣氛增強,影響灰渣的結渣,使SO2還原生成腐蝕性的H2S,影響水冷壁壽命[2]。③燃燒后控制技術是采用非燃燒的方法把煙氣中已經生成的NOx還原成N2。燃燒后控制技術主要有選擇性催化還原法(SCR)[3]、選擇性非催化還原法(SNCR)、SNCR+SCR聯合脫硝[4]和氧化脫硝[5]等;其中SCR技術脫除效率最高(＞90%),但需要安裝催化劑,占地大,改造投入高,且SCR脫硝裝置催化劑運行有嚴格的溫度范圍,偏離該范圍不能投運。因此,必須對現有機組進行技改,以提高低負荷時SCR脫硝裝置進口煙溫,滿足SCR脫硝裝置運行的最低溫度限值[6]。此外,SCR催化劑對使用工況較為嚴格,遇到高溫、高灰、高鈣的工況會出現催化劑燒結、堵塞、失活的現象[7]。SNCR技術工藝簡單,在循環流化床鍋爐上應用良好,但應用于煤粉鍋爐上脫硝效率較低,只有30% ～50%。呂洪坤等[8]研究提出,高負荷條件下SNCR脫硝效果較差,吸收劑難以均布在爐膛截面。

煤粉爐的燃燒溫度一般為1 200～1 500℃,由于爐內燃燒溫度過高,導致NOx排放濃度較高,為500～800 mg/Nm3。煤粉爐內水冷壁的爐墻圍成一個較大空間即為爐膛,爐膛尺寸大,SNCR噴出的溶液很難深入到爐膛中心,無法均勻覆蓋整個爐膛截面。與循環流化床鍋爐相比,煤粉鍋爐的出口沒有旋風分離器,難以實現煙氣和氨氣的良好混合。對于環保標準出臺以前建造的鍋爐,設計時未預留脫硝改造的位置,改造難度大。目前新建的煤粉爐多采用低氮燃燒+SCR工藝,效率可達90%;但對年代久遠的鍋爐采用SCR難度較大,因SCR占地空間大,需要布置在尾部煙道與布袋除塵器之間,很多電廠不具備這樣的條件。針對各種脫硝技術或者組合工藝技術,脫硝路線的選擇綜合考慮了鍋爐現狀、要求目標、經濟效益等多方面的因素。首先選擇低氮燃燒工藝投資成本低、且后期運行成本較低,脫硝效率在40%左右,為后期SNCR的脫硝打好基礎。同時鍋爐燃燒后選用SNCR工藝,工藝簡單,不改變鍋爐結構,脫硝效率可以達到30% ～50%,不增加鍋爐阻力,不需要安裝脫硝反應器。燃燒過程脫硝最基本的思想是使爐內形成一個缺氧富燃料區域和一個富氧低燃料區域[9]。在缺氧富燃料區,因為缺氧火焰溫度較低,熱力型NOx的生成就少,而且燃料熱解產生的還原性物質能將燃料型的NOx還原。在富氧區,因為空氣量很大,同樣火焰溫度不高,熱力型生成量減小[10]。

SNCR的工藝流程如圖1所示。SNCR工藝是一個燃燒后的脫硝過程,通過在鍋爐中噴入適量的尿素/氨水等脫硝還原劑去除NOx。脫硝還原劑噴入爐膛溫度為850～1 250℃的區域,無催化劑作用下,NH3或尿素等氨基還原劑可選擇性地還原煙氣中的NOx[11],反應公式為

圖1 SNCR工藝流程Fig.1 Process of SNCR

1 系統脫硝的工藝設計

1.1 設計參數

以包鋼熱電廠130 t/h煤粉鍋爐脫硝工程為例說明“低氮燃燒+SNCR”聯合脫硝工藝在煤粉鍋爐的應用。包鋼熱電廠1號鍋爐是WGZ-130/39-1型煤粉爐,由武漢鍋爐廠設計制造,中溫中壓、自然循環、四角切向燃燒,鍋爐整體采用“∏”型布置;制粉系統為鋼球磨中儲倉熱風送粉系統。改造前NOx排放質量濃度為500～600 mg/Nm3。改造目標:在100%負荷不投用SNCR的情況下,NOx排放質量濃度≤380 mg/Nm3(干基、6%O2);投入 SNCR時,出口NOx質量濃度≤180 mg/Nm3(設計值);氨的逃逸＜10×10-6。

1.2 改造難點

首先煤粉爐的燃燒溫度達1 300℃,鍋爐改造前NOx排放濃度較高,為500～600 mg/Nm3;其次本項目鍋爐爐膛尺寸為6.2 m×7 m,SNCR噴出的噴槍很難深入到爐膛中心,均勻覆蓋整個爐膛截面;與循環流化床鍋爐相比,煤粉鍋爐的出口沒有旋風分離器,難以實現煙氣和氨氣的良好混合[12];鍋爐設計時未預留脫硝改造的位置,鍋爐尾部受熱面與布袋除塵器距離近,使得脫硝反應器無法布置;本項目鍋爐引風機選型余量不大,正常運行時引風機前擋板開度在70%左右,脫硝系統的改造阻力不能增加很多。

1.3 脫硝技術路線的選擇

經過對鍋爐的現狀(燃料特性、NOx濃度、煙氣特性、引風機、爐膛溫度場、場地空間)充分評估,最終選擇了“低氮燃燒+SNCR”的脫硝工藝路線,還原劑選用尿素。

1.4 低氮燃燒設計及選型

1)低氮燃燒改造措施

為了改善爐內煙氣的混合,強化煤粉在主燃燒區的燃盡,在確保鍋爐安全、穩定運行的前提下進行低氮改造。改造后的主燃燒器如圖2所示。主燃燒器更換,高爐煤氣和焦爐煤氣噴口不變,主燃燒器的標高降低,改造后主燃燒器區域噴口布置從下到上為2-1-3-1-2。

圖2 主燃燒器布置Fig.2 Layout of main burner

2)SOFA燃盡風

在主燃燒上部增加2層燃盡風。燃盡風噴口與燃燒器的距離決定了煙氣在還原區域內的停留時間與燃盡時間。還原氣氛程度越深,停留時間越長,越有利于控制NOx的生成和煤粉的充分燃燒[13]。改造在主燃燒器上部布置了2層燃盡風,燃盡風布置在約13.5 m標高;2層燃盡風共8只噴口,燃盡風噴口在鍋爐四角水冷壁讓管。每層均等配風,燃盡風量占總空氣量約24%,燃盡風噴口風速約45 m/s。改造中燃盡風噴口可以實現垂直20°的擺動,擺動為手動控制。通過燃盡風的補充,增強爐內氣流擾動,促進未燃盡碳的燃燒。

1.5 SNCR設計及選型

SNCR技術關鍵在于爐膛溫度區域的選擇,其最佳反應溫度在850～1 100℃,并保證足夠的噴槍數量、均勻的混合、足夠的停留反應時間、尿素噴射深度和與煙氣混合的均勻度,其決定了SNCR的最終效果。由于受負荷、煤種、燃燒方式的變化,爐膛溫度場也隨之變化,因此在布置噴槍時采用多層布置,上下交錯覆蓋截面,以便運行時進行調整,使SNCR能夠適應不同的負荷工況。

經過測量鍋爐爐膛溫度場,設置3層噴射區(A、B、C區)(圖3)。均布置墻式噴射器組件。每臺爐各設置3層噴射層。通過切換不同層的噴槍,減少不同負荷下煙氣溫度變化對脫硝效率的影響。

圖3 噴槍立面布置Fig.3 Facade layout of spray gun

噴槍多層布置(圖4),上下錯落,可以適應不同的負荷工況,使得還原劑與煙氣的混合更加均勻。選用尿素作還原劑,不易燃燒和爆炸,無色無味,運輸、儲存、使用比較簡單安全,對場地小的電廠有優勢;揮發性比氨水小,在爐膛中的穿透性好;效果相對較好,比較適合于煤粉鍋爐設備的 SNCR脫硝工藝。噴槍選用大流量單孔噴嘴,流量達到110 L/h,單孔噴槍噴出的溶液顆粒更大,在爐膛中穿透時可以有更長的停留時間,更有利于將尿素噴射到爐膛的中心區域。

圖4 噴槍平面布置Fig.4 Plane layout of spray gun

2 脫硝系統運行調試優化

運行調試自2016-11-26 T 9:00—2016-11-29 T 9:00,分別進行 85(65%)、110(85%)、130(100%)t/h負荷的12個工況運行調試,得到了單磨、雙磨、高煤投用及各種負荷、各種氧含量運行時的運行方案及改造效果。

2.1 低氮燃燒系統調試

低氮燃燒技術實施改造后,鍋爐NOx原始濃度顯著降低,經過合理調整,各負荷都能夠在設計的鍋爐效率及固體未完全燃燒損失下達到＜380 mg/Nm3排放量,某些工況甚至達到＜250 mg/Nm3。結果見表1。

表1 NOx控制結果Table 1 Results of NOxcontrol

正常情況下的低氮燃燒原理:鍋爐負荷越高NOx排放越高,負荷越低NOx排放越低,根據此原理及滿調試結果可判斷:中低負荷的NOx控制還有很大的潛力空間,之所以沒有進一步降低,是因為爐膛及制粉系統尤其是爐底漏風嚴重,運行氧含量很大,調試初期運行氧含量達11%以上,經過局部堵漏處理,運行氧含量下降至9%左右,NOx質量濃度相比調試初期下降100 mg/Nm3以上,效果明顯,但漏風點很多沒有封堵,現階段9%運行氧含量仍偏大,抑制了NOx進一步降低。

2.2 SNCR系統運行調試

1)130 t/h負荷運行調試

調試主要包括單雙磨運行調試、ABC層噴槍投運調試和壓縮空氣壓力調試,調試結果見表2。

投用高爐煤氣,氧含量從6%降到5.1%,NOx質量濃度從168 mg/Nm3降至154 mg/Nm3。未投尿素時,從雙磨調整為單磨運行,NOx質量濃度從275 mg/Nm3降至230 mg/Nm3。因而氧含量的波動對實際工程項目一般影響不大。投用尿素后,在設計尿素投用量下,脫硝出口NOx達標,無氨逃逸。負荷在130 t/h,投用ABC層噴槍,效果好于BC層、AB層噴槍。尿素為還原劑時溫度窗口855～1 055℃。高負荷下,A層噴槍位置煙溫過高,BC兩層溫度在1 055℃以下,反應溫度較為適合。分配柜內調節壓縮空氣在0.1～0.2 MPa,脫硝效果較好。噴嘴的流量特性依然滿足普遍的變化規律,即當液壓一定時,噴嘴流量、噴射距離和霧化角隨氣壓的降低而增大。壓縮空氣壓力低時,還原劑液滴的粒徑大,有利于增長反應時間,使還原劑更好地深入爐膛中心。較大的流量和較大顆粒的液滴有利于還原劑均勻覆蓋整個爐膛截面。

2)110 t/h負荷運行調試

110 t/h負荷運行調試結果見表3。單雙磨運行調試:未投尿素情況下,未投用高爐煤氣,單磨運行時NOx質量濃度為325 mg/Nm3,雙磨運行時為360 mg/Nm3,氧含量從7.4%增至 7.9%;投用尿素后,在設計尿素投用量下,脫硝出口NOx質量濃度穩定達標,無氨逃逸。分配柜內調節壓縮空氣為0.1 MPa時,出口 NOx質量濃度為166 mg/Nm3;壓縮空氣調至 0.3 MPa時,出口 NOx質量濃度為200 mg/Nm3,因此壓縮空氣調節至0.1 MPa,脫硝效率更高。

表2 130 t/h負荷調試數據Table 2 Debug data in 130 t/h

表3 110 t/h負荷調試數據Table 3 Debug data in 110 t/h

3)85 t/h負荷運行調試

85 t/h負荷運行調試結果見表4。高爐煤氣投用調試:投用高爐煤氣時,氧含量從10.7%降低到9.6%,NOx質量濃度從 234 mg/Nm3降至128 mg/Nm3;投用AB層噴槍,投用少量尿素時,出現氨逃逸。增加尿素投用量,NOx質量濃度在維持160 mg/Nm3左右,但氨逃逸增加很快;投用A層噴槍,在NOx下降的同時,氨逃逸也隨之下降。穩定后NOx質量濃度為155 mg/Nm3,氨逃逸為4.4×10-6。由于負荷的下降,鍋爐的煙氣量也隨之減少,煙氣量的減少使得煙氣向上的速度也下降,在合適溫度區域的還原劑的停留時間增加,還原劑與煙氣之間的混合變好,從而提高了脫硝效率。分配柜內調節壓縮空氣調節為0.2 MPa時,出口NOx質量濃度為166 mg/Nm3,低于壓縮空氣在0.3 MPa時的出口NOx質量濃度。

表4 85 t/h負荷調試數據Table 4 Debug data in 85 t/h

3 結 論

1)從實際工程運行效果看,“低氮燃燒+SNCR”聯合脫硝技術綜合脫硝率大于70%,NOx排放濃度小于180 mg/Nm3(6%O2,干基),解決了單獨使用低氮燃燒或SNCR脫硝效率不高的問題,適應了環保要求。

2)鍋爐高負荷時投用3層噴槍,效果好于單獨1層或2層噴槍。鍋爐低負荷下,投用最下層噴槍效率最高,而投用上層噴槍,會產生較多氨逃逸。

3)對于煤粉爐脫硝,噴槍壓縮空氣調節在0.1～0.2 MPa,脫硝效率更高。較大的流量和較大顆粒的液滴有利于還原劑均勻覆蓋整個爐膛截面。

4)噴槍多層布置,上下錯落,噴嘴選用大流量單孔噴嘴,可以適應不同的負荷工況,使得還原劑與煙氣的混合更加均勻。

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