新式脫硝技術在循環流化床鍋爐中的應用

霍高偉

冀中能源股份有限公司章村礦矸石熱電廠 河北 邢臺054103

一、改造前現狀及項目實施的背景

2018年6月1日河北省大氣污染防治工作領導小組辦公室發布文件《河北省鋼鐵、焦化、燃煤電廠深度減排實施方案》(冀氣領辦2018-156號),要求推進燃煤電廠深度減排改造,著力減少污染物排放,實現重點行業綠色發展,要求燃煤電廠的氮氧化物排放濃度不高于30 mg/m3。

二、國內現有脫硝技術方案對比和最終方案的確定

脫硝深度治理技術相對比較成熟,燃煤電廠比較廣泛采用的技術一般為SNCR+SCR(選擇性催化還原)技術,綜合脫硝效率達到80%左右。

結合實際情況,章村礦電廠對各種脫硝方案進行了比較。

SCR脫硝工藝需于鍋爐省煤器和空氣預熱器間加裝還原劑噴射裝置,經考察,目前電廠省煤器與空氣預熱器之間位置空間有限,此方式因對鍋爐尾部受熱面改動較大,易造成鍋爐尾部換熱效率下降進而影響鍋爐效率,該方案投資約600 萬元,煙氣管路的外引又至少造成鍋爐煙氣系統壓損1000Pa左右,還需對鍋爐引風機的出力進行重新校核。

新式脫硝技術是對原SNCR脫硝系統的升級改造,反應原理同原SNCR相近,新式脫硝系統新加裝尿素-蒸汽混合器,在鍋爐爐膛側面布置上、中、下三層噴嘴,尿素溶液和蒸汽分別通過尿素輸送泵和蒸汽自身壓力在尿素-蒸汽混合器內進行混合,達到蒸汽霧化尿素溶液的目的,經過霧化的尿素溶液更具活性,通過布置在鍋爐爐體上、中、下三層噴槍打入鍋爐爐膛內,與鍋爐燃燒產生的氮氧化物進行充分反應,脫除氮氧化物。前期投資150萬元,后期運行時可代替現有SNCR 脫硝系統,運行成本較現有SNCR 系統更低。

通過比較,無論在前期資金投入還是后期運行維護方面,新式脫硝技術都具有無可比擬的優勢,前期資金投入較少,后期運營成本較現有SNCR運營成本更低,而脫硝效率較SCR脫硝和臭氧脫硝技術更高,所以新式脫硝技術成為首選的深度治理改造脫硝技術。

三、技術原理及項目實施

章村礦電廠現有循環流化床鍋爐是通過SNCR脫硝方法降低氮氧化物排放。SNCR脫硝技術對溫度區間的要求比較苛刻,為800-950℃,所以循環流化床鍋爐一般將SNCR脫硝系統布置在鍋爐爐膛出口至旋風分離器入口的拐彎煙道內。且該SNCR脫硝系統只能通過加大尿素使用量來降低氮氧化物排放濃度,系統反應效率一般在60%左右,即使尿素溶液加大投入量,也滿足不了深度減排的要求,反而因尿素溶液的過多投入導致電廠煙氣氨逃逸數值較高,引起二次污染。

新式脫硝系統是對原系統的升級改造,反應原理同原SNCR相近,新式脫硝系統新加裝尿素-蒸汽混合器,在鍋爐爐膛側面布置上、中、下三層噴嘴,尿素溶液和蒸汽分別通過尿素輸送泵和蒸汽自身壓力在尿素-蒸汽混合器內進行混合,達到蒸汽霧化尿素溶液的目的,經過霧化的尿素溶液更具活性,與鍋爐燃燒產生的氮氧化物進行充分反應,脫除氮氧化物。

新式脫硝技術的核心原理是還原劑(尿素)通過蒸汽激波進行霧化,并通過噴嘴進行噴射,將尿素水溶液汽化后直接噴入合適溫度區域(800-1300℃)。還原劑在蒸汽激波霧化后迅速汽化,其中的氨與爐膛煙氣中的NO發生化學反應,還原出N2和水,水由液態轉化成氣態,沒有化學變化,但它起到了分散劑的作用。同時,水蒸氣與熾熱的碳也發生化學反應,生成的CO易可作為還原劑,與一氧化氮發生化學反應,整個新式脫硝技術的化學反應式如下:

從以上可以看出,水蒸氣在合適的溫度的條件下也是可以作為還原劑參與氮氧化物去除反應的,水蒸氣輔以少量的尿素則可以實現深度脫硝。

新式脫硝系統中,尿素和蒸汽的混合氣體是以氣態的形式噴入鍋爐的,而傳統的SNCR脫硝技術是以壓縮空氣霧化尿素溶液為較小的液滴噴入鍋爐,氣態形式的混合氣體較液態的尿素溶液更具活性,參與化學反應速度更快、反應更充分。

四、項目實施效果

新式脫硝裝置于2019年11月投入使用后,脫硝效率最高達到90%以上,裝置運行穩定,脫硝效果明顯。

1.化學反應更快、效率更高。尿素經激波氣化裝置汽化后液體的體積增加了許多,因而增加了熱解后的尿素與NOx的反應接觸面積,氣/氣反應是最快的化學反應,因而降低了未參與化學反應的NOx的量,提高了尿素的脫硝效率。

2.化學反應所需溫度區間較大。SNCRz霧化脫硝技術對溫度的要求區間比較大,800-1300℃的溫度區間內均可進行化學反應,這就使得該套裝置在鍋爐上的安裝部位更廣泛,章村礦電廠將噴嘴分三層布置在爐膛的上、中、下側面(12個槍/層),由此提高了尿素的覆蓋面積,煙氣流經三層噴槍噴嘴形成噴射面,使反應更加充分,大幅度減少了氮氧化物的逃逸。

3.尿素使用量更少。H2O(蒸汽)+C(熾熱)=CO+H2

因水蒸氣在合適的溫度的條件下也是可以作為還原劑參與氮氧化物去除反應的,水蒸氣輔以少量的尿素則可以實現深度脫硝。所以水蒸氣作為還原劑的情況下,必然減少了尿素溶液的使用量。

經新式脫硝系統進行氮氧化物脫除后,電廠目前的氮氧化物排放濃度可穩定控制在30 mg/m3以下。

五、結語

目前,該新式脫硝技術已在章村礦電廠得到成功應用,通過該技術的應用,章村礦電廠通過較低的資金投入,達到高效率脫除氮氧化物的目的,目前該項目已順利通過環保驗收。系統的綜合脫硝效率達到85%,滿足電廠最新煙氣污染物排放要求。