鍋爐脫硝稀釋風系統的優化改造

張賀嘉

（中煤能源新疆煤電化有限公司，新疆 昌吉 831799）

0 引言

我國電力供應主要依靠煤炭，而煤炭在提高能源供應的同時，也會產生大量的NO、N2O 及NO2。燃煤中的氮氧化物若不能得到有效的控制，將會給人們的生活造成很大的危害。要解決這一問題，就需要采用更加經濟、準確的脫硝裝置，以減少燃煤中的氮氧化物。

1 現階段我國燃煤的脫硝狀況

與世界先進水平相比，我國煤炭技術的推廣和脫硝技術的應用都有很大的差距。就國內目前的脫硝技術而言，由于選用催化劑的脫硝技術具有結構簡單、脫硝率高等特點，國內大多數燃煤機組都是選用催化劑進行脫硝[1]。同時，該技術還在國外得到了廣泛的使用。就脫氮工藝和裝置而言，國內大多數煤炭生產企業主要采用的是引進國外的先進技術，同時消化吸收、創新，并發展出了一套具有自主知識產權的選擇性催化劑脫氮工藝。

2 建設脫硝產業中存在的主要問題

2.1 脫硝技術掌握技術不足

目前，國內煤炭脫硝行業的發展已經取得了長足的進展，但其關鍵技術仍然難以取得突破性進展，脫硝工藝及裝備方面仍然依賴國外的技術，尚未建立起一套完整的脫硝技術體系。

2.2 催化劑實現國產化

在我國目前的脫硝技術中，脫硝用的主要是脫硝用的助燃劑，脫硝催化劑仍需從國外進口，尚未形成完整的產業鏈；因此，在中國，煤炭發電的成本很高。煤炭行業在采用脫硝催化劑時，脫硝催化劑的選用與設計均需由脫硝催化劑廠商來完成，這不僅增加了承包商與用戶之間的協調難度，而且存在著潛在的質量隱患。流場的設計是影響脫硝系統安全可靠運行的重要因素，也是影響整個機組正常運轉的重要因素。若催化劑制造商不合理的流場設計，會造成催化劑表面氣流、溫度、氨濃度的變化，影響催化劑的運行，導致催化劑積灰、堵塞等問題。

2.3 脫硝催化劑行業缺乏統一標準和監管

由于國內不同煤炭企業使用的脫硝系統不同，有關部門在制訂技術規范時也沒有一個統一的制度可供參照，導致對脫硝行業的整體規劃不夠全面，嚴重地制約了脫硝行業的健康發展。催化劑生產廠家根據國外的標準，將其作為企業的標準進行檢驗。由于不同的催化劑產品不同，不同的測試標準也不同，所以催化劑的使用者不能準確地評價不同的催化劑，這是一個亟待解決的問題。

3 火電廠脫銷技術的應用現狀

目前，最常見的是SCR、SNCR 以及兩者相結合的工藝，具有較低的環境污染和較高的凈化效果，技術成熟，脫硝率高達80%～90%。但是這樣會造成二次污染，而且產量不高，一般在30%～50%之間[2]。選擇性催化還原工藝的基本原理是：在燃煤電廠的節能裝置與預熱器之間，采用選擇性催化還原裝置，在裝置完全運轉后，煙氣以豎向形式流入反應器；在催化劑發生反應后，將某些有害的氮化物氣體還原成水和氮。通常，在此反應過程中，必須保證溫度在300～400℃；所謂的非選擇性催化還原工藝，就是在鍋爐的煙氣溫度達到900～1000℃的時候，在鍋爐里面添加一些還原劑，如尿素、氮氣等。通過這種方法，可以將某些有害的氮化物轉化成水和氮。這兩種技術的融合，就是為了將兩者的優點融合在一起，達到相互補充的目的，提高產品的市場份額。這兩項技術的結合，讓脫硝的過程更加的復雜。所以，這兩種技術的聯合使用，在某些需要高脫銷率的情況下被廣泛應用。

脫硝技術是一種去除氮化物的工藝，防止燃煤電廠對環境的污染。由于受各種因素的影響，我國目前的發展水平較低，因此，脫氮技術在火力發電廠的應用中具有很大的局限性。實際操作困難，運行費用較高等。這就導致了我國燃煤電廠在脫氮工藝上與國外先進水平存在一定差距。近幾年來，由于各種工藝的改進，脫硝技術得到了長足的發展，使其在某種程度上可以適應火力發電廠的生產需要。

4 氮氧化物排放濃度不能達標的主要原因

影響脫硝效率的因素較多，由于各地煤種的差異，導致煤的混合燒現象是統一的，某些低卡路煤的燃燒會產生大量的煙霧；相反，如果使用高熱量的煤炭，則會造成很小的煙霧排放。如果煤炭的熱量很低，那么它的含水量就會減少，而且它的燃燒會導致它的溫度很高，一般情況下，它的賣出率都會下降。由于煤炭質量的改變，需要SCR 設備和催化劑。

煙塵的熱值。影響脫硝效率的因素是鍋爐煙氣的排放溫度。在燃煤電站SCR 法中，一般采用871～1038℃的煙道溫度，而以氮化物為主的還原劑會發生相應的改變；未達871℃，則不能充分進行反應，導致脫銷速率下降，同時氮氣本身的逃逸速率增加，造成了二次污染[3]。SNCR 工藝也可以將尿素與水中的溶液進行調配，然后將其添加到927～1093℃的煙氣中，保證其與氨氮的作用是一致的。

5 火電廠脫硝改造及對鍋爐系統影響

5.1 對鍋爐燃燒的影響

采用低氮燃燒技術與脫硝技術相結合，可以有效地控制煙氣中的氮化物，降低煙氣中的氮化物，達到降低煙氣中氮化物的目的。經過這樣的改裝，總體上可以將氮化物的排放量控制在60mg/m3之內。低氮燃燒的基本原理是：通過抑制氮化物，再利用二次燃燒，將氮化物減少到40%。比如，一個擁有兩個鍋爐系統的火力發電廠，其主要采用的是直流式燃燒爐；為了提高鍋爐的燃燒效率，火力發電廠的管理層和技術人員經過研究，決定采用低氮燃燒技術。在主燃燒室的上部，采用高、低兩種方式分別進行了充分空氣的調節，實現了對氮化物的產生的抑制。在對燃燒室進行改造時，在不影響鍋爐系統工作效率的前提下，對風箱進行了合理的改造，并增加了一個新的盡風管；保證了煤粉管線在一定程度上保持了相應的特性，不會對鍋爐燃燒系統的正常運轉造成任何影響。

5.2 對引風機的影響

某火力發電廠的鍋爐采用了可調節的靜葉軸流風機，在進行改造之前，對煙氣系統的阻力進行了檢測，并對其進行了評價，并對其進行了改進；但風機本身的功率與有關的需求并不相符。為此，在實際改造過程中，對排煙裝置進行了改進。由于該廠在實際改造過程中，將引風機的風量、風壓設定為15%、30%。在BMCR的基礎上，改進后的阻力達到了1.35kPa。經過對煙氣脫硝改造后的相關計算，使排煙阻力提高至5.5kPa。由于該廠在實際改造前沒有充分考慮，導致引風機的參數比較大，在操作過程中，煙氣系統的阻力比設計的要小；使風機難以有效地工作，影響到風機的工作效率。

5.3 對空氣預熱器的影響

某火力發電廠在自己的鍋爐系統中，使用的空氣預熱器大部分都是國產的，以達到真正的脫硝效果。經過長時間的脫硝，選擇性還原催化劑的催化性能降低，在脫硝過程中，氮氣的噴射數量越來越多，逃逸率也越來越高。由此，在連續生產硫酸銨的同時，將其附著在空氣預熱器的傳熱構件上；當積灰層厚度超過一定程度后，熱交換通道將產生阻塞，增大了預熱器的工作阻力，導致傳熱效率下降。

在機組負載小于180MW 時，對系統進行改造，使系統的稀缺性風扇停止運行，達到節能效果。在機組負載小于180MW 的情況下，將冷氣吹入加熱一次風能，能有效地改善反應器的反應過程，并能有效地改善脫硫效果和投運速率。解決了因煙道溫度過高、氨流過高造成的空冷器阻塞等問題，保證了設備的安全、可靠。

6 降低燃煤排放的主要方法及燃煤鍋爐脫硝系統的運行優化分析

低氮燃燒技術。在燃燒過程中，低氮燃燒技術可以有效抑制氧化劑的生成。低溫燃燒技術是一種適用于大容量燃煤鍋爐的節能技術，低氮燃燒技術可使NO 的排放量降低30%～50%，要想進一步減少其排放量，就需要采取煙氣脫硝工藝。選擇性催化還原技術；這是我國煙氣脫硫工藝中應用最為普遍的一種。選擇性非催化還原技術；該工藝技術較為成熟，但其優點是：與傳統的催化脫氮相比，具有較低的生產效率、較小的投資和較短的建設時間。選擇性和非催化反應的有機組合；主要用于大型燃煤鍋爐，由于其排放的低氮、場地條件有限，更適用于老鍋爐的改造。

7 脫硝系統的工藝原理

在國內外，選擇性的無催化還原技術和選擇性催化劑脫產是當前世界各國常用的一種技術。

7.1 選用合適的催化劑進行脫氮工藝

在催化劑、氨和煙氣的催化作用下，發生了大量的反應。通過催化，氣體與煙氣的混合，使其與廢氣一起流入脫硝裝置中。在310～410℃下進行了脫氮。超過該溫度時，控制系統會發出警報，停止供應氨氣，同時脫硝反應生成的水和氮氣也會進入空氣預熱器。氨作為還原劑可以將N2氧化還原為2NO，由于煙氣中的氧與氨氣幾乎沒有發生反應，所以其排出熱量較低，脫氮效率高達90%，是目前最成熟、最可靠的脫硝工藝。

7.2 選擇性非催化還原脫硝工藝

選擇性非催化還原法是在850～1150℃的爐膛內，用裝有氨氣、氨水、尿素等的還原劑，如氨氣、氨水、尿素等，經設于屏式過熱器區的噴槍噴射，使氨氣、氨水、尿素等還原劑快速熱分解為氨氣和其他副產品[4]。由于煙氣中的氨氣與煙氣中的氧化氮發生反應，所以在溫度較高且無催化劑時，其效率只有30%～50%。典型的非催化還原脫氮工藝是：通過還原劑，鍋爐/窯爐，除塵脫硝裝置，引風機，煙氣分解。采用氨（尿素）作為非催化脫硝的主要原料是氨（尿素），20%的氨水（或需要添加生產單元的尿素溶液），經化學輸送泵送到靜止攪拌機中，與由稀釋水模塊送來的軟化水按一定比例配制，由計量和分配裝置準確地分配到各個噴嘴，再由噴槍將其噴入爐中，達到脫氮的目的[5]。

8 脫硝系統工藝技術的優化方案

8.1 選擇催化劑脫硝的運行情況分析及優化方案

選擇性選擇性催化還原方法是一種高效、可靠的方法，在我國已得到了普遍的使用。但在現有的大型燃煤機中，由于噴氨不準確、催化劑選擇性選擇的反應釜內分布不均勻以及催化劑層入口氣流的不均勻等因素，導致氨釋放過多，導致氨泄漏。氨的泄露不但造成了設備的經濟上的損失，而且還會導致催化劑的壽命縮短。為了解決這一問題，我國目前常用的催化劑脫氮方式是：①將入口煙道的流速和鍋爐負載信號用作氮氣的來源，然后應用模糊控制律來進行區域預報，從而得到氨氮的反饋控制[6]。②應用多點面積法測定了出口煙氣中的氣體氮氧化物的含量，并對其進行了數據分析。該工藝以在出口端固定氮氧化物的量為目標，通過調節氨的加入量、降低揮發氨的釋放來達到改善脫硝效率；而且能夠對產品的操作進行控制。但是，該算法涉及多個變量的測量，使得邏輯的操作更加煩瑣[7]。

8.2 選擇性非催化還原脫硝的運行情況分析及優化方案

（1）因為有選擇的無催化劑進行的還原脫氮要求較高的反應溫度，因此，在較低或較高的條件下，會使氨氣泄漏。①選擇合適的還原劑，因氨水脫氮的時間要低于50～100℃，低溫區對氨氮的脫除效果良好。②正確地選擇氨氣的位置。氨氣滯留時間延長、混合效果良好，都能有效地解決氨氣滲漏問題。③通過加入適量的增加劑，可以擴大反應的范圍，從而大大提高了非催化還原的脫硝效率[8]。

（2）脫硝效果差；導致非催化還原脫硝系統效率低下的主要原因和對策：還原劑配比不均勻，應采取以下措施：調整噴嘴和各個閥的開度，使還原劑和煙氣中的氧化氮充分混合，并檢查還原劑管路和閥門是否堵塞，鍋爐的燃燒系統等[9]。

（3）氨與SO3在低溫下發生反應，造成空氣預熱器的傳熱表面阻塞或污染。在中溫、低溫兩個階段，空氣中的氨氣與煙氣中的SO3發生氧化，生成了硫酸氫氨。硫酸氫氨具有強腐蝕性和粘性，粘附于加熱部件的表面，容易吸收粉塵，阻塞空氣，增大系統的阻力，影響設備的運行。解決辦法：采用搪瓷渡層式換熱器，可以有效地減少空氣中的硫酸氫氨的生成。

9 結語

隨著我國大氣環境問題日益受到人們的關注，脫硝技術是煤炭企業降低尾氣排放的一項重要技術。當前煤炭行業的脫硝技術和脫硝技術尚有較大差距，但是通過對脫硝技術的優化，可以有效地解決現有的脫硝技術問題，提高脫硝效率；從而推動煤炭行業的有效發展。本文就脫硝技術的工藝流程、影響因素及優化設計進行了分析，并提出了采用選擇性非催化脫硝和選擇性脫硝的方法，對煤炭企業和環保治理具有一定的參考價值。