趙海軍

(神華國(guó)華北京熱電分公司，北京 100025)

0 引言

某電廠根據(jù)北京市火電廠煙氣NOx排放濃度≤100 mg/Nm3標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)保要求 (該電廠當(dāng)時(shí)煙氣NOx排放濃度為 340～350 mg/Nm3)，于 2007—2010年陸續(xù)對(duì)四臺(tái)鍋爐進(jìn)行了SNCR，SCR脫硝系統(tǒng)改造。

為了獲得SNCR/SCR聯(lián)合脫硝裝置較好的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行性能，該電廠與電科院等研究機(jī)構(gòu)陸續(xù)對(duì)該脫硝系統(tǒng) 進(jìn)行了300 t/h，350 t/h，410 t/h，440 t/h典型工況調(diào)整試驗(yàn)。

1 設(shè)備系統(tǒng)及脫硝原理介紹

1.1 設(shè)備簡(jiǎn)介

某電廠鍋爐為哈爾濱鍋爐廠生產(chǎn)的HG－410/9.8－YM15型鍋爐。該爐為單汽包、自然循環(huán)高壓鍋爐、四角切圓燃燒方式、固態(tài)排渣、平衡通風(fēng)、單爐膛露天Π型布置、熱風(fēng)送粉燃煤鍋爐[1]。為了滿足北京市冬天供熱負(fù)荷的需要，2004年對(duì)鍋爐進(jìn)行了增容改造，改造后的額定蒸發(fā)量為450 t/h。該廠鍋爐2007～2010年陸續(xù)加裝了選擇性非催化還原脫硝系統(tǒng) (SNCR)、選擇性催化還原脫硝系統(tǒng) (SCR)。SCR系統(tǒng)是利用爐膛噴入的尿素溶液高溫?zé)峤猱a(chǎn)生的NH3氣作為尾部安裝的SCR裝置的還原劑。

SNCR系統(tǒng)主要包括尿素溶液配制、在線稀釋和噴射3部分。尿素溶液配制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)尿素儲(chǔ)存、溶液配制和溶液儲(chǔ)存的功能，然后由在線稀釋系統(tǒng)根據(jù)鍋爐運(yùn)行情況、NOx排放濃度情況、氨逃逸情況在線稀釋成所需的濃度，送入噴射系統(tǒng)。噴射系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各噴射層的尿素溶液分配、霧化噴射和計(jì)量。該設(shè)計(jì)在爐膛燃燒區(qū)域上部和爐膛出口1 000～1 150℃煙氣溫度區(qū)域，在前墻和側(cè)墻分5層共布置了33支墻式尿素溶液噴射器(原始設(shè)計(jì) 6 層)[2]。標(biāo)高為26 m，28.5 m，32 m，35 m和36.5 m。各噴槍根據(jù)負(fù)荷變化相繼投入。

1.2 脫硝原理

SNCR技術(shù)把還原劑如尿素稀溶液噴入爐膛溫度為850～1 100℃的區(qū)域，該還原劑迅速熱分解出NH3并與煙氣中的NOx進(jìn)行反應(yīng)生成N2和H2O[3]。該方法以爐膛為反應(yīng)器，在爐膛850～1 100℃的溫度范圍內(nèi)，在無(wú)催化劑作用下，尿素氨基還原劑可選擇性地還原煙氣中的NOx，基本上不與煙氣中的O2反應(yīng)，主要反應(yīng)為:

(1)尿素為還原劑:

(2)當(dāng)溫度過高時(shí)，超過反應(yīng)溫度窗口時(shí)，氨就會(huì)被氧化成NOx:

(3)選擇性催化還原技術(shù) (SCR)

爐膛逃逸的氨氣 (該電廠)作為脫硝劑被噴入高溫?zé)煔饷撓跹b置中，多余的氨氣在催化劑的作用下，可以在280℃～420℃的煙氣溫度范圍內(nèi)將煙氣中NOx分解成為N2和H2O[4]，其反應(yīng)公式如下:

1.3 設(shè)計(jì)煤種與摻燒煤情況

設(shè)計(jì)煤種與摻燒煤的特性分析[5]見表1。

表1 設(shè)計(jì)煤與摻燒煤的特性分析Tab.1 Composition analysis of original coal and mix coal

2 試驗(yàn)內(nèi)容

此次試驗(yàn)是在前期摸索試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的進(jìn)一步優(yōu)化試驗(yàn)，在鍋爐不同負(fù)荷工況下，即鍋爐負(fù)荷為300 t/h，350 t/h，410 t/h，440 t/h情況下，以鍋爐負(fù)荷410 t/h，440 t/h為重點(diǎn)，在各種磨組合運(yùn)行狀態(tài)下，分別對(duì)脫硝裝置SNCR的噴氨層數(shù)、層噴射流量和總尿素流量等進(jìn)行調(diào)整，并進(jìn)行優(yōu)化組合試驗(yàn)，最終找出此臺(tái)爐在不同負(fù)荷工況下脫硝系統(tǒng)的最佳運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)煙氣出口濃度小于100 mg/m3，通過試驗(yàn)達(dá)到NOx排放達(dá)標(biāo)與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的雙重效果。

3 試驗(yàn)方法

3.1 NOx與O2濃度測(cè)量

在SCR反應(yīng)器出入口垂直煙道的水平截面上，采用等截面網(wǎng)格法 (4×4)布置煙氣取樣點(diǎn)。參考美國(guó)EPA－7E標(biāo)準(zhǔn)，首先用不銹鋼管將煙氣引出至煙道外，然后經(jīng)過水洗除塵、除氨器除氨、煙氣預(yù)處理裝置清潔、除濕、冷卻，最后接入NGA2000型煙氣分析儀分析NO與O2含量(圖1)。根據(jù)各取樣點(diǎn)的NO與O2濃度，將NO修正到6%氧量下，獲得各取樣點(diǎn)的NOx濃度分布及整個(gè)截面上的平均濃度。取樣點(diǎn)布置和煙氣取樣分析系統(tǒng)見圖1。

圖1 煙氣取樣分析系統(tǒng)Fig.1 Sample flue gas for analysing

3.2 NOx排放濃度計(jì)算

參照相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，鍋爐NOx排放濃度按如下公式計(jì)算:

式中:[NOx]為折算到6%O2標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)以NO2計(jì)的NOx濃度，mg/Nm3;[NO]為實(shí)測(cè)NO濃度，μL/L;[O2]為實(shí)測(cè)O2濃度，%。

試驗(yàn)過程中，在SCR反應(yīng)器出入口煙道截面網(wǎng)格法測(cè)量了NOx分布，采用算術(shù)平均法計(jì)算NOx排放濃度平均值。

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 鍋爐300 t/h負(fù)荷工況下的試驗(yàn)結(jié)果及分析

由表2數(shù)據(jù)反映出，鍋爐在300 t/h負(fù)荷下，B磨運(yùn)行，從SCR反應(yīng)器入口NOx濃度來(lái)看，工況T－02較工況T－03高，說(shuō)明工況T－02爐膛內(nèi)脫硝效率較工況T－03高。從投入尿素溶液的流量和投運(yùn)噴射層來(lái)看，工況T－03投入尿素溶液流量較工況T－02高，投運(yùn)噴射層也比工況T－02多出一層。由此可以看出，在此鍋爐負(fù)荷下，適量多投入尿素溶液和均勻多層次噴射層對(duì)增加爐膛內(nèi)脫硝效率具有一定的效果。而從SCR出口NOx濃度來(lái)看，兩工況效果相當(dāng)，即在兩種工況下，NOx最終排放濃度接近。因此，從經(jīng)濟(jì)性角度看，工況T－02運(yùn)行方式較為經(jīng)濟(jì)，在投入較少尿素流量和減少噴射層的情況下，能夠達(dá)到較好的脫硝效果。

表2 鍋爐300 t/h負(fù)荷下的試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Data of test in boiler 300 t/h

4.2 鍋爐350 t/h負(fù)荷下不同磨組合的試驗(yàn)結(jié)果及分析

由表3數(shù)據(jù)可以看出，鍋爐在350 t/h負(fù)荷下，投入尿素溶液流量和投運(yùn)噴射層一致的情況下，投運(yùn)不同的磨組合，SCR入口NOx濃度有一定差異，即T－37工況下SCR入口NOx濃度較低，說(shuō)明在投運(yùn)A磨的情況下，爐膛內(nèi)NOx轉(zhuǎn)化率較投運(yùn)B磨或者無(wú)磨的情況下要高一些，但是SCR出口各個(gè)工況下NOx無(wú)明顯變化。由此說(shuō)明，在鍋爐負(fù)荷350 t/h工況下，在投入尿素溶液流量和投運(yùn)噴射層一致的情況下，投運(yùn)不同的磨組合對(duì)鍋爐整體脫硝率無(wú)明顯影響。

表3 鍋爐350 t/h負(fù)荷下的試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Data of test in boiler 350 t/h

4.3 鍋爐410 t/h負(fù)荷下不同噴射層間調(diào)整的試驗(yàn)結(jié)果及分析

分析:由表4數(shù)據(jù)反映出，在鍋爐負(fù)荷為410 t/h，尿素溶液流量一定，制粉系統(tǒng)均投運(yùn)A磨的前提下，由于噴射層和層間的流量發(fā)生變化，SCR出入口NOx濃度發(fā)生了顯著的變化。其中工況T－05與工況T－12差異更為顯著，SCR入口NOx濃度前者較后者低30%以上。這主要是工況T－12中L3，L4噴射層未投入使用，L5，L6層噴射溶液流量較大，L3，L4噴射層處于較高溫度區(qū)域，L5，L6層溫度相對(duì)較低。而SNCR爐內(nèi)反應(yīng)較好的溫度區(qū)域處于900～1 100℃范圍之內(nèi)[2]，L3，L4噴射層恰好處于這個(gè)溫度區(qū)域之內(nèi)，L5，L6溫度小于900℃，因此工況T－12的噴射層布置未達(dá)到較好的溫度窗口效應(yīng)，造成SNCR爐內(nèi)反應(yīng)較差，形成較低的脫硝率。工況T－05布置相對(duì)要好一些。由SCR出口NOx濃度看出，工況T－06濃度較高，此工況下鍋爐整體脫硝效率較低。此工況投運(yùn)噴射層為L(zhǎng)3，L4，L5，整體噴射流量較其他工況大，總流量大于3.6 m3/h(稀釋水流量較大)，而此三層噴射流量較大導(dǎo)致了SCR反應(yīng)器反應(yīng)效率較低，即SCR反應(yīng)效率低于30%，其余工況均高于44%。由此造成了鍋爐整體脫硝效果降低。相比較而言，工況T－05的運(yùn)行方式不論在SCR入口還是出口，均取得了較好的脫硝效果。由此可知，在鍋爐410 t/h負(fù)荷下，通過投入L3，L4，L5，L6層噴射器和均勻調(diào)整噴射流量，將會(huì)取得相對(duì)較好的脫硝效果。

表4 鍋爐410 t/h負(fù)荷下的試驗(yàn)結(jié)果 (1)Tab.4 Data of test in boiler 410 t/h(1)

4.4 鍋爐410 t/h負(fù)荷下不同尿素流量的試驗(yàn)結(jié)果及分析

由表5數(shù)據(jù)可以看出，在鍋爐負(fù)荷為410 t/h，通過調(diào)整尿素溶液流量和層間噴射流量，鍋爐整體脫硝效率出現(xiàn)一定的差異性。其中在尿素溶液流量一定的情況下，工況T－28層間尿素溶液分配方式較好，此工況脫硝效率較其他同等尿素溶液流量的工況高。而通過調(diào)整層間流量分配，在尿素流量降低的情況下也能取得較流量高好的脫硝效率。工況T－21雖然尿素流量較其余工況低，但是其整體脫硝效率較工況T－07，T－08等工況高。在噴射層間流量分配較好的情況下，提高尿素溶液流量可以提高系統(tǒng)的整體脫硝效果，但是脫硝效果的增加呈現(xiàn)衰減之勢(shì)，如工況T－24尿素流量較T－21增加60%，但是前者脫硝效率較后者盡增加20%，工況T－27尿素流量較工況T－28增加28%，但是前者脫硝效率較后者增加盡8%左右，由此可知，當(dāng)尿素流量達(dá)到一定數(shù)量后，繼續(xù)增加尿素流量，脫硝效果的增加呈現(xiàn)明顯的衰減之勢(shì)，即對(duì)脫硝率的影響逐漸降低。

續(xù)表

4.5 鍋爐440 t/h負(fù)荷下相同尿素流量的試驗(yàn)結(jié)果及分析

由表6數(shù)據(jù)可以看出，鍋爐負(fù)荷為440 t/h，在尿素溶液流量保持一定的前提下，通過調(diào)整調(diào)整噴射層間流量分配，脫硝效果出現(xiàn)一定的差異。如工況T－40和T－41，L3與L4層總流量與L5和L6層總流量之比接近于1∶1，而工況T－42和T－43，L3與L4層總流量與L5和L6層總流量之比約為5∶1，后者在高溫區(qū)流量分配明顯高于前者，在整體脫硝效率上，工況T－42和T－43較工況T－40和T－41低30%左右。由此看出，在鍋爐負(fù)荷為440 t/h情況下，在尿素流量保持不變的前提下，L3與L4層總流量與L5和L6層總流量之比接近于1∶1的分配方式能取得相對(duì)較好的脫硝效果。這主要是因?yàn)樵阱仩t大負(fù)荷情況下，L3與L4層溫度區(qū)域較高，在此區(qū)域投入過量的尿素，將會(huì)造成尿素分解物產(chǎn)生氧化，削弱其脫硝效果，造成鍋爐整體脫硝效率下降。

表6 鍋爐440 t/h負(fù)荷下的試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Data of test in boiler 440 t/h

5 試驗(yàn)綜合分析

(1)在鍋爐低負(fù)荷工況下 (鍋爐負(fù)荷不高于350 t/h)，通過調(diào)整爐膛噴射層和層間的溶液流量，鍋爐整體脫硝效率存在一定的差異，即優(yōu)化爐膛噴射層和層間的溶液流量可以在低尿素投入量的前提下實(shí)現(xiàn)鍋爐整體的較高脫硝率。

(2)在鍋爐低負(fù)荷情況下 (鍋爐負(fù)荷不高于350 t/h)，爐膛噴射層和尿素溶液流量保持固定，調(diào)節(jié)磨煤機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行方式對(duì)鍋爐整體脫硝效率不產(chǎn)生明顯影響。

(3)在鍋爐高負(fù)荷情況下 (鍋爐負(fù)荷高于400 t/h)，爐膛噴射層和層間溶液的流量分配對(duì)鍋爐整體脫硝效率產(chǎn)生較為明顯的影響，在優(yōu)化噴射層層間流量的前提下，增加尿素溶液流量將會(huì)增加鍋爐的整體脫硝效果，但是當(dāng)尿素流量達(dá)到一定數(shù)量后，繼續(xù)增加尿素流量，脫硝效果呈現(xiàn)明顯的衰減之勢(shì)，經(jīng)濟(jì)性明顯下降。

(4)SNCR系統(tǒng)噴入鍋爐內(nèi)部的尿素分解轉(zhuǎn)化氨氣和二氧化碳的效果受鍋爐負(fù)荷、燃燒工況、爐膛溫度場(chǎng)等復(fù)雜因素的相互影響。原始設(shè)計(jì)中按鍋爐高度方向安裝了六層尿素溶液的噴槍，通過試驗(yàn)，采用不同的投入組合對(duì)提高SNCR效率產(chǎn)生一定影響，相對(duì)功效明顯的是L3，L4，L5三層，投入L6層可提高進(jìn)入鍋爐尾部催化劑入口NH3的濃度，即相對(duì)提高SCR催化劑的脫硝效率[6]。

6 結(jié)論

由于此次試驗(yàn)是在之前初步摸索試驗(yàn)基礎(chǔ)上的進(jìn)一步調(diào)整試驗(yàn)，試驗(yàn)選取了較為典型的運(yùn)行工況，通過對(duì)相關(guān)因素的調(diào)整，摸索出了不同工況下的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式，即如何在投入較少的尿素溶液流量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)較好的脫硝效果。試驗(yàn)的相關(guān)結(jié)論對(duì)日常的常規(guī)運(yùn)行調(diào)整提供了較好的指導(dǎo)作用。