張定海，張 芳，吳繼品，韋 耿，毛 宇，周 棋，葉 茂

（1.東方鍋爐股份有限公司，成都611731； 2.江蘇徐礦綜合發(fā)電利用有限公司，徐州221011）

隨著環(huán)保要求越來(lái)越嚴(yán)格，不僅新建機(jī)組需要同步建設(shè)脫硝裝置，老機(jī)組也要進(jìn)行脫硝改造。由于SNCR脫硝技術(shù)設(shè)備系統(tǒng)簡(jiǎn)單、造價(jià)相對(duì)低廉，不存在反應(yīng)器堵塞等問(wèn)題，因此在CFB鍋爐上的應(yīng)用具有一定優(yōu)勢(shì)。

1 CFB鍋爐SNCR脫硝過(guò)程模擬研究

CFB鍋爐SNCR過(guò)程模擬的難點(diǎn)主要有幾個(gè)方面［1］：

（1）尿素或者氨水溶液在爐內(nèi)蒸發(fā)熱解的準(zhǔn)確模擬。

（2）尿素-SNCR過(guò)程的化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理。

（3）CFB鍋爐旋風(fēng)分離器流場(chǎng)的準(zhǔn)確把握。

商業(yè)化CFD軟件fluent為CFB鍋爐旋風(fēng)分離器流場(chǎng)及粒子追蹤模擬提供了手段，目前CFD軟件已經(jīng)廣泛地使用于指導(dǎo)研發(fā)、設(shè)計(jì)、調(diào)試以及改造中。

CFB鍋爐旋風(fēng)分離器不同工況下氮?jiǎng)┑臄U(kuò)散及反應(yīng)模擬結(jié)果見(jiàn)圖1。

由圖1可以明顯地看出：旋風(fēng)分離器出口氮?jiǎng)┖蜔煔獾幕旌闲Ч浅：?。通過(guò)SNCR過(guò)程模擬可計(jì)算出脫硝效率和氨逃逸率，并對(duì)CFBSNCR技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使脫硝效率達(dá)到60%以上。

圖1 不同工況下還原劑的擴(kuò)散效果圖

2 CFB鍋爐SNCR脫硝技術(shù)試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)裝置

3MW CFB鍋爐SNCR試驗(yàn)臺(tái)配置有：氮?jiǎng)﹥?chǔ)罐、攪拌器、計(jì)量泵、分配器及噴射器等。計(jì)量泵采用柱塞式計(jì)量泵，其行程可在0～100%無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，泵的流量為100L／h，泵的材料選用316L，泵前配置過(guò)濾器，泵后配置背壓閥、流量計(jì)，管子選用Dn＝15mm。

試驗(yàn)臺(tái)主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 CFB-SNCR試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)內(nèi)容如下：

（1）不同噴射位置對(duì)脫硝效率及氨逃逸率的影響。

（2）最佳噴射位置下不同氨氮比（NSR）對(duì)脫硝效率及氨逃逸率的影響。

（3）不同霧化噴槍對(duì)脫硝效率的影響。

（4）旋風(fēng)分離器區(qū)域不同溫度對(duì)脫硝效率及氨逃逸率的影響。

（5）鍋爐負(fù)荷對(duì)脫硝效率及氨逃逸率的影響。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)不同位置及噴槍形式的優(yōu)選，確定出最佳的噴射位置及噴槍形式。在最佳噴射位置及噴槍形式的基礎(chǔ)上進(jìn)行了3個(gè)不同NSR工況下的脫硝效率及氨逃逸率的測(cè)試。NOx質(zhì)量濃度變化曲線見(jiàn)圖2。

圖2 不同工況下NOx質(zhì)量濃度變化曲線

各工況下NOx質(zhì)量濃度m（NOx）的變化值、脫硝效率及氨逃逸率見(jiàn)表2。

表2 各工況氨逃逸測(cè)試值

由表2可見(jiàn)：CFB鍋爐采用SNCR技術(shù)雖能達(dá)到60%以上的脫硝效率，但是隨著脫硝效率的增加，氨逃逸率也相應(yīng)地有所增加。

3 CFB鍋爐SNCR脫硝技術(shù)工程應(yīng)用

將SNCR技術(shù)應(yīng)用于江蘇徐礦綜合發(fā)電利用有限公司2臺(tái)300MW CFB鍋爐上，還原劑為尿素。

3.1 SNCR技術(shù)工藝系統(tǒng)

3.1.1 尿素溶液制備系統(tǒng)

運(yùn)送至現(xiàn)場(chǎng)的袋裝顆粒尿素儲(chǔ)存在尿素儲(chǔ)存間中，經(jīng)電動(dòng)葫蘆吊裝送入尿素溶解罐，使尿素充分地溶解在按比例補(bǔ)充的新鮮除鹽水中，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%～50%的尿素溶液。溶解罐中除鹽水通過(guò)蒸汽加熱維持在40～50℃，溶解罐設(shè)置有攪拌器。溶解罐中的尿素溶液通過(guò)尿素溶液泵送入尿素溶液儲(chǔ)罐中。

3.1.2 尿素溶液稀釋與計(jì)量系統(tǒng)

尿素溶液通過(guò)循環(huán)泵先在本系統(tǒng)進(jìn)行稀釋及尿素溶液計(jì)量，根據(jù)鍋爐負(fù)荷調(diào)節(jié)尿素溶液供應(yīng)量，多余的尿素溶液返回尿素溶液儲(chǔ)罐。本系統(tǒng)入口設(shè)置稀釋水壓力調(diào)節(jié)閥，以保證入口稀釋水壓力變化時(shí)泵的出口壓力仍保持恒定，從而保證噴槍入口的尿素溶液壓力，達(dá)到要求的噴射效果。

來(lái)自廠區(qū)除鹽水母管的除鹽水經(jīng)稀釋水箱穩(wěn)壓后再接至稀釋水泵。稀釋水泵出口的兩條稀釋水管路分別與尿素供液泵出來(lái)的兩條尿素溶液管路連接，尿素與除鹽水通過(guò)靜態(tài)混合器混合后配置成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～20%的溶液，并輸送至鍋爐區(qū)域作還原劑使用。

尿素溶液稀釋與計(jì)量系統(tǒng)通過(guò)尿素溶液線和稀釋水線的流量控制閥，以及手動(dòng)閥門、壓力調(diào)節(jié)閥自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)入每個(gè)鍋爐注入?yún)^(qū)域的尿素溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和流量，以響應(yīng)煙氣中NOx的質(zhì)量濃度、鍋爐負(fù)荷和燃料量的變化。

3.1.3 尿素溶液分配和噴射系統(tǒng)

尿素溶液通過(guò)稀釋與計(jì)量之后進(jìn)入分配系統(tǒng)，由分配系統(tǒng)分配到各個(gè)旋風(fēng)分離器SNCR噴槍區(qū)域。在鍋爐不同負(fù)荷下，選擇煙氣溫度處在最佳反應(yīng)區(qū)間的噴射區(qū)噴入還原劑。噴射區(qū)域的位置和噴槍的設(shè)置通過(guò)對(duì)旋風(fēng)分離器溫度場(chǎng)、煙氣流場(chǎng)、還原劑噴射流場(chǎng)、化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的精確模擬確定。

還原劑在旋風(fēng)分離器內(nèi)的停留時(shí)間一般大于0.5s。根據(jù)不同負(fù)荷狀況對(duì)噴嘴的幾何特征、噴射的角度和速度、噴射液滴直徑進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)改變還原劑擴(kuò)散路徑，達(dá)到選定最佳停留時(shí)間的目的。

還原劑噴射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能適應(yīng)鍋爐在最低穩(wěn)燃負(fù)荷工況和BMCR之間的任何負(fù)荷下的安全連續(xù)運(yùn)行，并能適應(yīng)機(jī)組負(fù)荷變化和機(jī)組啟停次數(shù)的要求。

還原劑噴射系統(tǒng)設(shè)置12根噴槍，用于擴(kuò)散和混合尿素霧滴。噴槍采用墻式噴槍噴射器。

噴射器由于處于高溫和高煙塵的環(huán)境中，易因磨損和腐蝕導(dǎo)致?lián)p壞，因此噴射器選用耐磨、耐腐蝕的不銹鋼材料制造。

噴射器的設(shè)計(jì)參數(shù)依據(jù)計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合鍋爐結(jié)構(gòu)而確定，向每個(gè)噴射器提供壓縮空氣，以霧化尿素液滴。

從尿素溶液稀釋計(jì)量系統(tǒng)出來(lái)之后的尿素溶液通過(guò)一系列的手動(dòng)閥門分別接至每根噴槍，調(diào)試階段將手動(dòng)閥門調(diào)節(jié)至適當(dāng)位置后不變，保證單個(gè)區(qū)域內(nèi)每個(gè)噴槍的尿素溶液量相同，尿素溶液管道上設(shè)置就地壓力表。霧化空氣系統(tǒng)同樣也通過(guò)一系列的手動(dòng)閥門將壓縮空氣分別接至每根噴槍，調(diào)試階段將手動(dòng)閥門調(diào)節(jié)至適當(dāng)位置后不變，保證每個(gè)噴槍的霧化空氣量相同，霧化空氣管道上也設(shè)置就地壓力表。

通過(guò)SNCR過(guò)程模擬指導(dǎo)12支噴槍布置位置，達(dá)到脫硝效率的最大化。

3.1.4 輔助系統(tǒng)

壓縮空氣站用于提供尿素溶液的霧化介質(zhì)；系統(tǒng)配置2臺(tái)空壓機(jī)（一運(yùn)一備），空壓機(jī)排氣流量8m3／min，壓力0.75MPa；設(shè)置一個(gè)容積2m3的壓縮空氣儲(chǔ)罐；同時(shí)接入廠區(qū)公用壓縮空氣系統(tǒng)作為備用。

3.2 SNCR脫硝效果

2012年6月2 7日，江蘇徐礦綜合利用發(fā)電有限公司2臺(tái)300MW CFB鍋爐SNCR煙氣脫硝改造工程實(shí)現(xiàn)整套系統(tǒng)試投運(yùn)，經(jīng)環(huán)保局測(cè)試：1號(hào)鍋爐NOx質(zhì)量濃度從190mg／m3下降至30mg／m3；2號(hào)鍋爐NOx質(zhì)量濃度從220mg／m3下降至70mg／m3（見(jiàn)圖3）。

圖3 實(shí)例鍋爐NOx質(zhì)量濃度變化圖

3.3 對(duì)鍋爐運(yùn)行的影響

在SNCR投運(yùn)時(shí)，不斷地向爐膛內(nèi)噴入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～15%的尿素溶液，噴入量約為1.8～3.0t／h。尿素溶液進(jìn)入爐膛后，除尿素與NO反應(yīng)生成CO2／H2O／N2，其中的水分將不發(fā)生化學(xué)變化，瞬間蒸發(fā)后隨煙氣向尾部流動(dòng)。

整個(gè)試運(yùn)期間，噴水量約2t／h，SNCR系統(tǒng)投運(yùn)對(duì)鍋爐排煙溫度的影響很小，升高1～2K；鍋爐過(guò)熱蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度與SNCR系統(tǒng)未投前比較沒(méi)有發(fā)生明顯的變化，減溫水流量也沒(méi)有明顯的變化。實(shí)踐表明：SNCR脫硝系統(tǒng)的投入和退出對(duì)鍋爐運(yùn)行的穩(wěn)定性沒(méi)有明顯的影響。運(yùn)行期間飛灰及爐渣可燃物質(zhì)量分?jǐn)?shù)與SNCR投入前比較，沒(méi)有明顯的變化，說(shuō)明SNCR的投運(yùn)對(duì)鍋爐燃燒沒(méi)有明顯影響。

4 結(jié)語(yǔ)

CFB鍋爐因燃料灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)大、NOx排放質(zhì)量濃度低等特點(diǎn)，導(dǎo)致實(shí)施SCR脫硝技術(shù)經(jīng)濟(jì)性不佳，而采用SNCR脫硝技術(shù)為最佳。東方鍋爐研發(fā)的CFB鍋爐SNCR脫硝系統(tǒng)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，在工程實(shí)施后脫硝效率能夠達(dá)到60%以上；同時(shí)對(duì)鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性影響較小，設(shè)備可靠。CFB鍋爐采用SNCR脫硝技術(shù)，可一步達(dá)到最嚴(yán)格的環(huán)保NOx排放質(zhì)量濃度限值的要求。

［1］趙立平，曹慶喜，吳少華.NH3選擇性非催化還原NO的化學(xué)動(dòng)力學(xué)計(jì)算及分析［J］.電站系統(tǒng)工程，2008，24（1）：27-29，32.