黎子鋒

(珠江啤酒股份有限公司熱電廠，廣東 廣州 510315）

75t/h煤粉鍋爐煙氣脫硝技術(shù)改造

黎子鋒

(珠江啤酒股份有限公司熱電廠，廣東 廣州 510315）

廣州珠江啤酒股份公司熱電廠兩臺75t/h鍋爐，采用低氮燃燒技術(shù)和爐內(nèi)選擇性非催化還原（SNCR）脫硝技術(shù)相結(jié)合，對鍋爐排放的煙氣進(jìn)行脫硝治理。脫硝效率為60%，達(dá)到預(yù)期效果。

煙氣脫硝；低氮燃燒；SNCR

一、鍋爐情況

熱電廠2臺B&WB75-5.3-M鍋爐型自然循環(huán)鍋爐，額定蒸發(fā)量為75t/h，爐膛的深度×寬度為5 810mm×5 810mm。制粉系統(tǒng)為中速磨直吹式，鍋爐采用正四角直流式煤粉燃燒器，燃燒器排列方式為(從下往上排列)2、1、2、2、1、2，切圓直徑為450mm。鍋爐設(shè)計(jì)燃煤為山西大同煙煤。鍋爐原燃燒器尚未采用低氮燃燒技術(shù)，鍋爐的NOX排放濃度700～1 000mg/m3。

二、改造方案

經(jīng)對鍋爐的設(shè)計(jì)資料及圖紙研究分析，并經(jīng)改造前的鍋爐性能實(shí)驗(yàn)得出如下幾個原因造成NOX排放濃度不達(dá)標(biāo)。

1.一次風(fēng)率過高

一次風(fēng)率偏高時，在燃燒的過程中，煤粉著火和揮發(fā)份燃燒階段氧濃度較高，揮發(fā)份NOX大量生成，對于燃用煙煤燃燒器，若不加控制，揮發(fā)份NOX會大量生成，成為NOX的主要來源。一次風(fēng)率過高同時會推遲煤粉著火，導(dǎo)致鍋爐穩(wěn)燃性差，飛灰含碳量升高。改造前，鍋爐燃燒器一次風(fēng)率設(shè)計(jì)值為38%，遠(yuǎn)大于低氮燃燒器設(shè)計(jì)一次風(fēng)率值，煤粉中揮發(fā)份N將大部分轉(zhuǎn)化為NOX，對NOX和著火穩(wěn)燃極為不利。

2.均等配風(fēng)

改造前，鍋爐燃燒器采用傳統(tǒng)均等配風(fēng)方式，將所有的煤粉和空氣都通過燃燒器送入爐膛燃燒，這樣煤粉與空氣充分混合，燃燒強(qiáng)度大，燃燒溫度高，但由此產(chǎn)生的NOX排放量也高。

3.未采取煙氣脫硝技術(shù)

考慮到以上實(shí)際情況，本著節(jié)約和高效的原則，鍋爐的脫硝改造綜合利用了低氮燃燒技術(shù)和尾部加裝煙氣脫硝技術(shù)。

三、低氮燃燒技術(shù)改造

鍋爐低NOX燃燒改造方案采用上下濃淡燃燒技術(shù)，將一次風(fēng)分為濃淡2股，低NOX燃燒器的特點(diǎn)是在燃燒器出口實(shí)現(xiàn)分級送風(fēng)與燃料合理配比，達(dá)到抑制NOX生成的目的。它的設(shè)計(jì)用于控制燃燒器附近燃料與空氣的混合，可以阻止燃料氮向NOX的轉(zhuǎn)化和熱力NOX的生成，同時兼具低負(fù)荷穩(wěn)燃的作用。解決改前燃燒器一次風(fēng)率設(shè)計(jì)值偏高的問題，抑制揮發(fā)份NOX生成；同時采用空氣分級燃燒技術(shù)，設(shè)2層SOFA風(fēng)，抑制燃燒后期NOX生成。通過低氮燃燒技術(shù)改造，達(dá)到NOX排放水平不高于400mg/m3的目標(biāo)。

1.上下濃淡燃燒

燃燒器一次風(fēng)噴口前安裝可調(diào)式煤粉濃淡分離器，將一次風(fēng)分成上下濃淡2股氣流，在不顯著增大一次風(fēng)道阻力的前提下，濃淡比可達(dá)7:1。其基本設(shè)計(jì)思想是利用扇形擋塊對煤粉顆粒的慣性導(dǎo)向作用，實(shí)現(xiàn)

煤粉氣流的濃縮和分流，達(dá)到煤粉濃淡分離目的。

如圖1所示，分離裝置由原一次風(fēng)管道、擋塊、彎曲板及隔板組成。擋塊安裝在一次風(fēng)管道壁面上，當(dāng)煤粉氣流流經(jīng)時，由于擋塊的導(dǎo)向作用，一部分煤粉氣流改變流動方向，在這部分氣流中，由于煤粒顆粒的運(yùn)動慣性遠(yuǎn)大于空氣的慣性，經(jīng)與擋塊碰撞后大部分反彈至濃側(cè)氣流通道，同時，由于導(dǎo)流作用在擋塊后形成一個低壓區(qū)，小部分煤粉顆粒隨空氣在壓差作用下繞流擋塊進(jìn)入淡側(cè)氣流通道。這樣，在擋塊作用下，煤粉氣流被濃縮，形成了濃淡分離。在擋塊后面還設(shè)置了分離隔板，把這兩股濃淡偏差氣流保持到燃燒器出口。

圖1 上下濃淡分離器原理圖

濃度的連續(xù)可調(diào)是通過改變擋塊高度來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)擋塊轉(zhuǎn)動使高度發(fā)生變化時，濃淡分離效果是不同的，這樣達(dá)到煤粉濃度連續(xù)可調(diào)目的。

一次風(fēng)濃、淡側(cè)噴口均設(shè)波形鈍體，在鈍體后形成一回流區(qū)回流高溫?zé)煔猓瑥?qiáng)化著火，使得煤粉更多燃燒過程在與周圍二次風(fēng)混合前燃燒，抑制燃燒初期揮發(fā)份NOX生成。同時強(qiáng)化著火可以提高燃燒效率。

原一次風(fēng)冷卻風(fēng)仍保留，以便在燃燒器停用時起到保護(hù)噴口作用。

2.空氣分級燃燒

SOFA空氣分級燃燒技術(shù)，將爐膛燃燒區(qū)域分成兩部分，減少下部一次燃燒區(qū)域配風(fēng)，使得煤粉燃燒初期處于欠氧條件，NOX生成得到抑制，在燃燒器上部一定高度處布置分離式火上風(fēng)(SOFA)，保證煤粉燃盡。

SOFA空氣分級燃燒技術(shù)是目前主流的煤粉低NOX燃燒技術(shù)，其原理主要是控制煤粉燃燒前期的氧量，使得煤中大部分N元素轉(zhuǎn)化為N2，SOFA的補(bǔ)入提供焦炭燃盡所需氧量，保證鍋爐燃燒效率。

SOFA噴口設(shè)擺動機(jī)構(gòu)，可以上下擺動以適應(yīng)燃料煤種變化。正常運(yùn)行時，投運(yùn)一層SOFA風(fēng)，另一層保留一定的冷卻風(fēng)量即可保證爐膛送風(fēng)，當(dāng)燃用難燃盡煤時，投運(yùn)下層SOFA風(fēng)，及早補(bǔ)入燃燒用風(fēng)，保證燃盡；當(dāng)燃用煤種容易燃盡時，投上層SOFA，保證燃盡的同時可以將NOX控制得更低。

3. 改造方案

由于此次改造不改動現(xiàn)有制粉系統(tǒng)和送粉系統(tǒng)，燃燒器設(shè)計(jì)方案維持一次風(fēng)量、風(fēng)速、風(fēng)溫不變，二次風(fēng)速和風(fēng)溫也維持不變，SOFA引自熱風(fēng)管，其風(fēng)速和風(fēng)溫與二次風(fēng)相同。改造方案燃燒器配風(fēng)參數(shù)見表1。

表1 改造配風(fēng)方案

改造方案中主燃燒器噴口布置方式：取消一層二次風(fēng)，噴口布置從下到上依次為2、1、2、1、2，主燃燒器上部設(shè)2層SOFA噴口，即上SOFA和下SOFA。各噴口特點(diǎn)如下。

(1)一次風(fēng)。一次風(fēng)噴口布置標(biāo)高略有變動，下一次風(fēng)風(fēng)管往上移132mm，上一次風(fēng)風(fēng)管往下移100mm。

一次風(fēng)噴口設(shè)水平波形鈍體，鈍體迎風(fēng)面設(shè)耐磨陶瓷片。運(yùn)行時在鈍體后形成回流區(qū)，強(qiáng)化燃燒，保證穩(wěn)定燃燒，降低著火初期NOX排放。

(2)二次風(fēng)。保持上、下二次風(fēng)標(biāo)高不變，噴口尺寸也不變，原先中間的兩層二次風(fēng)取代為一層中二次風(fēng)。

(3)SOFA。要獲得好的低NOX排放效果，SOFA應(yīng)布置在距離主燃燒區(qū)越遠(yuǎn)越好的位置，但其布置高度另一方面也受到碳燃盡的影響，進(jìn)而影響鍋爐效率。SOFA噴口設(shè)上、下兩層，并可在此基礎(chǔ)上上下手動擺動15°，以適應(yīng)燃料煤種變化。

(4)讓管安裝。為配合兩層SOFA管道的安裝，需要對這兩層水冷壁管進(jìn)行6根管道讓管改動。而燃燒器長度與改前的燃燒器長度相等，故不需要進(jìn)行讓管工作。

4.低氮燃燒技術(shù)改造效果

由于改造方案采用了SOFA技術(shù)，使得SOFA噴入前的一次燃燒區(qū)域供氧不足，火焰被拉長，燃料在噴入爐膛后不能迅速完全燃燒，熱量也沒有得到充分釋放。熱力型NOX的生成量在1 500℃以上時其生成量迅速增長，而該區(qū)域溫度大都在1 500℃以下，有效抑制熱力型NOX的生成。

隨著OFA風(fēng)的大量補(bǔ)入，未燃盡的焦炭將迅速燃燒，釋放熱量，爐膛溫度也與改前燃燒器趨于一致。到爐膛出口，改造方案溫度與改前燃燒器趨于相同，不會對過熱器的受熱產(chǎn)生影響。由于采用了空氣分級燃燒技術(shù)，在燃燒初期NOX濃度即維持在較低水平，隨著OFA風(fēng)的補(bǔ)入，NOX濃度有所升高，但此時煤粉中的N元素大部分已轉(zhuǎn)化為N2，NOX濃度升高幅度不大。到爐膛出口，NOX排放濃度控制在400mg/m3以下。

四、SNCR改造

選擇性非催化還原(SNCR)是一種不用催化劑，在900～1 100℃范圍內(nèi)還原NOX的方法。還原劑常用氨或尿素，還原劑迅速熱分解，和煙氣中的NOX反應(yīng)，迅速生成N2和H2O。最主要的化學(xué)反應(yīng)方程式如下。

當(dāng)溫度過高，超過反應(yīng)溫度窗時，氨就會被氧化成NOX。

方案中，SNCR脫硝技術(shù)利用尿素做還原劑，將干尿素溶解為40%濃度的溶液后泵送至爐前，經(jīng)稀釋水系統(tǒng)稀釋并經(jīng)壓縮空氣霧化后送至爐內(nèi)，與煙氣充分混合反應(yīng)脫除爐內(nèi)NOX。

1.影響SNCR的性能參數(shù)

(1)溫度窗口。溫度窗口是脫硝反應(yīng)最佳的爐膛溫度區(qū)間。若反應(yīng)溫度過低，還原劑與NOX沒有足夠活化能使脫硝反應(yīng)快速進(jìn)行，導(dǎo)致脫硝效率降低。溫度過高，尿素本身也會被氧化成NOX，反而會增加NOX的排放。以尿素為還原劑的SNCR溫度窗口為900～1 100℃。

(2)停留時間。在還原劑離開窗口前SNCR整個反應(yīng)過程必須完成，這樣才能達(dá)到理想的脫硝效果。若想獲得良好的脫硝效果，還原劑的停留時間至少要0.5s。

(3)適當(dāng)?shù)腘H3/NOX的摩爾比。根據(jù)反應(yīng)方程式，NH3/NOX的理論摩爾比應(yīng)該為1，但實(shí)際上都要比1大才能達(dá)到較好的NOX還原率。NH3的量加大有利于還原劑與煙氣的混合。但過高的NH3量也會增加氨的逃逸。

2.具體工藝過程

本次 改造方案采用尿素為還原劑。如圖2所示，作為還原劑的固體尿素在溶解罐內(nèi)，被制備成濃度為40%的尿素溶液，尿素溶液經(jīng)輸送泵送至尿素溶液罐，尿素溶液罐中的尿素溶液通過循環(huán)模塊輸送至計(jì)量分配模塊，與稀釋水混合，稀釋成5%～10%的尿素溶液。配制稀釋好的尿素溶液將送到2個噴射區(qū)噴射器。尿素溶液經(jīng)由噴射器噴入爐內(nèi)與煙氣混合進(jìn)行脫除NOX的氧化還原反應(yīng)。達(dá)到SNCR系統(tǒng)入口NOX濃度400mg/m3時，保證NOX排放濃度≤300mg/m3的效果。

根據(jù)鍋爐熱態(tài)性能測試數(shù)據(jù)及CFD數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，定出SNCR噴槍布置，確保脫硝反應(yīng)發(fā)生在最佳的溫度窗口。每臺鍋爐噴槍設(shè)置2層：A層在鍋爐側(cè)墻各設(shè)置2根噴槍；B層在鍋爐前墻設(shè)置4根噴槍，兩側(cè)墻各設(shè)置1根噴槍。其中2#鍋爐A層在15.5m層，B層在18m層；3#鍋爐A層在15.8m層，B層在18.3m層。根據(jù)鍋爐運(yùn)行時負(fù)荷的情況、溫度場變化以及NOX含量等決定投運(yùn)噴射區(qū)噴射量。

當(dāng)鍋爐負(fù)荷和爐膛出口的NOX濃度變化時，送入爐膛的尿素量也應(yīng)隨之變化，這將導(dǎo)致送入噴槍的流量發(fā)生變化。若噴槍的流量變化太大，將會影響到霧化噴射效果，從而影響脫硝率和氨殘余。因此設(shè)計(jì)了稀釋系統(tǒng)，用來保證在運(yùn)行工況變化時噴嘴中流體流量不變。特定濃度的尿素溶液從儲罐輸出后，在爐前與稀釋水混合，通過監(jiān)測在線稀釋水流量來調(diào)節(jié)最終的尿素濃度。

配制稀釋好的尿素溶液將送到2個噴射區(qū)的噴射器。各噴射區(qū)設(shè)有流量調(diào)節(jié)閥門和流量計(jì)量設(shè)備，用以計(jì)量和控制本區(qū)噴入爐膛的尿素流量。噴射所需的霧化介質(zhì)采用壓縮空氣，其作用主要是提高還原劑噴射速度、增加噴射動量，以加強(qiáng)尿素溶液顆粒與爐內(nèi)煙氣混合，保證脫硝效果、提高尿素利用率減少尿素用量，并且減少尾部氨殘余。

3.運(yùn)行試驗(yàn)最佳參數(shù)

通過對鍋爐的試驗(yàn)及對數(shù)據(jù)比較，按以下參數(shù)運(yùn)行時可取得較佳的運(yùn)行效果：50t/h負(fù)荷，設(shè)定流量為0.56m3/h，濃度為8%～10%。50～70t/h負(fù)荷，設(shè)定流量0.56m3/h，濃度為8%～10% ，70t/h以上負(fù)荷設(shè)定流量0.56m3/h，設(shè)定濃度為5%。

圖2 SNCR工藝示意圖

五、系統(tǒng)技術(shù)改造后實(shí)際運(yùn)行效果

通過比較改造前后2臺鍋爐運(yùn)行實(shí)際情況，從表2可見，2臺鍋爐脫硝效率均能達(dá)到大于60%的目標(biāo)和氮氧化物排放濃度不大于400 mg/m3的要求。2臺鍋爐氮氧化物排放量每小時分別減少56.15kg和68.4kg。按每年運(yùn)行330d計(jì)算，分別可減排氮氧化物444.71t和541.73t，年總削減量為986.44t，達(dá)到環(huán)保部門要求公司年總減排776.17t的目標(biāo)。

表2 脫硝改造后氮氧化物數(shù)據(jù)對比

[1] 孫克勤，鐘泰.火電廠煙氣脫硝技術(shù)及工程應(yīng)用[M].化學(xué)工業(yè)出版社.2006.

[2] 鐘泰.燃煤煙氣脫硫脫硝技術(shù)及工程實(shí)例[M]. 化學(xué)工業(yè)出版社.2004.

X701

B

1671-0711（2014）03-0022-03

2013-12-05)