劉曉云

摘 要：根據(jù)NOx生成原理及控制技術(shù)，擬定了低氮燃燒加SNCR的脫硝工藝路線。并結(jié)合某神木公司410t/h高溫高壓煤粉鍋爐脫硝項(xiàng)目，分析了具體工藝流程和技術(shù)特點(diǎn)，并根據(jù)投運(yùn)效果證明該路線的可行性。

關(guān)鍵詞：低氮燃燒；SNCR；脫硝；鍋爐

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.08.034

神木發(fā)電有限公司共裝有2臺110MW燃煤汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，所安裝鍋爐為北京巴威公司生產(chǎn)的B&WB-410/9.81-M型高壓鍋爐，燃煤按神府煤種設(shè)計(jì)，屬于優(yōu)質(zhì)煙煤，灰含量只有11%，實(shí)際燃煤為神木煙煤，四角切圓布置直流煤粉燃燒器，空氣預(yù)熱器為管式空預(yù)器，分為上中下級布置，省煤器分為上下級并且與上下級空氣預(yù)熱器交錯(cuò)布置在尾部豎井煙道內(nèi)部；制粉系統(tǒng)采用中間儲(chǔ)倉式、乏氣送粉制粉系統(tǒng)；鍋爐布置為單鍋簡，集中下降管，固態(tài)排渣、自然循環(huán)煤粉鍋爐；除塵方式電除塵；脫硫方式為兩爐一塔循環(huán)流化床干法脫硫系統(tǒng)。目前兩臺機(jī)組出口煙氣SO2排放濃度≤100mg/Nm3，煙氣含塵量濃度≤30mg/Nm3，NOx排放濃度為800～900mg/Nm3。

為遵從國家環(huán)保政策的要求，滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步減少NOx排放總量，堅(jiān)持科學(xué)發(fā)展觀，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，更好地為集團(tuán)公司的發(fā)展和神木縣環(huán)境保護(hù)和生態(tài)城市建設(shè)貢獻(xiàn)力量，擬為中電國華神木發(fā)電有限公司2×110MW燃煤機(jī)組配置脫硝裝置。

1 鍋爐NOx生成與控制

1.1 NOx生成

燃煤鍋爐排放的NOx主要由NO、NO2及微量N2O組成，其中NO含量超過90%，NO2約占5～10%，N2O量只有1%左右。理論上NOx的生成有三條途徑，即：熱力型、燃料型與瞬態(tài)型。其中，燃料型NOx所占比例最大。

1.2 NOx控制

燃煤鍋爐的NOx控制主要分為爐內(nèi)低NOx燃燒技術(shù)和爐后煙氣脫硝技術(shù)兩類，其控制機(jī)理主要為爐內(nèi)低NOx燃燒技術(shù)主要通過控制當(dāng)?shù)氐娜紵龤夥眨们费跞紵傻腍CN與NH3等中間產(chǎn)物來抑制與還原已經(jīng)生成的NOx。對于爐膛出口煙氣中的NOx，可在合適的溫度條件或催化劑作用下，通過往煙氣中噴射氨基還原劑，將NOx還原成無害的N2和H2O。

經(jīng)過多年研究與發(fā)展，燃煤鍋爐的NOx控制技術(shù)已日趨成熟，國內(nèi)外廣泛采用的NOx控制技術(shù)主要有：低NOx燃燒器、空氣分級、燃料分級、燃料再燃、選擇性催化還原SCR、選擇性非催化還原SNCR、SNCR/SCR混合法等。根據(jù)NOx控制要求不同，這些技術(shù)既可以單獨(dú)使用也可以組合使用。神木發(fā)電公司的兩臺燃煤鍋爐均采用直流燃燒器，因此低NOx燃燒器的技術(shù)分析只針對直流燃燒器。

（1）低NOx燃燒器 NOx燃燒器采用特定機(jī)構(gòu)將煤粉濃縮分離，在燃燒初期形成局部的煤粉濃淡偏差燃燒來控制NOx生成。低NOx燃燒器的脫硝效率約為20～40%。

（2）爐內(nèi)空氣分級煤粉燃盡前，在低NOx燃燒器的火焰下游維持一定程度的還原性氣氛，是進(jìn)一步控制爐內(nèi)NOx生成的一個(gè)重要措施。常規(guī)手段是改變傳統(tǒng)集中送風(fēng)的方式，將部分助燃空氣從主燃燒器區(qū)域分離出來，通過燃燒器上方的噴口送入爐內(nèi)，在爐膛高度方向形成空氣分級（SOFA）燃燒的模式。分級風(fēng)主要用于后期的煤粉與CO燃盡。分級風(fēng)主要有緊湊型、單級分離型及多級分離混合型等三種。空氣分級與低NOx燃燒器相配合，可降低NOx排放約40～60%。空氣分級程度及分級風(fēng)噴口與主燃燒器區(qū)域的距離，決定了燃燒器區(qū)域的還原性氣氛程度及煤粉在欠氧條件下的停留時(shí)間，從而影響到NOx的生成濃度。為改善早期低NOx燃燒系統(tǒng)所存在的煤粉燃盡程度低、水冷壁結(jié)渣及高溫?zé)煔飧g等缺陷，現(xiàn)代低NOx燃燒系統(tǒng)采取邊界風(fēng)、側(cè)壁風(fēng)、二次風(fēng)大偏斜及濃淡偏差燃燒等措施，在燃燒器噴嘴附近或爐膛中央營造欠氧燃燒環(huán)境，并使水冷壁處于氧化氣氛，提高煤粉初期的燃燒速度。此外，利用新型燃盡風(fēng)噴口結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化分級風(fēng)的穿透能力，提高分級風(fēng)與煙氣的混合程度，改善煤粉與CO的后期燃盡。

（3）燃料再燃爐內(nèi)空氣分級使煤粉燃燒初期處于欠氧環(huán)境，在一定程度上會(huì)延遲燃燒。為在控制NOx生成的同時(shí)，還不降低煤粉燃盡。再燃技術(shù)將高效低NOx燃燒器、燃料再燃及空氣分級等技術(shù)結(jié)合在一起，利用再燃過程的中間產(chǎn)物還原已經(jīng)生成的NOx，在爐膛內(nèi)形成主燃區(qū)、再燃區(qū)和燃盡區(qū)。約80～85%的一次燃料噴入主燃區(qū)，在氧化氣氛（α=1.1～1.15）下劇烈燃燒；約15～20%的二次燃料（天然氣、油或高揮發(fā)分的超細(xì)煤粉）于再燃區(qū)噴入爐膛，在強(qiáng)還原氣氛（α=0.7～0.9）條件下，二次燃料燃燒產(chǎn)生大量碳?xì)湓訄F(tuán)（HCN），將來自主燃燒器區(qū)域的NOx還原成N2；剩余二次風(fēng)由OFA噴口送入燃盡區(qū)，富氧（α=1.15）燃燒未燃燼碳與CO。再燃技術(shù)在控制NOx排放的同時(shí)，兼顧燃盡、結(jié)渣與腐蝕等鍋爐性能，是目前最先進(jìn)的低NOx燃燒技術(shù)，NOx降低率約為50～70%。該技術(shù)的NOx控制能力與爐膛沿程上的氧量控制密切相關(guān)，對鍋爐的運(yùn)行操作方式及控制精度要求非常高。

（4）低NOx燃燒優(yōu)化系統(tǒng)爐膛內(nèi)的煤粉燃燒是一個(gè)復(fù)雜的整體系統(tǒng)，通過低NOx燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)量化各參數(shù)之間的非線性內(nèi)在關(guān)系，可充分挖掘現(xiàn)有燃燒裝置的NOx控制潛力。

燃燒優(yōu)化系統(tǒng)利用多變量非線性回歸學(xué)習(xí)方法，將熱力試驗(yàn)數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)相結(jié)合，在控制變量（鍋爐效率、空氣系數(shù)、過熱汽溫、再熱汽溫、煙氣成分等）、操作變量（風(fēng)量、小風(fēng)門開度、風(fēng)箱與爐膛差壓等）以及擾動(dòng)變量（煤質(zhì)組成、負(fù)荷要求、大氣環(huán)境變化等）之間，構(gòu)造出一種對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)擾動(dòng)變量發(fā)生變化時(shí)，燃燒優(yōu)化系統(tǒng)操作變量進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，以維持控制變量處于良好狀態(tài)。

低NOx燃燒優(yōu)化系統(tǒng)是通過精確調(diào)節(jié)運(yùn)行方式來實(shí)現(xiàn)NOx控制的，可降低NOx排放約10～30%。其NOx控制能力受到現(xiàn)有硬件設(shè)備性能的制約，且難以兼顧隱性模糊變量（結(jié)焦程度與腐蝕等），易導(dǎo)致鍋爐燃燒方式走向極端，影響鍋爐其它性能。

（5）選擇性非催化還原技術(shù)（SNCR）在爐膛出口與屏式過熱器附近煙氣溫度約850～1150℃區(qū)間，向爐內(nèi)噴射氨水或尿素溶液，將高溫?zé)煔庵械腘Ox直接還原成無害的N2和H2O。SNCR技術(shù)的脫硝效率約為30～50%，氨逃逸濃度可控制在10μL/L以下，適用于NOx減排要求相對較低的情況。SNCR系統(tǒng)的脫硝效果受到爐膛內(nèi)溫度場、速度場以及脫硝還原劑噴射均勻性等因素影響，其中如何將還原劑送入爐內(nèi)合適的位置起決定性作用。

2 鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)及煤種

2.1 鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 設(shè)計(jì)煤種

神木發(fā)電有限公司2×110MW鍋爐燃煤為混煙煤，主要使用周邊大柳塔煤礦生產(chǎn)的原煤與部分小窯煤生產(chǎn)的煙煤的混合。單臺鍋爐燃煤量約為47t/h，兩臺鍋爐每天燃煤約2256t/d。

3 低NOx燃燒改造方案

3.1 性能要求

綜合分析國內(nèi)外相關(guān)的低NOx燃燒技術(shù)，對于本工程通過燃燒技術(shù)的升級改造，要求達(dá)到如下性能要求：

（1）NOx排放濃度控制在350mg/Nm3；

（2）鍋爐效率降低絕對值不超過0.5%；

（3）不引起鍋爐結(jié)渣與高溫?zé)煔飧g；

（4）不改變鍋爐最大出力，保證主汽溫及壓力在正常范圍。

3.2 工藝方案

針對中電國華神木發(fā)電有限公司鍋爐的燃燒技術(shù)與鍋爐性能現(xiàn)狀，燃燒技術(shù)改造方案（如圖1）。

低NOx燃燒器改造方案的思路是在保持鍋爐原四角切圓直流燃燒器設(shè)計(jì)原則不變的前提下，充分利用原燃燒器的優(yōu)點(diǎn)，合理增加布置SOFA風(fēng)，改進(jìn)其它燃燒器噴口結(jié)構(gòu)，以達(dá)到基本保持原有飛灰含碳量、爐渣含碳量、鍋爐效率不變、鍋爐蒸汽參數(shù)穩(wěn)定、NOx排放量下降的目的，具體如下：

（1）沿高度方向上二次風(fēng)進(jìn)行重新分配，增設(shè)三層高位燃盡風(fēng)，燃盡風(fēng)總量在30%左右，燃盡風(fēng)取自左右側(cè)兩個(gè)大風(fēng)箱。這三層燃燼風(fēng)分隔布置，逐步進(jìn)入爐內(nèi)燃燒。燃燼風(fēng)結(jié)構(gòu)上可實(shí)現(xiàn)上下左右擺動(dòng)，運(yùn)行時(shí)通過噴口擺動(dòng)角度的調(diào)整，達(dá)到一最佳效果。

（2）對一次風(fēng)噴口進(jìn)行調(diào)整，采用水平濃淡燃燒技術(shù)。煤粉濃淡分離器將大部分煤粉分離到濃側(cè)，實(shí)現(xiàn)燃燒前期的氧量控制，使得揮發(fā)份氮轉(zhuǎn)化為N2，從而降低揮發(fā)分NOx的生成；淡側(cè)煤粉量很少，空氣系數(shù)較高，煤粉熱解過程溫度相對較低，揮發(fā)份N向NOx的轉(zhuǎn)化率也將降低。

（3）對一、二次風(fēng)切圓直徑進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)徑向空氣分級燃燒。合理的一、二次風(fēng)射流夾角除了可以控制NOx生成，還可以在爐內(nèi)形成“風(fēng)包粉”的燃燒效果，既可以保證穩(wěn)定燃燒，又能降低水冷壁高溫腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，并防止水冷壁結(jié)渣。

（4）在一次風(fēng)噴口周圍新增周界風(fēng)噴口，并且偏置周界風(fēng)噴口，向火側(cè)周界風(fēng)量較小，背火側(cè)周界風(fēng)量較大，可以在水冷壁附近形成局部富氧環(huán)境，降低水冷壁結(jié)焦風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)周界風(fēng)噴口與一次風(fēng)煤粉射流成一定夾角，可以起到防止煤粉沖刷水冷壁、保護(hù)噴口，調(diào)節(jié)著火距離以及實(shí)現(xiàn)細(xì)部空氣分級的作用，對控制NOx排放有利。

通過以上技術(shù)措施，保證鍋爐NOx排放達(dá)到改造要求，同時(shí)鍋爐效率不降低，蒸汽參數(shù)正常，鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定。

3.3 電氣、儀表及控制系統(tǒng)

（1）電氣系統(tǒng)。低氮燃燒改造系統(tǒng)用電負(fù)荷主要包括新增風(fēng)門執(zhí)行機(jī)構(gòu)及儀表。現(xiàn)場從DCS間鋪設(shè)電源線，為新增加的設(shè)備提供電源。壓力變送器、電動(dòng)執(zhí)行器反饋信號、分析儀表采用4-20mA信號送至電廠原DCS系統(tǒng)。執(zhí)行器給定信號接受原電廠DCS 4-20mA信號。

（2）控制系統(tǒng)。低氮燃燒改造控制系統(tǒng)的自動(dòng)監(jiān)測與控制進(jìn)入電廠DCS系統(tǒng)，可以在DCS上面實(shí)現(xiàn)對風(fēng)門執(zhí)行機(jī)構(gòu)和SOFA噴口上下擺動(dòng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，運(yùn)行參數(shù)自動(dòng)檢測和儲(chǔ)存，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。操作人員通過鍵盤、鼠標(biāo)就能完成風(fēng)門執(zhí)行系統(tǒng)的開關(guān)操作，并實(shí)時(shí)監(jiān)視煙氣分析數(shù)據(jù)。整個(gè)系統(tǒng)受電廠原DCS系統(tǒng)控制。

4 SNCR改造方案

4.1 性能要求

通過低NOx燃燒器將NOx降低到約350mg/Nm3基礎(chǔ)上，可采用SNCR裝置將NOx降低到約200mg/Nm3，脫硝效率約43%，同時(shí)要求氨逃逸濃度小于10μL/L，對鍋爐效率的影響低于0.5%。

4.2 工藝設(shè)計(jì)參數(shù)

針對中電國華神木電廠2臺鍋爐的NOx排放現(xiàn)狀與NOx控制要求，SNCR裝置與低NOx燃燒器相結(jié)合時(shí)的初步設(shè)計(jì)參數(shù)（如表3）。

4.3 工藝布置

考慮到爐膛截面尺寸為9.98×9.98m，SNCR只采用墻式噴槍就能有效保證還原劑與煙氣的充分混合，SNCR合適的反應(yīng)溫度在870～1150℃之間，根據(jù)爐膛溫度分布的特點(diǎn)，合適的溫度區(qū)間大概在鍋爐折焰角附近，同時(shí)為了滿足鍋爐負(fù)荷變化時(shí)爐膛溫度的變化，SNCR墻式噴槍應(yīng)多層布置（SNCR噴槍布置示意圖3）

根據(jù)SNCR噴槍布置示意圖，可分3層布置，以滿足不同負(fù)荷下SNCR反應(yīng)所需，實(shí)際投運(yùn)時(shí)，一般只投運(yùn)1層，噴射層的高度要根據(jù)低NOx燃燒器改造后的爐膛溫度場再?zèng)Q定。根據(jù)現(xiàn)場勘查，折焰角上下的爐壁安裝條件較好，前后左右側(cè)均可以布置噴槍，每層建議布置9～15支噴槍，單臺鍋爐約布置34支噴槍。SNCR采用墻式噴槍就能有效保證還原劑與煙氣的充分混合，SNCR合適的反應(yīng)溫度在870～1150℃之間，根據(jù)爐膛溫度分布的特點(diǎn)，合適的溫度區(qū)間大概在鍋爐折焰角附近，同時(shí)為了滿足鍋爐負(fù)荷變化時(shí)爐膛溫度的變化，墻式噴槍采用氣力霧化方式，霧化粒徑的大小可通過調(diào)整霧化介質(zhì)的壓力進(jìn)行調(diào)整，霧化介質(zhì)既可以采用壓縮空氣，也可以采用低壓蒸汽。通過調(diào)整噴槍的噴槍動(dòng)量、流量及霧化壓力來實(shí)現(xiàn)不同負(fù)荷工況下粒徑的穿透深度，從而促進(jìn)還原劑與煙氣的混合，提高脫硝率，降低NH3逃逸。

SNCR煙氣脫硝系統(tǒng)主要還原劑為工業(yè)尿素，由還原劑儲(chǔ)存供應(yīng)系統(tǒng)、稀釋水系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)和噴射系統(tǒng)四個(gè)系統(tǒng)滿足要求。

5 實(shí)際運(yùn)行效果

神木公司于2014年10底完成了兩臺鍋爐NOx燃燒改造和SNCR改造，根據(jù)機(jī)組不同運(yùn)行工況分析：在110MW時(shí)，鍋爐低氮燃燒投運(yùn)，噴氨系統(tǒng)停運(yùn)時(shí)，空預(yù)器入口處平均煙氣溫度為410.5℃，NOX平均濃度為181.0mg/Nm3（標(biāo)態(tài)、干基、6%O2 ）；噴氨系統(tǒng)投運(yùn)后，實(shí)測空預(yù)器入口處平均煙氣溫度為431.9℃，NOX平均濃度為124.1mg/Nm3（標(biāo)態(tài)、干基、6%O2），脫硝效率為31.4%，NH3逃逸率2.10mg/m3。在100MW時(shí)，鍋爐低氮燃燒投運(yùn)，噴氨系統(tǒng)停運(yùn)時(shí)，實(shí)測空預(yù)器入口處平均煙氣溫度為410.5℃，NOX平均濃度為195.0mg/Nm3（標(biāo)態(tài)、干基、6%O2 ）；噴氨系統(tǒng)投運(yùn)后，實(shí)測空預(yù)器入口處平均煙氣溫度為418.8℃，NOX平均濃度為123.3mg/Nm3（標(biāo)態(tài)、干基、6%O2），脫硝效率為36.8%，NH3逃逸率0.76mg/m3在。80MW時(shí)，鍋爐低氮燃燒投運(yùn)，噴氨系統(tǒng)停運(yùn)時(shí)，實(shí)測空預(yù)器入口處平均煙氣溫度為363.2℃，NOX平均濃度為189.5mg/Nm3（標(biāo)態(tài)、干基、6%O2 ）；噴氨系統(tǒng)投運(yùn)后，實(shí)測空預(yù)器入口處平均煙氣溫度為418.8℃，NOX平均濃度為104.6mg/Nm3（標(biāo)態(tài)、干基、6%O2），脫硝效率為44.8%，SNCR退出運(yùn)行。

6 結(jié)語

通過對神木公司兩臺鍋爐低NOx燃燒加SNCR脫硝技術(shù)改造，從三個(gè)工況測試結(jié)果看，鍋爐效率較前有所提高，正常運(yùn)行下空預(yù)器入口的濃度基本被控制在200mg/Nm3以內(nèi)，各工況下出口NOX排放濃度均滿足國標(biāo)和設(shè)計(jì)指標(biāo)要求（設(shè)計(jì)不大于190mg/Nm3），脫硝效率基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求，NH3逃逸率2mg/m3左右，脫硝改造總體達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

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