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        循環(huán)流化床鍋爐SNCR脫硝技術(shù)優(yōu)化改造

        2018-12-27 06:12:30
        潔凈煤技術(shù) 2018年6期
        關(guān)鍵詞:還原劑煙道流化床

        ,

        (1.中國(guó)華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司,北京 102209;2.煤基清潔能源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102209)

        0 引 言

        近年來(lái),我國(guó)NOx排放總量不斷上升,城市環(huán)境惡化,霧霾嚴(yán)重,并有不斷加重的趨勢(shì)。最新研究表明,大氣細(xì)顆粒物NOx、液相氧化SO2是我國(guó)當(dāng)前霧霾期間硫酸鹽的重要形成原因。我國(guó)引進(jìn)循環(huán)流化床鍋爐發(fā)電技術(shù)已有20年歷史,現(xiàn)有不同容量的循環(huán)流化床鍋爐近3 000臺(tái),約63 000 MW容量投入商業(yè)運(yùn)行,大于電力行業(yè)中鍋爐總臺(tái)數(shù)1/3[1]。隨著國(guó)家環(huán)保部門(mén)要求的日益提高,新環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施后[2],規(guī)定燃煤電廠NOx排放濃度不高于100 mg/m3(以NO2計(jì),按O2濃度6%折算)。

        西北某電廠循環(huán)流化床鍋爐NOx排放濃度一直高于350 mg/m3,為滿足當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門(mén)提出的治理要求,電廠根據(jù)自身情況對(duì)2臺(tái)300 MW循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行了以尿素為還原劑的SNCR脫硝改造。循環(huán)流化床鍋爐系東方鍋爐股份有限公司設(shè)計(jì)制造的單汽包、自然循環(huán)的循環(huán)流化床鍋爐,改造后排放標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到環(huán)保部要求,但出現(xiàn)了調(diào)節(jié)系統(tǒng)不穩(wěn)定、運(yùn)行方式不合理導(dǎo)致原始排放量高、爐內(nèi)脫硫系統(tǒng)對(duì)原始排放影響較大,間接影響SNCR調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性等問(wèn)題。

        國(guó)內(nèi)外循環(huán)流化床鍋爐脫硝技術(shù)以SNCR脫硝使用最為廣泛,楊梅[3]、高明明等[4]對(duì)循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行SNCR脫硝研究,說(shuō)明SNCR脫硝具有較好的市場(chǎng)前景。孫獻(xiàn)斌等[5]對(duì)SNCR脫硝工藝系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備噴槍進(jìn)行研究,自主研發(fā)了一種空氣冷卻式空氣霧化噴槍?zhuān)鉀Q了之前噴槍霧化效果差、尿素及氨水耗量大等問(wèn)題,在300 MW機(jī)組上取得了良好效果。本文以尿素、氨水為還原劑,結(jié)合我國(guó)西北某電廠循環(huán)流化床鍋爐脫硝情況,介紹SNCR脫硝原理、主要工藝流程和設(shè)備組成等,分析了300 MW循環(huán)流化床鍋爐使用SNCR脫硝的優(yōu)勢(shì),并結(jié)合300 MW循環(huán)流化床鍋爐自身特點(diǎn),對(duì)原有SNCR設(shè)備進(jìn)行改造,以期實(shí)現(xiàn)設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行,提高脫硝效率。

        1 NOx生成機(jī)理及控制手段

        1.1 NOx生成機(jī)理

        燃煤鍋爐生成的NOx主要由NO、NO2、N2O等組成。研究發(fā)現(xiàn),電廠燃煤生成NOx的過(guò)程如圖1所示。電廠燃煤生成NOx主要包括3種產(chǎn)生途徑:燃料型NOx、熱力型NOx、快速型NOx[6]。對(duì)于循環(huán)流化床鍋爐而言,燃用煙煤、褐煤、頁(yè)巖等劣質(zhì)燃料時(shí),主要生成燃料性NOx。

        圖1 煤燃燒生成NOx過(guò)程Fig.1 NOx formation process during coal combustion

        1.2 NOx控制手段

        目前國(guó)內(nèi)對(duì)NOx控制方法有燃燒中控制和煙氣脫硝,燃燒中控制主要有低氮燃燒器、低氮改造、燃燒調(diào)整等,煙氣脫硝主要有選擇性非催化還原SCR法、SNCR法[7]。

        SCR脫硝原理是:在催化劑作用下,通過(guò)還原劑(NH3、尿素)與煙氣中NOx選擇性反應(yīng)生成N2和水。SNCR法不同于SCR法,在不使用催化劑的條件下,還原劑(NH3、尿素)在高溫下(850~1 150 ℃)[8]直接與煙氣中NOx發(fā)生氧化還原反應(yīng)。

        1.3 SNCR脫硝技術(shù)原理

        SNCR脫硝技術(shù)原理是將NH3、尿素等還原劑噴入鍋爐水平煙道,在合適的溫度、氣氛或催化劑條件下將NOx還原,循環(huán)流化床鍋爐采用SNCR脫硝技術(shù)控制NOx排放的主要機(jī)理如圖2所示[9]。

        圖2 SNCR脫硝技術(shù)控制NOx排放機(jī)理Fig.2 Main mechanism of SNCR denitration technology to control NOx emission

        1.4 SNCR法與SCR法技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比

        與SCR技術(shù)相比,SNCR煙氣脫硝技術(shù)投資運(yùn)行成本低,占地面積少(布置在鍋爐水平煙道處),建設(shè)工期短,脫硝效率可達(dá)到環(huán)保要求,適宜大型循環(huán)流化床鍋爐。根據(jù)調(diào)研和計(jì)算論證,SNCR脫硝技術(shù)對(duì)鍋爐效率、排煙溫度、鍋爐受熱面以及鍋爐下游設(shè)備造成腐蝕的影響均較小,不影響機(jī)組安全運(yùn)行,不需進(jìn)行針對(duì)性設(shè)備改造;脫硝裝置投運(yùn)后,NOx排放量明顯控制。在合適的噴氨量及溫度窗下,SNCR脫硝技術(shù)的脫硝效率可以達(dá)到81%[10]。此外,SNCR系統(tǒng)還具備投資成本低(設(shè)備簡(jiǎn)單、系統(tǒng)造價(jià)降低),運(yùn)行成本較低(不增加引風(fēng)機(jī)電耗、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單),不增加煙氣系統(tǒng)阻力,不使用催化劑,不產(chǎn)生新的SO3,氨逃逸控制在10×10-6以內(nèi),不會(huì)造成尾部煙道的積灰和腐蝕,安裝及操作較易等優(yōu)點(diǎn)。

        綜上所述,SNCR技術(shù)是成熟的脫硝技術(shù),其低投資和低運(yùn)行成本,特別適用于CFB機(jī)組、老機(jī)組脫硝改造,也適合垃圾焚燒爐、中小型燃煤鍋爐的煙氣脫硝,在國(guó)內(nèi)外有較為廣泛的應(yīng)用。

        1.5 SNCR脫硝技術(shù)主要化學(xué)反應(yīng)

        SNCR技術(shù)是用NH3、尿素等還原劑,以循環(huán)流化床鍋爐旋風(fēng)分離器入口水平煙道為反應(yīng)器,通過(guò)適當(dāng)?shù)臏囟?850~1 150 ℃),在不使用催化劑的情況下,將NOx分解成氧氣和水。

        NH3或尿素還原NOx的主要反應(yīng)為

        NH3為還原劑時(shí):

        (1)

        尿素為還原劑時(shí):

        (2)

        2 SNCR脫硝技術(shù)

        2.1 工藝流程

        SNCR煙氣脫硝系統(tǒng)典型工藝流程如圖3所示。

        圖3 SNCR煙氣脫硝系統(tǒng)典型工藝流程Fig.3 Typical process flow of SNCR flue gas denitration system

        尿素經(jīng)汽車(chē)運(yùn)輸?shù)綇S區(qū),制成濃度50%的尿素溶液輸送至儲(chǔ)存罐內(nèi)。儲(chǔ)罐內(nèi)尿素溶液通過(guò)高壓泵與凝結(jié)泵出口引來(lái)的凝結(jié)水稀釋后輸送至水平煙道平臺(tái)。尿素溶液濃度根據(jù)噴入點(diǎn)的流速、煙溫、NOx濃度等試驗(yàn)參數(shù)確定,稀釋水為凝結(jié)水,經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)控制稀釋水量大小,在保證脫硝效率的情況下,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制稀釋水用量,既能保證霧化效果,又能合理減少稀釋水,避免浪費(fèi)。

        在水平煙道平臺(tái)設(shè)置有分配裝置,經(jīng)分配裝置,尿素被輸送到每個(gè)噴槍?zhuān)陟F化風(fēng)壓力下,將尿素溶液噴射進(jìn)旋風(fēng)分離器入口水平煙道,對(duì)煙氣中NOx進(jìn)行還原,這種利用水平煙道作為反應(yīng)容器的脫硝形式,大大減少了鍋爐脫硝改造的施工量,使300 MW循環(huán)流化床鍋爐脫硝改造成本降低了2/3,成為目前循環(huán)流化床鍋爐脫硝改造的主流施工方案。

        2.2 設(shè)備組成

        脫硝設(shè)備主要由制備系統(tǒng)、儲(chǔ)存系統(tǒng)、分配系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)4大部分構(gòu)成[11]。制備系統(tǒng)主要有溶解罐、攪拌器、加熱器、轉(zhuǎn)移泵。儲(chǔ)存系統(tǒng)主要有儲(chǔ)存罐、攪拌器、加熱器、輸送泵、稀釋水泵、稀釋水罐。分配系統(tǒng)主要有靜態(tài)混合器、調(diào)節(jié)閥、電磁流量計(jì)。噴射系統(tǒng)主要有噴槍、霧化風(fēng)管道、冷卻法管道、轉(zhuǎn)子流量計(jì)。

        3 脫硝改造問(wèn)題及解決方法

        3.1 NOx濃度波動(dòng)大

        脫硝系統(tǒng)投入后存在NOx測(cè)量值波動(dòng)較大的問(wèn)題,運(yùn)行過(guò)程中,鍋爐燃料量的波動(dòng)導(dǎo)致NOx測(cè)量值在24~240 mg/Nm3。自動(dòng)控制邏輯中,還原劑噴入量控制NOx測(cè)量值[12]。由于測(cè)點(diǎn)位置靠后,導(dǎo)致還原劑噴入量對(duì)NOx測(cè)量值存在3 min左右的滯后,且整個(gè)系統(tǒng)受燃料量波動(dòng)影響較大。

        改造措施:將NOx測(cè)量?jī)x表由原來(lái)的引風(fēng)機(jī)出口改造到空預(yù)器入口,測(cè)點(diǎn)位置前移,NOx測(cè)量值滯后時(shí)間大大縮短。同時(shí)對(duì)控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化,將燃料量作為主控輸出前饋。優(yōu)化后,燃料量波動(dòng)時(shí),還原劑調(diào)節(jié)閥動(dòng)作明顯較之前更為準(zhǔn)確,NOx排放數(shù)值更加穩(wěn)定(尿素耗量750 kg/h、氨氮摩爾比1.8)。改造前后NOx測(cè)量值變化如圖4所示。

        圖4 改造前后NOx測(cè)量值Fig.4 NOx measured value before and after modification

        3.2 燃用高硫煤時(shí)無(wú)法保證NOx排放量達(dá)標(biāo)

        該電廠燃用高硫煤時(shí),脫硝系統(tǒng)投運(yùn)后NOx瞬間會(huì)升到230 mg/m3。原因?yàn)殡姀S燃用高硫煤時(shí),為保證煙氣SO2不超標(biāo),向爐內(nèi)投入大量石灰石,爐內(nèi)投石灰石對(duì)NOx生成有促進(jìn)作用,石灰石以催化劑的形式促使?fàn)t內(nèi)燃料中的N快速轉(zhuǎn)變成NOx[13],導(dǎo)致NOx濃度迅速上升,減少石灰石投運(yùn)。

        改造措施:將原來(lái)水平煙道的噴射方式由水平對(duì)射改造為錯(cuò)列對(duì)射,并錯(cuò)開(kāi)0.3 m距離,讓更多煙氣接觸到還原劑,提高反應(yīng)效率。通過(guò)改造脫硝效果提升,氨逃逸數(shù)值由7×10-6降為3×10-6。

        3.3 運(yùn)行方式不合理導(dǎo)致原始排放量高

        脫硝效率不僅要去除已經(jīng)生成的NOx,還要通過(guò)運(yùn)行手段降低NOx生成量,通過(guò)實(shí)際運(yùn)行發(fā)現(xiàn),采用分級(jí)供風(fēng)能夠有效地在源頭減少NOx的生成量[14]。

        改造措施:通過(guò)改變運(yùn)行方式,減少一次風(fēng)量(一、二次風(fēng)配比4∶6),使燃燒處在貧氧狀態(tài),密相區(qū)內(nèi)由于氧含量不足,燃燒速度和溫度水平下降;燃料中氮分解生成大量中間活產(chǎn)物CN、HCN,不僅將部分NO還原,又抑制了燃料型NOx的生成。加大二次風(fēng)的供應(yīng)量,由于該區(qū)域燃燒溫度較低,不會(huì)生成過(guò)多的NOx。通過(guò)調(diào)整燃燒方式,可以減少10%的原始排放量,脫硝效率高達(dá)85%以上。

        4 改造效果及經(jīng)驗(yàn)

        4.1 效果分析

        該電廠2臺(tái)機(jī)組鍋爐SNCR脫硝改造后,經(jīng)過(guò)環(huán)保局的驗(yàn)收,NOx最終排放濃度低于100 mg/Nm3,滿足GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》要求。通過(guò)鍋爐燃燒優(yōu)化,鍋爐原始NOx排放濃度約為250 mg/Nm3,SNCR脫硝裝置投運(yùn)后,可控制NOx排放濃度低于50 mg/Nm3時(shí),脫硝效率高于85%。2臺(tái)300 MW循環(huán)流化床鍋爐可減排NOx總量>1 780 t/a,空氣質(zhì)量大幅度提升。

        脫硝改造工程實(shí)施后,電廠NOx排污費(fèi)減少約112萬(wàn)元。2013年9月,國(guó)家發(fā)改委將燃煤發(fā)電企業(yè)脫硝電價(jià)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)由0.008元/kWh提高至0.01元/kWh,每年僅脫硝電價(jià)補(bǔ)貼就高達(dá)4 000萬(wàn)元。此外,火電廠排放的NOx除形成酸雨外,還會(huì)與碳?xì)浠衔锓磻?yīng)生成致癌物質(zhì),危害人體健康。因此,通過(guò)脫硝工程可大幅減少NOx排放,有助于改善當(dāng)?shù)卮髿猸h(huán)境。

        4.2 運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)

        1)爐內(nèi)脫硫盡量不投入或少投入

        循環(huán)流化床鍋爐為了降低SOx排放,通常采用爐內(nèi)加入石灰石,石灰石對(duì)NOx排放有明顯影響,造成NO上升,原因?yàn)?① 石灰石分解生成的富余CaO是燃料和注氨N轉(zhuǎn)化為NO和N2的強(qiáng)氧化劑,也是CO、H2還原NO的強(qiáng)催化劑,CaO對(duì)燃料N轉(zhuǎn)化為NO的催化能力強(qiáng)于其分解能力;② 富余CaO是氧化氣氛下N2O分解的強(qiáng)催化劑。因此石灰石的加入增加了NOx的排放,實(shí)際運(yùn)行中,如果爐外脫硫能夠滿足的情況下,應(yīng)停止?fàn)t內(nèi)脫硫。

        2)根據(jù)煤質(zhì)及時(shí)調(diào)整一、二次風(fēng)配比

        在實(shí)際運(yùn)行中,應(yīng)根據(jù)煤種情況,適當(dāng)降低一次風(fēng),增大二次風(fēng)。由于循環(huán)流化床鍋爐存在核心貧氧區(qū),通過(guò)調(diào)整一、二次風(fēng)配比可大幅減少熱力性NOx的生成量(減少10%原始排放)。

        3)根據(jù)NOx原始排放量及時(shí)調(diào)整尿素噴入量

        實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,NOx原始排放與負(fù)荷有較大關(guān)系,可根據(jù)負(fù)荷情況及時(shí)調(diào)整尿素調(diào)整閥開(kāi)度,提高脫硝運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性[15]。根據(jù)循環(huán)流化床鍋爐特點(diǎn),采用SNCR脫硝技術(shù)對(duì)循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行改造后,環(huán)保要求達(dá)標(biāo),經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益明顯。

        5 結(jié) 語(yǔ)

        循環(huán)流化床鍋爐脫硝是一種系統(tǒng)性脫硝手段。根據(jù)煤質(zhì)變化及時(shí)調(diào)整一、二次風(fēng)風(fēng)量比例實(shí)現(xiàn)合理的運(yùn)行方式;根據(jù)負(fù)荷變化及時(shí)調(diào)整尿素耗量,確保脫硝系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行;燃用高硫煤時(shí),適當(dāng)降低入爐石灰石量,通過(guò)尾部濕法脫硫來(lái)控制SO2排放;根據(jù)邏輯控制的優(yōu)先順序,盡量縮短反饋時(shí)間,防止尿素調(diào)節(jié)閥動(dòng)作存在滯后性。隨著國(guó)家環(huán)保政策的實(shí)施,循環(huán)流化床鍋爐是資源綜合利用爐型的首選,SNCR脫硝技術(shù)將會(huì)得到進(jìn)一步發(fā)展。

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