75t/h煤粉鍋爐煙氣脫硝技術改造

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，采用低氮燃燒技術和爐內選擇性非催化還原（SNCR）脫硝技術相結合，對鍋爐排放的煙氣進行脫硝治理。脫硝效率為60%，達到預期效果。

煙氣脫硝；低氮燃燒；SNCR

一、鍋爐情況

熱電廠2臺B&WB75-5.3-M鍋爐型自然循環鍋爐，額定蒸發量為75t/h，爐膛的深度×寬度為5 810mm×5 810mm。制粉系統為中速磨直吹式，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。鍋爐設計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，鍋爐的NOX排放濃度700～1 000mg/m3。

二、改造方案

經對鍋爐的設計資料及圖紙研究分析，并經改造前的鍋爐性能實驗得出如下幾個原因造成NOX排放濃度不達標。

1.一次風率過高

一次風率偏高時，在燃燒的過程中，煤粉著火和揮發份燃燒階段氧濃度較高，揮發份NOX大量生成，對于燃用煙煤燃燒器，若不加控制，揮發份NOX會大量生成，成為NOX的主要來源。一次風率過高同時會推遲煤粉著火，導致鍋爐穩燃性差，飛灰含碳量升高。改造前，鍋爐燃燒器一次風率設計值為38%，遠大于低氮燃燒器設計一次風率值，煤粉中揮發份N將大部分轉化為NOX，對NOX和著火穩燃極為不利。

2.均等配風

改造前，鍋爐燃燒器采用傳統均等配風方式，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，燃燒強度大，燃燒溫度高，但由此產生的NOX排放量也高。

3.未采取煙氣脫硝技術

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

三、低氮燃燒技術改造

鍋爐低NOX燃燒改造方案采用上下濃淡燃燒技術，將一次風分為濃淡2股，低NOX燃燒器的特點是在燃燒器出口實現分級送風與燃料合理配比，達到抑制NOX生成的目的。它的設計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的轉化和熱力NOX的生成，同時兼具低負荷穩燃的作用。解決改前燃燒器一次風率設計值偏高的問題，抑制揮發份NOX生成；同時采用空氣分級燃燒技術，設2層SOFA風，抑制燃燒后期NOX生成。通過低氮燃燒技術改造，達到NOX排放水平不高于400mg/m3的目標。

1.上下濃淡燃燒

燃燒器一次風噴口前安裝可調式煤粉濃淡分離器，將一次風分成上下濃淡2股氣流，在不顯著增大一次風道阻力的前提下，濃淡比可達7:1。其基本設計思想是利用扇形擋塊對煤粉顆粒的慣性導向作用，實現

煤粉氣流的濃縮和分流，達到煤粉濃淡分離目的。

如圖1所示，分離裝置由原一次風管道、擋塊、彎曲板及隔板組成。擋塊安裝在一次風管道壁面上，當煤粉氣流流經時，由于擋塊的導向作用，一部分煤粉氣流改變流動方向，在這部分氣流中，由于煤粒顆粒的運動慣性遠大于空氣的慣性，經與擋塊碰撞后大部分反彈至濃側氣流通道，同時，由于導流作用在擋塊后形成一個低壓區，小部分煤粉顆粒隨空氣在壓差作用下繞流擋塊進入淡側氣流通道。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

濃度的連續可調是通過改變擋塊高度來實現的。當擋塊轉動使高度發生變化時，濃淡分離效果是不同的，這樣達到煤粉濃度連續可調目的。

一次風濃、淡側噴口均設波形鈍體，在鈍體后形成一回流區回流高溫煙氣，強化著火，使得煤粉更多燃燒過程在與周圍二次風混合前燃燒，抑制燃燒初期揮發份NOX生成。同時強化著火可以提高燃燒效率。

原一次風冷卻風仍保留，以便在燃燒器停用時起到保護噴口作用。

2.空氣分級燃燒

SOFA空氣分級燃燒技術，將爐膛燃燒區域分成兩部分，減少下部一次燃燒區域配風，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(SOFA)，保證煤粉燃盡。

SOFA空氣分級燃燒技術是目前主流的煤粉低NOX燃燒技術，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元素轉化為N2，SOFA的補入提供焦炭燃盡所需氧量，保證鍋爐燃燒效率。

SOFA噴口設擺動機構，可以上下擺動以適應燃料煤種變化。正常運行時，投運一層SOFA風，另一層保留一定的冷卻風量即可保證爐膛送風，當燃用難燃盡煤時，投運下層SOFA風，及早補入燃燒用風，保證燃盡；當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有制粉系統和送粉系統，燃燒器設計方案維持一次風量、風速、風溫不變，二次風速和風溫也維持不變，SOFA引自熱風管，其風速和風溫與二次風相同。改造方案燃燒器配風參數見表1。

表1 改造配風方案

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

(1)一次風。一次風噴口布置標高略有變動，下一次風風管往上移132mm，上一次風風管往下移100mm。

一次風噴口設水平波形鈍體，鈍體迎風面設耐磨陶瓷片。運行時在鈍體后形成回流區，強化燃燒，保證穩定燃燒，降低著火初期NOX排放。

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

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

(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，故不需要進行讓管工作。

4.低氮燃燒技術改造效果

由于改造方案采用了SOFA技術，使得SOFA噴入前的一次燃燒區域供氧不足，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風的大量補入，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生影響。由于采用了空氣分級燃燒技術，在燃燒初期NOX濃度即維持在較低水平，隨著OFA風的補入，NOX濃度有所升高，但此時煤粉中的N元素大部分已轉化為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，迅速生成N2和H2O。最主要的化學反應方程式如下。

當溫度過高，超過反應溫度窗時，氨就會被氧化成NOX。

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

1.影響SNCR的性能參數

(1)溫度窗口。溫度窗口是脫硝反應最佳的爐膛溫度區間。若反應溫度過低，還原劑與NOX沒有足夠活化能使脫硝反應快速進行，導致脫硝效率降低。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整個反應過程必須完成，這樣才能達到理想的脫硝效果。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)適當的NH3/NOX的摩爾比。根據反應方程式，NH3/NOX的理論摩爾比應該為1，但實際上都要比1大才能達到較好的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，被制備成濃度為40%的尿素溶液，尿素溶液經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模塊輸送至計量分配模塊，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個噴射區噴射器。尿素溶液經由噴射器噴入爐內與煙氣混合進行脫除NOX的氧化還原反應。達到SNCR系統入口NOX濃度400mg/m3時，保證NOX排放濃度≤300mg/m3的效果。

根據鍋爐熱態性能測試數據及CFD數值模擬計算結果，定出SNCR噴槍布置，確保脫硝反應發生在最佳的溫度窗口。每臺鍋爐噴槍設置2層：A層在鍋爐側墻各設置2根噴槍；B層在鍋爐前墻設置4根噴槍，兩側墻各設置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。根據鍋爐運行時負荷的情況、溫度場變化以及NOX含量等決定投運噴射區噴射量。

當鍋爐負荷和爐膛出口的NOX濃度變化時，送入爐膛的尿素量也應隨之變化，這將導致送入噴槍的流量發生變化。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。因此設計了稀釋系統，用來保證在運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，通過監測在線稀釋水流量來調節最終的尿素濃度。

配制稀釋好的尿素溶液將送到2個噴射區的噴射器。各噴射區設有流量調節閥門和流量計量設備，用以計量和控制本區噴入爐膛的尿素流量。噴射所需的霧化介質采用壓縮空氣，其作用主要是提高還原劑噴射速度、增加噴射動量，以加強尿素溶液顆粒與爐內煙氣混合，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.運行試驗最佳參數

通過對鍋爐的試驗及對數據比較，按以下參數運行時可取得較佳的運行效果：50t/h負荷，設定流量為0.56m3/h，濃度為8%～10%。50～70t/h負荷，設定流量0.56m3/h，濃度為8%～10% ，70t/h以上負荷設定流量0.56m3/h，設定濃度為5%。

圖2 SNCR工藝示意圖

五、系統技術改造后實際運行效果

通過比較改造前后2臺鍋爐運行實際情況，從表2可見，2臺鍋爐脫硝效率均能達到大于60%的目標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。按每年運行330d計算，分別可減排氮氧化物444.71t和541.73t，年總削減量為986.44t，達到環保部門要求公司年總減排776.17t的目標。

表2 脫硝改造后氮氧化物數據對比

[1] 孫克勤，鐘泰.火電廠煙氣脫硝技術及工程應用[M].化學工業出版社.2006.

[2] 鐘泰.燃煤煙氣脫硫脫硝技術及工程實例[M]. 化學工業出版社.2004.

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