循環流化床鍋爐脫硝技術改造與運行分析

文 // 陳桂昌 河南神馬尼龍化工有限責任公司

1 前言

某大型化工公司熱電廠配置2臺75t/h 、1臺130t/h、1臺240t/h循環流化床鍋爐，1臺12MW汽輪發電機組，為全公司數套化工生產裝置供3種不同規格的蒸汽和部分電力。其中2臺75t/h、1臺240t/h鍋爐原始排放NOx濃度在200～350mg/Nm3（干態，6%氧氣），1臺130t/h鍋爐在現有的原始排放NOx濃度500～600mg/Nm3（干態，6%氧氣）。按照《火電廠大氣污染物排放標準》（GB13223-2011）規定：自2014年7月1日起，現有火力發電鍋爐及燃氣輪機組，現有循環流化床火力發電鍋爐NOx排放值應控制在200mg/Nm3以內。因此進行鍋爐脫硝技術應用研究，選擇合適的脫硝技術實施改造已迫在眉睫。

2 鍋爐煙氣脫硝及氨水制備技術路線的選擇

2.1 鍋爐煙氣脫硝技術路線的選擇

在鍋爐脫硝技術的選擇上，通過對主要煙氣脫硝工藝技術進行分析、比較、研究，根據不同的脫硝工藝技術特點，結合循環流化床鍋爐NOx排放的具體情況，確定采用適合循環流化床鍋爐的SNCR脫硝技術。

SNCR脫硝工藝技術原理是在爐膛或煙道合適溫度(850～1000℃)的位置噴入氨基還原劑（或尿素），無需催化劑，利用還原劑釋放出的NH3將煙氣中的NOx還原為無害的N2和H2O。因循環流化床鍋爐爐膛溫度較低，在850～900℃之間，燃燒生成的氮氧化物主要是燃料氮氧化物，一般在300mg/Nm3左右。循環流化床鍋爐采用SNCR脫硝技術即可獲得70%以上的脫硝效率，滿足NOx實際排放濃度低于100mg/Nm3的排放要求，且SNCR技術對爐內工況基本無影響，并具有投資小，運行成本低特點，非常適用于循環流化床鍋爐。

2.2 氨水制備技術路線的選擇

SNCR脫硝技術所用的還原劑一般為液氨、氨水和尿素等，在脫硝還原劑的選擇上，綜合考慮還原劑的儲存條件、儲存方式、制備過程中操作與控制、成本等因素，結合公司現有液氨儲存系統和管理經驗，及液氨稀釋技術的發展情況，確定脫硝劑使用20%濃度左右的氨水，并采用以超級吸氨器為主體組成的液氨稀釋系統來制備。

2.2.1 傳統液氨制備氨水工藝技術

由于液氨與水生成氨水是一個放熱過程，放出的熱量會使液氨氣化，要產生液擊現象，因此傳統的液氨制氨水工藝是先將液氨氣化，然后用強化器循環吸收制為氨水。

國內大部分工業氨水生產裝置都是采用排管式換熱器，這種裝置不能一次性制備出合格氨水，需要2臺30kW左右的氨水泵，兩個大的氨水制備貯槽及大量的冷卻水，不斷進行循環吸收，歷時2h才能制備出合格氨水。其特點為：生產出合格產品需要時間長、電耗高、產量低、設備占地面積大，生產環境差。也有企業將排管式換熱器改為液氨蒸發器石墨降膜吸收塔，較之排管式換熱器有一定的改良，環境要好一點，但能耗大、冷卻水用量大、設備多，生產強度受水溫影響較大。

一部分生產量較少的裝置，采用多個可承壓貯槽串聯吸收液氨，各貯槽需要采用階梯型布置或槽之間串氨水泵，通入液氨，再進行靜置降溫后使用。還有一部分氨水用量很少的氨水用戶，采用的是非常原始的方法，就是用水淋方式將液氨汽化，再直接通入軟水中或去離子水中吸收，該方法氨的損失較大。

圖1 超級吸氨器工作原理示意圖

以上傳統液氨制備氨水的工藝，或因為受溫度的限制，生產設備多、生產周期長且要占用相當大的場地，設備故障率相對較很高，或系統相對較為簡單，但氨損失均相當嚴重，生產現場氣味很大，操作工人的身體易受到傷害。

2.2.2 以超級吸氨器為主體組成的液氨稀釋系統技術

以超級吸氨器為主體組成的液氨稀釋系統，其生產原理為：軟化水、液氨按比例進入超級吸氨器，直接不循環吸收得到所需濃度的工業氨水。該系統不再需要循環制備增濃,單程即可制備濃度高達30%的氨水，可與SNCR脫硝主體工程的氨水輸送系統統一整體布置。

2.2.3. 超級吸氨器的工作原理

液氨稀釋系統的核心設備超級吸氨器，是一種超速反應吸氨器，可以將液氨與工藝水按比例快速混合不循環吸收為用戶提供所需濃度的氨水，其工作原理見圖1。

超級吸氨器內部結構為板式換熱器，材質是不銹鋼的，本體為密閉結構，其內部設有隔板，將吸氨器本體隔為三個空間，并在隔板底部相連通，每個空間相當于一個換熱器，每個換熱器均由數片波板組合而成，每個換熱器均有相互交錯隔離的兩個流道，分別輸送兩種不同的換熱介質。第3換熱器上端的吸氨器本體上設有脫鹽水進口，在脫鹽水入口一端設有氨氣進口、循環冷卻水出口，連接氨氣進口設有帶孔的噴氨管和氨水分布器，便于氨水均勻分布進入換熱器內。成品氨水出口設置在第2換熱器上，第1換熱器設有液氨進口和循環冷去水進口。

液氨從設備液氨進口進入后，被均勻的分配到波紋板換熱器中，在換熱器中液氨與循環水換熱氣化，氣化后的氨通過入噴氨管與脫鹽水混合，并通過氨水分布器均勻地進換熱器內。超級吸氨器采用分布器多點注氨，形成多界面的高效混合過程，大大加快了液氨溶解的速度，提高氨水制備效率。為了達到更好注入效果，需要在氨水分布器的分配支管上適當開孔，這樣能有效保證混合效果。通過在設備進水口設置脫鹽水調節閥門來控制脫鹽水的流量，利用脫鹽水水流量調節配置不同濃度的氨水。液氨溶解于水的過程中將產生大量的熱量，用循環冷卻水將液氨溶解過程中產生的熱量移走，得到濃度30%以下的任何濃度合格的氨水。

超級吸氨器是一種既環保又節能的生產設備，其特點為：①混合的過程與移熱的過程同時進行，設備緊湊，體系溫度穩定，氨水濃度控制靈活，不會出現超溫超壓現象，設備運行安全。②超級吸氨器內部結構為板式換熱器，運行安全可靠。③占地面積少，主體為1個長、寬不到1m，高2m左右的箱體。

3 液氨稀釋系統技術方案

3.1 液氨稀釋系統規模及性能指標的確定

4臺鍋爐采用SNCR脫硝技術實現達標排放，則所需20%的氨水用量為800kg/h，考慮設計余量和運行方式的靈活選擇，確定了液氨稀釋系統的處理能力為對350kg/h的液氨進行稀釋，氨水生產能力為1.75t/h，液氨稀釋后的氨水濃度為20%，濃度波動范圍為18%～22%。

3.2 液氨稀釋系統工藝流程優化設計

自化學水裝置外供脫鹽水母管引出以DN32的管線作為液氨稀釋用水，經調節閥、流量計控制流量送入超級吸氨器，液氨取自熱電裝置現有鍋爐給水加藥系統液氨管線，通過調節液氨調節閥減壓后的壓力間接控制液氨流量進入超級吸氨器，與脫鹽水在超級吸氨器內混配為所需濃度的工業氨水。配置好的氨水進入鍋爐煙氣脫硝主體工程的氨水儲槽，通過氨水輸送系統供鍋爐脫硝使用。

圖2 液氨稀釋系統工藝流程示意圖

生產過程中產生的由液氨帶來的少量不凝性氣體夾帶氨氣從氨水貯槽中排出，進入尾氣凈化器由少量脫鹽水凈化回收其中的氨氣后排入大氣排放。凈化用脫鹽水來自鍋爐脫硝主體工程稀釋水泵出口管的分流支管。

液氨稀釋過程中放出大量的熱，需要冷卻循環系統降溫。循環冷卻水用水接自鍋爐風機冷卻水母管，氨溶于水中放出的大量熱量被循環冷卻水帶出送涼水塔冷卻后循環使用。冷卻循環水的流量要求進水溫度30℃左右，出水溫度不超過45℃。

為保證超級吸氨器的安全運行和生產能力及運行方式的靈活選擇，增設了氨水再循環系統，確保裝置在低負荷連續運行時超級吸氨器內布水均勻。以超級吸氨器為主體組成的液氨稀釋系統工藝流程見圖2。

以超級吸氨器為主體組成的液氨稀釋系統對傳統的氨水生產工藝具有以下優點：

(1)系統無氨泄漏

由于液氨稀釋系統是一個完全封閉的系統，唯一出口是氨水儲槽的排氣孔（見圖2）。但吸氨器系統中的尾氣吸收器會對這里排出的含氨氣體進行再次回收，保證排出的尾氣滿足國家廢氣排放標準。這對操作工人的身心健康及環境保護起到了很好的作用，而且由于沒有氨尾氣排放，也就沒有氨的損失，整個系統既環保又節能。

（2）可快速、安全生產氨水

由于超級吸氨器具有快速不循環制氨水的特性，并且超級吸氨器的氨水出口直通到氨水儲罐，而氨水儲罐通過尾氣吸收器與大氣相連，除液氨進口需要0.15MPa以下的工藝壓力外，整個系統完全屬于低壓運行，因此液氨稀釋系統不僅可快速生產氨水，且安全可靠。

3.3 液氨稀釋系統運行調節控制方案

液氨稀釋系統運行調節控制采用DCS系統在控制室操作，即可手動操作，穩定后又可投入自動控制，并設有連鎖及控制功能。

系統設置主要監控測點有：脫鹽水供水壓力和流量、液氨總管壓力及流量、減壓后液氨壓力、氨水溫度與密度及氨水濃度、氨水再循環流量。

系統連鎖及控制功能如下：①當冷卻水出口溫度＞50℃時，系統報警；當冷卻水出口溫度＞55℃時，系統緊急停車。②當冷卻水溫差大于15℃時報警；溫差小于5℃時報警。③當氨水溫度＞30℃，系統報警；氨水溫度＞30℃＞35℃時，系統緊急停車。④液氨減壓后壓力大于0.3MPa時，系統緊急停車。⑤當脫鹽水流量小于0.5m3時，系統緊急停車。⑥當氨水儲罐液位高于2m時，系統報警；高于2m時，系統緊急停車。⑦氨水濃度偏離規定值±1%時報警。

4 實施中的改進措施及運行效果分析

以超級吸氨器為主體組成的液氨稀釋系統改造周期為兩周，主要包括土建、設備安裝、調試、投料試運行。在試運行過程中結合現場條件，進行了如下改進及運行分析：

（1）在循環水進水管道上加設管道泵，以確保循環冷卻水的流量，控制循環水出水溫度在45℃以下，氨水溫度在25℃以下，以防超級吸氨器內因超溫結垢。

（2）氨水濃度顯示由密度儀取值及氨水溫度取值，通過氨水密度表對應顯示。在調試過程中發現在線氨水濃度與人工分析成品氨水濃度相差較大，在線氨水濃度為10%～12%，而人工分析氨水則為18%～20%，經過多次分析對比，并進行密度儀、氨水溫度表的校對，以及對氨水密度表調整校核，實現了在線氨水濃度與人工分析氨水濃度差別穩定在

（3）氨水出口閥須保持常開，氨水出口到氨水儲罐及尾吸器、排氣口要保持暢通，防止系統憋壓，損壞設備。

（4）發生任何異常現象，首先關閉液氨氣動球閥、液氨調節閥，10s后關閉脫鹽水。

（5）運行過程中密切觀察脫鹽水、循環水運行情況，包括流量、壓力、溫度，發現異常要立即關閉液氨閥門，待問題處理后再開機。

2015年年初經過半個多月的調試及運行，以超級吸氨器為主體組成的液氨稀釋系統和SNCR鍋爐煙氣脫硝系統成功投用，所配置的氨水穩定在18%～22%，煙氣NOx排放濃度小于100mg/Nm3，最低可達到26 mg/Nm3，滿足《火電廠大氣污染物排放標準》（GB12145-89）最新環保要求，實現了達標排放。

3號鍋爐由于原始NOx排放濃度略高導致脫硝成本顯著偏高，為了進一步降低脫硝成本，目前正在進行3號鍋爐降硝改造，即對現有鍋爐配風系統和燃燒系統進行優化改造，采用爐內空氣分級燃燒、低溫燃燒等方法實現低NOx燃燒，使鍋爐出口NOx濃度盡可能控制在300mg/Nm3以下，在保證鍋爐煙氣脫硝達標排放和實現長周期穩定運行的前提下，盡可能降低脫硝成本。

5 結束語

超級吸氨器在鍋爐脫硝改造中的成功應用，解決了傳統氨水制備系統不能快速制備不同濃度氨水、設備多、系統復雜、運行操作繁瑣、占地面積大等的問題。另外，超級吸氨器是一個能效高、反應高效與換熱高效的設備，出口氨水溫度在不超負荷工作時可比冷卻水溫度低10～15℃，因此夏天氨水溫度可低于冷卻水溫度10℃以上，也就沒有在濃度高時的不斷蒸發損耗或無法制備高濃度氨水的問題了。并且配套的尾氣吸收器，由于液氣比大，可將裝置唯一排放口氣體中的氨完全吸收干凈，經尾器吸收后的水再作為鍋爐脫硝主體工程的稀釋水或超級吸氨器的吸收劑，從而無外排之慮，也就不存在傳統工藝的貯槽吞吐氨損失了。目前超級吸氨器單機每小時可吸收轉化0.38～10t/h（液氨量），因此在化工、鍋爐脫硫、脫硝改造等領域內有很好的應用前景。