基于高溫?zé)煔庀翪FB鍋爐的SNCR脫硝工藝優(yōu)化研究

張偉強(qiáng)，劉冠杰，張 慶，郭 濤

(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 100098；2.北京市低質(zhì)燃料高效清潔利用工程技術(shù)研究中心，北京 100098；3.煤基清潔能源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100098)

循環(huán)流化床(CFB)鍋爐具有熱效率較高、燃燒強(qiáng)度大、負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍廣、燃料適應(yīng)性好、調(diào)峰性能好等優(yōu)點(diǎn)，非常適合于我國(guó)褐煤、煤泥、煤矸石的燃燒發(fā)電，近二十多年里在我國(guó)各個(gè)行業(yè)中得到了迅速的發(fā)展和推廣[1]。截至2016年底，我國(guó)已投運(yùn)的CFB鍋爐已超過4 000臺(tái)，累計(jì)總?cè)萘窟_(dá)1 000 GW，占全國(guó)燃煤發(fā)電機(jī)組總?cè)萘康?2.1%[2]。

近些年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民群眾對(duì)于生活環(huán)境質(zhì)量的要求愈來愈高，我國(guó)所面臨的環(huán)境保護(hù)、節(jié)能減排的壓力逐年增大。為積極響應(yīng)習(xí)近平主席提出的“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展號(hào)召，2014年起，煤電行業(yè)率先推進(jìn)了二氧化硫不超過35 mg/m3、氮氧化物不超過50 mg/m3、煙塵不超過5 mg/m3的超低排放改造計(jì)劃[3]。2015年12月2日，國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議決定，在2020年前，對(duì)燃煤機(jī)組全面實(shí)施超低排放和節(jié)能改造，大幅降低發(fā)電煤耗和污染排放。在國(guó)家政策的引導(dǎo)下，其他行業(yè)也積極推進(jìn)超低排放改造計(jì)劃，對(duì)各行業(yè)的各種自備電廠的燃煤、燃?xì)忮仩t實(shí)施超低排放改造。東北某熱電廠于2009年投產(chǎn)的兩臺(tái)410 t/h循環(huán)流化床鍋爐必須進(jìn)行改造升級(jí)以滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)，從2018年起對(duì)兩臺(tái)鍋爐進(jìn)行了SNCR脫硝技術(shù)改造。本文介紹了其中5號(hào)爐的SNCR脫硝改造后的情況、面臨的問題以及后續(xù)優(yōu)化SNCR脫硝工藝后的改造效果。

1 SNCR脫硝技術(shù)改造

1.1 鍋爐使用情況

東北某熱電公司的4、5號(hào)鍋爐為上海鍋爐廠有限公司設(shè)計(jì)制造的高壓?jiǎn)纹匀谎h(huán)的SG-410/9.81-M592型循環(huán)流化床鍋爐，設(shè)計(jì)鍋爐效率91.7%。鍋爐為П型布置，主要由汽包、懸吊式全膜式水冷壁爐膛、絕熱式旋風(fēng)分離器、U型返料回路以及后煙井對(duì)流受熱面組成。在后煙道內(nèi)按煙氣流向依次布置高溫過熱器、中溫過熱器和二級(jí)省煤器，分離后的煙氣由分離器中心筒出來依次通過后煙溫降至135 ℃左右排出鍋爐。4～5號(hào)爐目前的環(huán)保設(shè)施各配有一套石灰石爐內(nèi)脫硫系統(tǒng)、一套SNCR脫硝系統(tǒng)、一套布袋除塵系統(tǒng)、一套爐外氨法脫硫系統(tǒng)。目前，SNCR脫硝系統(tǒng)的噴槍全部布置于旋風(fēng)分離器的入口水平煙道處，于每個(gè)旋風(fēng)分離器入口的兩側(cè)面布置了SNCR噴槍。目前，5號(hào)爐的氮氧化物的原始排放在超過83%BMCR時(shí)在230～260 mg/m3(標(biāo)準(zhǔn))，采用SNCR法利用氨水溶液噴入旋風(fēng)分離器入口煙道處的工藝脫硝后，目前5號(hào)爐的排放濃度在45～70 mg/m3(標(biāo)準(zhǔn))變化，尚無(wú)法穩(wěn)定達(dá)到燃煤機(jī)組的超低排放標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)氮氧化物的指標(biāo)要求。

1.2 SNCR脫硝原理及影響因素

SNCR脫硝技術(shù)即選擇性非催化還原脫硝方法，在不布置催化劑的條件下，在適合脫硝反應(yīng)的窗口溫度區(qū)間內(nèi)(最佳反應(yīng)溫度區(qū)間約為850～920 ℃)噴入氨基還原劑將鍋爐煙氣中的氮氧化物還原為無(wú)害的氮?dú)夂退甗4-5]。SNCR脫硝技術(shù)一般采用爐內(nèi)噴尿素、氨水或氫氨酸等氨基化合物作為還原劑去還原氮氧化物。當(dāng)溫度低于1 050 ℃時(shí)，還原劑在爐內(nèi)與煙氣中的氮氧化物的反應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)地位；而在溫度高于1 050 ℃時(shí)與氧反應(yīng)產(chǎn)生新的氮氧化物的反應(yīng)占據(jù)優(yōu)勢(shì)。由于該技術(shù)不需采用昂貴的催化劑，所以這種方法被稱為選擇性非催化還原法(SNCR)，以其低投資和低運(yùn)行成本等多方面優(yōu)勢(shì)而廣泛應(yīng)用于電力、石化等行業(yè)的超低排放改造工程中，特別是循環(huán)流化床鍋爐由于其自身的特點(diǎn)，旋風(fēng)分離器處的溫度與SNCR脫硝技術(shù)的最佳反應(yīng)溫度區(qū)間比較貼合，因此在CFB鍋爐上SNCR脫硝技術(shù)應(yīng)用十分廣泛。

眾多研究發(fā)現(xiàn)，氨基還原劑首先本身快速熱解產(chǎn)生NH3，通過反應(yīng)NH3+OH→NH2+H2O來生成NH2以繼續(xù)還原NOx，NH2在SNCR脫硝窗口溫度區(qū)間內(nèi)選擇性地與NOx快速反應(yīng)。

在循環(huán)流化床鍋爐中，燃料型NOx占據(jù)了氮氧化物總生成量的95%以上。CFB鍋爐中SNCR法脫硝效果受負(fù)荷、氧量、爐膛溫度、旋風(fēng)分離器溫度等因素的影響很大，因此要針對(duì)同一鍋爐在不同煤種和不同負(fù)荷下采用燃燒優(yōu)化調(diào)整策略來配合實(shí)現(xiàn)超低排放。而其中旋風(fēng)分離器煙氣溫度場(chǎng)狀況對(duì)于CFB鍋爐SNCR脫硝效率有著直接的影響，應(yīng)針對(duì)特定爐型出現(xiàn)的特定旋風(fēng)分離器處鍋爐煙氣溫度狀況應(yīng)做具體分析后，進(jìn)一步優(yōu)化出SNCR脫硝工藝。

1.3 兩臺(tái)鍋爐的脫硝效果對(duì)比及可能出現(xiàn)的問題

東北某熱電公司的4、5號(hào)CFB鍋爐為上海鍋爐廠有限公司設(shè)計(jì)制造的高壓?jiǎn)纹匀谎h(huán)的SG-410/9.81-M592型循環(huán)流化床鍋爐。兩臺(tái)鍋爐都經(jīng)過了類似的SNCR脫硝改造，在相同的旋風(fēng)分離器入口位置增加了相同數(shù)量、相同布置形式的SNCR噴槍后，投運(yùn)了同一氨水管線供給的相同流量的氨水溶液后，在高負(fù)荷狀態(tài)下的脫硝效果有較大的不同。4號(hào)爐在配合合適的燃燒優(yōu)化調(diào)整后可以達(dá)到超低排放；而在對(duì)5號(hào)爐經(jīng)過多種方式的燃燒優(yōu)化調(diào)整嘗試后，始終不能穩(wěn)定保持氮氧化物超低排放，氮氧化物的平均排放濃度比4號(hào)爐的排放濃度高15～25 mg/m3(標(biāo)態(tài)、干基、6%氧)。

對(duì)比4號(hào)爐的旋風(fēng)分離器溫度場(chǎng)，經(jīng)綜合分析后發(fā)現(xiàn)，5號(hào)爐的旋風(fēng)分離器中可能出現(xiàn)后燃現(xiàn)象。對(duì)于五號(hào)爐而言，在長(zhǎng)期處于高負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，穩(wěn)定灰循環(huán)建立后出現(xiàn)旋風(fēng)分離器出口測(cè)點(diǎn)位置煙氣溫度高于旋風(fēng)分離器入口測(cè)點(diǎn)煙氣溫度的狀況。在85%BMCR以上負(fù)荷下，兩側(cè)旋風(fēng)分離器出口位置的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的煙氣溫度均高于相對(duì)應(yīng)的入口位置測(cè)點(diǎn)煙氣溫度的最高值，平均高約15 ℃。煙氣溫度在旋風(fēng)分離器中出現(xiàn)了較為明顯的上升，達(dá)到了比較高的溫度水平，因此推測(cè)在旋風(fēng)分離器的部分區(qū)域出現(xiàn)了后燃現(xiàn)象，從而在后燃過程中產(chǎn)生了新的氮氧化物。由于SNCR噴槍均布置在旋風(fēng)分離器入口水平煙道處，新產(chǎn)生的氮氧化物未能有氨基還原劑來充分混合進(jìn)行還原。雖然后燃產(chǎn)生的氮氧化物的總量不大，但是其濃度較高，因而使得總的煙氣的氮氧化物排放值大為升高，不能滿足超低排放的要求。

1.4 進(jìn)一步改造方案

在對(duì)5號(hào)CFB鍋爐進(jìn)行二次風(fēng)配比、氧量調(diào)整、松動(dòng)風(fēng)/返料風(fēng)等多種燃燒優(yōu)化調(diào)整嘗試后發(fā)現(xiàn)，由于5號(hào)爐自身設(shè)計(jì)等原因所導(dǎo)致調(diào)整裕度相對(duì)較小的現(xiàn)實(shí)情況，燃燒優(yōu)化調(diào)整等調(diào)試手段難以完全去除后燃現(xiàn)象的發(fā)生，5號(hào)爐在高負(fù)荷狀態(tài)下的氮氧化物排放仍難以持續(xù)滿足超低排放的要求。因此，需考慮優(yōu)化脫硝工藝，采用在旋風(fēng)分離器出口煙道安裝脫硝噴槍的方式，來消除后燃現(xiàn)象帶來的氮氧化物提升份額，以進(jìn)一步優(yōu)化脫硝效果。為進(jìn)一步延長(zhǎng)氨基還原劑與煙氣的混合反應(yīng)時(shí)間，在現(xiàn)場(chǎng)考察后采用在分離器出口垂直煙道位置加裝SNCR脫硝噴槍的設(shè)計(jì)方案。由于總的煙氣量并未發(fā)生變化，因此在加裝脫硝噴槍后，投運(yùn)脫硝系統(tǒng)時(shí)將通過優(yōu)化調(diào)整不同位置處的噴槍氨水流量，并配合燃燒調(diào)整，在設(shè)計(jì)氨水耗量基本不變的情況下優(yōu)化脫硝效果，達(dá)到超低排放效果。

2 燃燒優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)

一般而言，在保證鍋爐燃燒效率的前提下，通過降低鍋爐爐膛出口煙氣的氧量可以有效氮氧化物的生成，從而降低氮氧化物的原始排放濃度。由于5號(hào)爐在高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)因床溫高而燃燒效果有所保證，因此通過同時(shí)降低一二次風(fēng)的方式將氧量降低到2%～2.5%，以低氧量燃燒的方式來配合進(jìn)一步優(yōu)化后的SNCR工藝而實(shí)現(xiàn)脫硝效果。

同時(shí)，考慮到整個(gè)CFB鍋爐的爐膛煙氣及灰料向上流動(dòng)的動(dòng)力主要源于一次風(fēng)，因而，特定負(fù)荷下一次風(fēng)量的大小在一定程度上影響了燃料的攜帶率。因而在略微降低一次風(fēng)后，后燃現(xiàn)象可能會(huì)有所削弱，在旋風(fēng)分離器中產(chǎn)生新增的氮氧化物減小，幫助降低了氮氧化物的最終排放值[6]。

在不改變二次風(fēng)量的情況下，通過調(diào)節(jié)上下二次風(fēng)口的風(fēng)量，增大上環(huán)二次風(fēng)量的同時(shí)減小下環(huán)二次風(fēng)量，將二次風(fēng)送入稀相區(qū)完成燃燒，在保證燃燒效率的同時(shí)優(yōu)化了爐膛空氣分級(jí)燃燒，降低氮氧化物的生成量。

3 改造后的效果分析

在對(duì)5號(hào)爐實(shí)施了分離器出口垂直煙道處加裝脫硝噴槍的SNCR脫硝工藝優(yōu)化改造，并配合以實(shí)際的低氧量燃燒、分級(jí)送風(fēng)等燃燒優(yōu)化調(diào)整輔助措施后，5號(hào)爐的氮氧化物排放值在氨水耗量未增加的情況下顯著降低，最終達(dá)到了<50 mg/m3(標(biāo)準(zhǔn))的超低排放要求。

在未來應(yīng)繼續(xù)考慮通過優(yōu)化返料系統(tǒng)、增加煙氣再循環(huán)系統(tǒng)等低氮燃燒技術(shù)手段來確保該CFB鍋爐在啟動(dòng)后全負(fù)荷狀態(tài)下的超低排放要求。

4 總 結(jié)

針對(duì)東北某熱電廠的410 t/h循環(huán)流化床鍋爐在高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下可能出現(xiàn)后燃現(xiàn)象導(dǎo)致的旋風(fēng)分離器出口煙道處的高溫?zé)煔馇闆r，通過在旋風(fēng)分離器出口垂直煙道增加脫硝噴槍的SNCR優(yōu)化工藝，并輔助于低氧量燃燒、分級(jí)送風(fēng)等燃燒優(yōu)化調(diào)整等改造措施后，使該CFB鍋爐的氮氧化物最終達(dá)到了低于50 mg /m3(標(biāo)態(tài)、干基、6%氧)的超低排放要求。

雖然后燃現(xiàn)象在CFB鍋爐中可以通過一定措施將其弱化，但對(duì)相當(dāng)一部分燃料后燃現(xiàn)象不可避免，因此需在循環(huán)流化床鍋爐的SNCR脫硝工藝中進(jìn)行特殊考慮。特別是長(zhǎng)期處于高負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)后燃現(xiàn)象的CFB鍋爐，在超低排放改造的脫硝設(shè)計(jì)中需要特別考慮噴槍的具體布置形式。