煙氣脫硝改造對燃煤鍋爐的影響

郭連偉

摘要：面對日益嚴(yán)格的環(huán)保排放要求，為保證鍋爐煙氣NOx指標(biāo)滿足排放要求，我國大部分燃煤鍋爐都完成了脫硝改造;但是增設(shè)脫硝裝置后，鍋爐運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性卻受到了一定程度影響，可以從鍋爐熱效率、灰渣可燃物含量、空預(yù)器堵塞等方面反映出來。

關(guān)鍵詞：NOx;燃煤鍋爐;灰渣;熱效率;空預(yù)器堵塞

1 前言

氮氧化物是造成大氣污染的主要污染源之一，我國氮氧化物的排放量中70%來自于煤炭的直接燃燒，電力工業(yè)又是我國的燃煤大戶，因此火力發(fā)電廠是NOx 排放的主要來源之一;截至2014年底，我國大部分燃煤機(jī)組基本完成了脫硝裝置的安裝改造，隨著脫硝裝置投運(yùn)，各類問題也暴露出來。

2 SCR脫硝工藝原理

選擇性催化還原法脫硝，簡稱SCR，相較SNCR主要增加了內(nèi)含金屬催化劑的SCR反應(yīng)器，還原劑（NH3）以氣體的形式經(jīng)噴氨系統(tǒng)噴入煙氣中與煙氣混合，混合后的煙氣進(jìn)入脫硝反應(yīng)器，在催化劑的作用下氨氣與NOx發(fā)生催化氧化還原反應(yīng)，將NOx還原成無污染的N2和H2O。SCR脫硝反應(yīng)一般在300℃～420℃的范圍內(nèi)有效進(jìn)行，在NH3/NOx摩爾比為0.83的條件下，可以得到80%～90%的脫硝率。SCR煙氣脫硝技術(shù)具有脫硝效率高、運(yùn)行可靠、便于維護(hù)和操作等優(yōu)點(diǎn)，目前世界上有80%以上的煙氣脫硝裝置采用SCR法脫硝技術(shù)。

3 低氮燃燒工藝原理

目前常見的低NOx燃燒技術(shù)主要有：空氣分級燃燒技術(shù)、燃料分級燃燒技術(shù)（又稱再燃技術(shù)）和煙氣再循環(huán)技術(shù)。

空氣分級燃燒技術(shù)是目前最為普遍的低NOx燃燒技術(shù)，它是通過調(diào)整燃燒器及其附近的區(qū)域或是整個(gè)爐膛區(qū)域內(nèi)空氣和燃料的混合狀態(tài)，在保證總體過量空氣系數(shù)不變的基礎(chǔ)上，使燃料經(jīng)歷“富燃料燃燒”和“富氧燃盡”兩個(gè)階段，以實(shí)現(xiàn)總體NOx排放量大幅下降的燃燒控制技術(shù)。在富燃料燃燒階段的主燃燒區(qū)域，由于氧氣濃度相對較低，燃料的燃燒速度和溫度都比正常過氧燃燒要低，從而抑制了熱力型NOx的生成，同時(shí)由于不能完全燃燒，部分中間產(chǎn)物如HCN和NH3會(huì)將部分已生成的NOx還原成N2，從而使燃料型NOx的排放也有所減少;然后在富氧燃燒階段燃料燃盡，但由于此區(qū)域的溫度已經(jīng)降低，新生成的NOx量十分有限，因此總體上NOx的排放量明顯減少。

4 脫硝改造后存在的問題

4.1 煙、風(fēng)道阻力增加

以某石化4號鍋爐為例，4號鍋爐脫硝改造后，鍋爐原有的煙、風(fēng)道移位造成煙風(fēng)道彎頭增多，在一定程度上增加了煙、風(fēng)道阻力，增加了引、送風(fēng)機(jī)能耗的同時(shí)也降低了風(fēng)機(jī)出力。脫硝改造后，單側(cè)送風(fēng)機(jī)出口風(fēng)壓較改造前增加了800Pa左右，單側(cè)引風(fēng)機(jī)入口風(fēng)壓增加了300Pa左右，增加風(fēng)機(jī)電耗及生產(chǎn)運(yùn)行成本，造成鍋爐通風(fēng)量減少，降低了鍋爐帶負(fù)荷能力，使鍋爐最高只能維持97%左右的鍋爐額定負(fù)荷。

4.2 尾部煙道受熱面腐蝕、堵塞

脫硝SCR反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生氨逃逸，這些逃逸的氨氣與煙氣中的SO3反應(yīng)會(huì)形成亞硫酸氫銨（NH4HSO4）或者硫酸銨[（NH4）2SO4]，這類硫酸鹽具有粘結(jié)性和腐蝕性，會(huì)使催化劑或者尾部煙道內(nèi)的省煤器或者空氣預(yù)熱器堵塞，嚴(yán)重時(shí)影響鍋爐運(yùn)行，導(dǎo)致被迫停爐。

同樣以某石化4號燃煤鍋爐為例，4號爐停爐檢修過程中進(jìn)入鍋爐尾部煙道受熱面進(jìn)行檢查，在空預(yù)器中段溫度相對較低的工段發(fā)現(xiàn)空預(yù)器管束存在堵塞情況，嚴(yán)重時(shí)局部堵塞面積達(dá)到30%左右，增加了煙道阻力約300Pa左右，造成鍋爐引風(fēng)出力不足，影響鍋爐帶負(fù)荷能力。

4.3 鍋爐灰渣可燃物含量升高

受低氮燃燒器改造影響，鍋爐內(nèi)部風(fēng)粉配比較改造前發(fā)生很大變化，同時(shí)各層二次風(fēng)噴口面積因噴燃器改造而縮小，其次爐膛四角還分別增加了燃盡風(fēng)噴口，導(dǎo)致鍋爐主燃燒區(qū)域處于低氧燃燒狀態(tài);煤粉在爐內(nèi)主燃燒區(qū)域燃燒不充分、不完全，同時(shí)如果入爐煤含碳量偏高、揮發(fā)份偏小、灰分偏小時(shí)，會(huì)造成鍋爐飛灰可燃物含量及爐渣可燃物含量升高。

以某石化4號鍋爐為例，脫硝改造前鍋爐飛灰可燃物含量基本保持在3%左右，低氮燃燒器改造后，在完全按照低氮燃燒器設(shè)計(jì)二次風(fēng)開度調(diào)整工況下，飛灰可燃物含量升高至8%左右。脫硝改造前鍋爐爐渣可燃物含量基本保持在10%以下;低氮燃燒器改造后，在完全按照低氮燃燒器設(shè)計(jì)二次風(fēng)開度調(diào)整工況下，爐渣可燃物含量升高至15%～20%。

灰渣可燃物含量的升高，增加了鍋爐機(jī)械燃燒不完全熱損失，降低了鍋爐熱效率、降低了鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、增加了鍋爐燃燒成本。

4.4 鍋爐熱效率下降

受脫硝改造影響，爐內(nèi)燃燒工況發(fā)生變化，燃燒中心上移以及燃料燃燒不完全，爐內(nèi)熱輻射換熱效率減弱;同時(shí)受飛灰可燃物含量及爐渣可燃物含量升高，造成機(jī)械不完全燃燒熱損失增加，導(dǎo)致鍋爐熱效率下降，脫硝改造前某石化4號燃煤鍋爐熱效率在92%左右，脫硝改造后熱效率下降至90%左右，在一定程度上降低了鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

4.5鍋爐噴燃器周圍結(jié)焦增加

燃煤鍋爐低氮燃燒器改造后，因原二次風(fēng)噴口縮小至原來的70%左右，主燃燒區(qū)域二次風(fēng)比例減小，噴燃器周圍相對缺氧燃燒、還原性氣體增加，導(dǎo)致煤粉燃燒過程中燃燒不完全，同時(shí)造成鍋爐噴燃器口周圍結(jié)焦增多，特別是在噴燃器周邊水冷壁處以及噴燃器上部，因位置較偏結(jié)焦不易清理，在形成大焦塊后因自重掉落，會(huì)對鍋爐冷灰斗造成不利影響，易造成水冷壁機(jī)械損傷。

鍋爐噴燃器口結(jié)焦增多同時(shí)會(huì)對鍋爐內(nèi)窺式火檢探頭信號強(qiáng)度造成影響，導(dǎo)致部分火檢探頭檢測不到火焰或者信號強(qiáng)度較弱，火檢信號不穩(wěn)定、影響鍋爐安全運(yùn)行。

噴燃器口處大塊焦渣掉落后對撈渣機(jī)輸渣機(jī)的安全運(yùn)行也帶來一定的影響，大焦在撈渣機(jī)、輸渣機(jī)內(nèi)易造成撈輸渣機(jī)跳閘，某石化4號鍋爐在脫硝改造后撈渣機(jī)內(nèi)多次出現(xiàn)大焦，導(dǎo)致輸渣機(jī)跳閘，影響設(shè)備安全運(yùn)行。

5 經(jīng)濟(jì)方面影響

脫硝改造后會(huì)增加鍋爐運(yùn)行成本，包括脫硝催化劑、脫硝用壓縮空氣、脫硝系統(tǒng)風(fēng)機(jī)電耗、煙道阻力增加后造成的引送風(fēng)機(jī)電耗。

綜合計(jì)算，脫硝裝置運(yùn)行會(huì)增加鍋爐裝置運(yùn)行成本每小時(shí)增加約500元左右。

6 總述

已投運(yùn)的鍋爐裝置進(jìn)行脫硝環(huán)保改造，改變了鍋爐原有運(yùn)行工況，造成鍋爐燃燒工況發(fā)生根本上的變化，對鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性、安全性都存在一定的影響。在脫硝改造后，必須根據(jù)鍋爐各項(xiàng)指標(biāo)變化情況，合理調(diào)整脫硝系統(tǒng)運(yùn)行工況，尋找環(huán)保與安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行之間的平衡點(diǎn)，在保證鍋爐煙氣排放達(dá)標(biāo)的同時(shí)要確保鍋爐裝置安全運(yùn)行。