75t/h鍋爐煙氣的脫硝綜合改造

張志偉

作者通聯(lián):廣州珠江啤酒股份有限公司熱電廠 廣州市新港東路磨碟沙大街 510315

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一、概述

廣州珠江啤酒股份公司熱電廠兩臺(tái)B&WB75-5.3-M鍋爐型自然循環(huán)鍋爐，額定蒸發(fā)量為75t/h，爐膛的深度×寬度為5810mm×5810mm。制粉系統(tǒng)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）二、一、二、二、一、二，切圓直徑為450mm。鍋爐設(shè)計(jì)燃煤為山西大同煙煤,燃燒器未采用低氮燃燒技術(shù)，NOx排放濃度700～1000mg/m3，未達(dá)標(biāo)，主要原因如下。

（1）一次風(fēng)率過(guò)高。一次風(fēng)率偏高時(shí)，燃燒過(guò)程煤粉著火和揮發(fā)分燃燒階段氧濃度較高，NOx大量生成；同時(shí)會(huì)推遲煤粉著火，導(dǎo)致鍋爐穩(wěn)燃性差，飛灰含碳量升高。鍋爐燃燒器一次風(fēng)率設(shè)計(jì)值為38%，遠(yuǎn)大于低氮燃燒器設(shè)計(jì)一次風(fēng)率值，煤粉中揮發(fā)分N將大部分轉(zhuǎn)化為NOx，對(duì)著火穩(wěn)燃極為不利。

（2）均等配風(fēng)。鍋爐燃燒器采用傳統(tǒng)均等配風(fēng)方式，將所有的煤粉和空氣都通過(guò)燃燒器送入爐膛燃燒，這樣煤粉與空氣充分混合，燃燒強(qiáng)度大，燃燒溫度高，但由此產(chǎn)生的NOx排放量也高。

（3）對(duì)煙氣排放未進(jìn)行脫硝處理。

針對(duì)以上實(shí)際情況，本著節(jié)約和高效的原則，采用低氮燃燒技術(shù)和尾部煙氣脫硝技術(shù)對(duì)鍋爐進(jìn)行脫硝綜合改造（圖1）。

圖1 鍋爐煙氣脫硝綜合改造實(shí)現(xiàn)過(guò)程

二、改造措施

1.低氮燃燒技術(shù)改造

鍋爐低NOx燃燒改造采用上下濃淡燃燒技術(shù)，將一次風(fēng)分為濃淡兩股，在燃燒器出口實(shí)現(xiàn)分級(jí)送風(fēng)與燃料合理配比，達(dá)到抑制NOx生成的目的。通過(guò)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(zhuǎn)化和熱力NOx的生成，同時(shí)兼具低負(fù)荷穩(wěn)燃的作用。解決燃燒器一次風(fēng)率設(shè)計(jì)值偏高的問(wèn)題，抑制揮發(fā)分NOx生成；同時(shí)采用空氣分級(jí)燃燒技術(shù)，設(shè)兩層分離式燃盡風(fēng)（SOFA），抑制燃燒后期NOx生成。達(dá)到NOx排放水平不高于400mg/m3的目標(biāo)。

（1）上下濃淡燃燒。燃燒器一次風(fēng)噴口前安裝可調(diào)式煤粉濃淡分離器，將一次風(fēng)分成上下濃淡兩股氣流（圖2），在不顯著增大一次風(fēng)道阻力的前提下，濃淡比可達(dá)7∶1。利用扇形擋塊對(duì)煤粉顆粒的慣性導(dǎo)向作用，實(shí)現(xiàn)煤粉氣流的濃縮和分流，達(dá)到煤粉濃淡分離目的。

圖2 上下濃淡分離器工作原理圖

分離裝置由一次風(fēng)管道、撞擊塊、彎曲板及分隔板組成。撞擊塊安裝在一次風(fēng)管道壁面上，由于擋塊的導(dǎo)向作用，一部分煤粉氣流改變流動(dòng)方向，這部分氣流中煤粒顆粒的運(yùn)動(dòng)慣性遠(yuǎn)大于空氣的慣性，經(jīng)與擋塊碰撞后大部分反彈至濃側(cè)氣流通道，同時(shí)，由于導(dǎo)流作用在擋塊后形成一個(gè)低壓區(qū)，小部分煤粉顆粒隨空氣在壓差作用下繞流擋塊進(jìn)入淡側(cè)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(shè)置了分離隔板，把這兩股濃淡偏差氣流保持到燃燒器出口。

當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)擋塊使之高度發(fā)生變化時(shí)，濃淡分離效果是不同的，通過(guò)改變擋塊高度實(shí)現(xiàn)濃度的連續(xù)可調(diào)。

一次風(fēng)濃、淡側(cè)噴口均設(shè)波形鈍體，在鈍體后形成一回流區(qū)回流高溫?zé)煔?，?qiáng)化著火，使得煤粉更多燃燒過(guò)程在與周?chē)物L(fēng)混合前燃燒，抑制燃燒初期揮發(fā)份NOx生成。同時(shí)強(qiáng)化著火可以提高燃燒效率。

原一次風(fēng)冷卻風(fēng)仍保留，以便在燃燒器停用時(shí)起到保護(hù)噴口作用。

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

SOFA空氣分級(jí)燃燒技術(shù)是目前主流的煤粉低NOx燃燒技術(shù)，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(zhuǎn)化為N2，SOFA的補(bǔ)入提供焦炭燃盡所需氧量，保證鍋爐燃燒效率。

SOFA噴口設(shè)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以上下擺動(dòng)以適應(yīng)燃料煤種變化。正常運(yùn)行時(shí)，投運(yùn)一層SOFA風(fēng)，另一層保留一定的冷卻風(fēng)量即可保證爐膛送風(fēng)，當(dāng)燃用難燃盡煤時(shí)，投運(yùn)下層SOFA風(fēng)，及早補(bǔ)入燃燒用風(fēng)，保證燃盡；當(dāng)燃用煤種容易燃盡時(shí)，投上層SOFA，保證燃盡的同時(shí)可以將NOx控制得更低。

（3）燃燒器配風(fēng)。此次改造不改動(dòng)制粉系統(tǒng)和送粉系統(tǒng)，燃燒器設(shè)計(jì)維持一次風(fēng)量、風(fēng)速、風(fēng)溫和二次風(fēng)速、風(fēng)溫不變，SOFA引自熱風(fēng)管，其風(fēng)速和風(fēng)溫與二次風(fēng)相同，燃燒器配風(fēng)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 改造配風(fēng)

主燃燒器噴口布置方式較之改前略有改動(dòng)，取消一層二次風(fēng)，噴口布置從下到上依次為二、一、二、一、二，主燃燒器上部設(shè)兩層SOFA噴口，即上SOFA和下SOFA。①一次風(fēng)噴口布置標(biāo)高略有變動(dòng)，下一次風(fēng)風(fēng)管往上移132mm，上一次風(fēng)風(fēng)管往下移100mm。一次風(fēng)噴口設(shè)水平波形鈍體，鈍體迎風(fēng)面設(shè)耐磨陶瓷片，防止噴口磨損。運(yùn)行時(shí)在鈍體后形成回流區(qū)，強(qiáng)化燃燒，保證穩(wěn)定燃燒，降低著火初期NOx排放。②保持上、下二次風(fēng)標(biāo)高不變，噴口尺寸也不變，原先中間的兩層二次風(fēng)改為一層中二次風(fēng)。③要獲得好的低NOx排放效果，SOFA應(yīng)布置在距離主燃燒區(qū)越遠(yuǎn)越好的位置，但其布置高度還受碳燃盡的影響，進(jìn)而影響鍋爐效率。SOFA噴口設(shè)上、下兩層，并可在此基礎(chǔ)上上下手動(dòng)擺動(dòng)15°，以適應(yīng)燃料煤種變化。④讓管安裝。為配合兩層SOFA管道的安裝，需要在該兩層的水冷壁管進(jìn)行六根管道讓管改動(dòng)。而改造前后的燃燒器長(zhǎng)度相同，故不需要進(jìn)行讓管。

（4）效果。在燃燒初期NOx濃度即維持在較低水平，隨著燃盡風(fēng)（OFA）的補(bǔ)入，NOx濃度有所升高，但此時(shí)煤粉中的N元素大部分已轉(zhuǎn)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。

2.SNCR脫硝技術(shù)改造

選擇性非催化還原（SNCR）是一種不用催化劑，在900～1100℃范圍內(nèi)還原NOx的方法。SNCR脫硝技術(shù)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(jīng)稀釋水系統(tǒng)稀釋并經(jīng)壓縮空氣霧化后送至爐內(nèi)，與煙氣充分混合反應(yīng)脫除爐內(nèi)NOx。

影響SNCR的性能參數(shù)：①溫度窗口，溫度窗口是脫硝反應(yīng)最佳的爐膛溫度區(qū)間。若反應(yīng)溫度過(guò)低，還原劑與NOx沒(méi)有足夠活化能使脫硝反應(yīng)快速進(jìn)行，導(dǎo)致脫硝效率降低。溫度過(guò)高，尿素本身也會(huì)被氧化成NOx，反而會(huì)增加NOx的排放。以尿素為還原劑的SNCR溫度窗口為900～1100℃。②停留時(shí)間。在還原劑離開(kāi)窗口前SNCR整個(gè)反應(yīng)過(guò)程必須完成，這樣才能達(dá)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(shí)間至少要0.5s。③適當(dāng)?shù)腘H3/NOx的摩爾比，根據(jù)反應(yīng)方程式，NH3/NOx的理論摩爾比應(yīng)該為1，但實(shí)際上都要比1大才能達(dá)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(guò)高的NH3量也會(huì)增加氨的逃逸。

此次改造采用尿素為還原劑。將配制稀釋好的尿素溶液送到兩個(gè)噴射區(qū)噴射器。尿素溶液經(jīng)由噴射器噴入爐內(nèi)與煙氣混合進(jìn)行脫除NOx的氧化還原反應(yīng)。達(dá)到SNCR系統(tǒng)入口NOx濃度400mg/m3時(shí)，保證NOx排放濃度≤300mg/m3的效果。

根據(jù)鍋爐熱態(tài)性能測(cè)試數(shù)據(jù)及CFD數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，定出SNCR噴槍布置，確保脫硝反應(yīng)發(fā)生在最佳的溫度窗口。每臺(tái)鍋爐噴槍設(shè)置兩層（圖3）：A層在鍋爐側(cè)墻各設(shè)置2根噴槍?zhuān)籅層在鍋爐前墻設(shè)置4根噴槍?zhuān)瑑蓚?cè)墻各設(shè)置1根噴槍。其中2#鍋爐A層在15.5m，B層在18m；3#鍋爐A層在15.8m，B層在18.3m。根據(jù)鍋爐運(yùn)行時(shí)負(fù)荷的情況、溫度場(chǎng)變化以及NOx含量等決定投運(yùn)噴射區(qū)噴射量。

圖3 SNCR工藝系統(tǒng)示意圖

當(dāng)鍋爐負(fù)荷和爐膛出口的NOx濃度變化時(shí)，送入爐膛的尿素量也應(yīng)隨之變化，這將導(dǎo)致送入噴槍的流量發(fā)生變化，若變化太大，將會(huì)影響到霧化噴射效果，從而影響脫硝率和氨殘余。因此設(shè)計(jì)了稀釋系統(tǒng)，用來(lái)保證在運(yùn)行工況變化時(shí)噴嘴中流量不變。特定濃度的尿素溶液從儲(chǔ)罐輸出后，在爐前與稀釋水混合，通過(guò)監(jiān)測(cè)在線稀釋水流量來(lái)調(diào)節(jié)最終的尿素濃度。

表2 固定流量下不同尿素濃度的脫硝試驗(yàn)數(shù)據(jù)（流量0.56m3/h）mg/m3

將配制稀釋好的尿素溶液送到兩個(gè)噴射區(qū)的噴射器。噴射區(qū)設(shè)有流量調(diào)節(jié)閥門(mén)和流量計(jì)量設(shè)備，用以計(jì)量和控制本區(qū)噴入爐膛的尿素流量。噴射所需的霧化介質(zhì)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(dòng)量，以加強(qiáng)尿素溶液顆粒與爐內(nèi)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。

通過(guò)對(duì)鍋爐的試驗(yàn)及對(duì)數(shù)據(jù)比較（表2），設(shè)定流量0.56m3/h時(shí)，按以下參數(shù)運(yùn)行可獲得較佳的脫硝效果：50t/h負(fù)荷，濃度8～10%；50～70t/h負(fù)荷,濃度 8～10%；70t/h以上負(fù)荷，濃度 5%。

三、改造后的實(shí)際運(yùn)行效果

通過(guò)比較改造前后兩臺(tái)鍋爐運(yùn)行實(shí)際情況（表3），兩臺(tái)鍋爐脫硝效率均能達(dá)到＞60%的目標(biāo)和氮氧化物排放濃度＜400mg/m3的要求。兩臺(tái)鍋爐氮氧化物排放量每小時(shí)分別減少56.15kg和68.4kg。按每年運(yùn)行330天計(jì)算，分別可減排氮氧化物444.71t和541.73t，年總減排量為986.44t，達(dá)到環(huán)保部門(mén)要求公司年總減排量776.17t的目標(biāo)。

表3 脫硝改造后氮氧化物數(shù)據(jù)對(duì)比