選擇性非催化還原脫硝技術(shù)在循環(huán)流化床鍋爐中的應(yīng)用

柳　振

(中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司熱電部，上海 200540)

?

選擇性非催化還原脫硝技術(shù)在循環(huán)流化床鍋爐中的應(yīng)用

柳振

(中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司熱電部，上海 200540)

摘要：針對(duì)中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱上海石化)620 t/h循環(huán)流化床鍋爐效率偏低及氮氧化物排放質(zhì)量濃度不能達(dá)到環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀，在爐內(nèi)燃燒脫硝技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過實(shí)施鍋爐尾部煙氣脫硝改造，采用當(dāng)前先進(jìn)的選擇性非催化還原(SNCR)脫硝技術(shù)，進(jìn)一步提該鍋爐的脫硝水平。同時(shí)通過設(shè)計(jì)、模擬和應(yīng)用的對(duì)比研究，總結(jié)出SNCR脫硝技術(shù)在循環(huán)流化床鍋爐上使用的適應(yīng)性和進(jìn)一步提高效率的必要性。

關(guān)鍵詞：脫硝系統(tǒng)氮氧化物減排選擇性非催化還原脫硝技術(shù)

2013年中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱上海石化)對(duì)7#循環(huán)流化床燃煤鍋爐進(jìn)行了低氮燃燒技術(shù)改造，改造后鍋爐燃燒氮氧化物排放水平有了一定程度的下降。但是隨著國(guó)家對(duì)燃煤鍋爐的污染排放控制水平進(jìn)一步的提升，該燃煤循環(huán)流化床鍋爐的脫硝控制調(diào)節(jié)水平還需要進(jìn)一步加強(qiáng)改進(jìn)，故采用當(dāng)前較為先進(jìn)的選擇性非催化還原(SNCR)脫硝技術(shù)進(jìn)一步提升該型鍋爐的脫硝水平。

1脫硝技術(shù)的研究現(xiàn)狀

在目前的發(fā)電企業(yè)中，大多數(shù)已建成的鍋爐采用最為普遍的是燃燒后的煙氣脫硝方式，其主要工藝就是對(duì)鍋爐煤粉燃燒后產(chǎn)生的含氮氧化物(NOx)的煙氣進(jìn)行相應(yīng)的脫硝處理，這也是近幾年來燃煤鍋爐中NOx排放和控制中最有效的方法[1]。按照脫硫的適用介質(zhì)形態(tài)，煙氣脫硝的方法主要可分為濕法脫硝、半干法脫硝和干法脫硝3種。濕法脫硝是指反應(yīng)劑為液態(tài)的工藝，NOx被吸收至液態(tài)的反應(yīng)劑中反應(yīng)生成副產(chǎn)品，主要優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)成本較低，但與干法脫硝工藝相比，該技術(shù)的成熟性和穩(wěn)定性還有待考證；半干法脫硝是指先通過氣相的催化反應(yīng)將NO轉(zhuǎn)化為NO2，再用水溶液或堿液吸收的脫硝工藝，此種工藝主要針對(duì)鍋爐煙氣量中等、脫硝效率要求不高的鍋爐，在當(dāng)前大多熱電聯(lián)產(chǎn)鍋爐當(dāng)中使用也不多見；干法脫硝是指反應(yīng)劑為氣態(tài)的工藝，可分為選擇性催化還原(SCR)和選擇性非催化還原(SNCR)。干法脫硝技術(shù)在我國(guó)使用廣泛，改造實(shí)施簡(jiǎn)單易行，相對(duì)其他脫硝工藝而言脫硝效率更高，性能也更加穩(wěn)定。通常所說的SNCR脫硝工藝簡(jiǎn)單說來就是控制鍋爐燃燒時(shí)NOx的過程。在燃煤鍋爐爐膛燃燒的850～1 175 ℃的反應(yīng)溫度范圍內(nèi)，將一種特殊的反應(yīng)劑噴入爐膛與含有NOx的煙氣混合反應(yīng)，此時(shí)盡管爐膛內(nèi)存在過量氧氣，但噴入爐膛的反應(yīng)劑會(huì)有選擇性地與燃燒產(chǎn)生煙氣中的NO發(fā)生反應(yīng)，生成N2，從而達(dá)到鍋爐燃燒減少氮氧化物排放的目的。目前在我國(guó)很多燃煤鍋爐采用SNCR脫硝技術(shù)，主要原因是因其具備較多優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無需催化劑、易于安裝、適應(yīng)性廣、安裝運(yùn)行成本低、不受飛灰的影響以及便于和其他的低NOx技術(shù)聯(lián)合使用[2]。

2上海石化循環(huán)流化床(CFB)鍋爐SNCR脫硝改造的方案設(shè)計(jì)

2.1鍋爐概況

上海石化熱電部主要承擔(dān)上海石化所屬生產(chǎn)裝置以及生活區(qū)域供電、供熱任務(wù)，共有7臺(tái)供熱汽輪機(jī)組，1#～4#爐為4臺(tái)410 t/h的燃煤鍋爐，5#A/B爐為2臺(tái)310 t/h CFB鍋爐，7#爐為620 t/h CFB鍋爐，裝機(jī)總?cè)萘?25 MW，鍋爐總蒸發(fā)量2 880 t/h，設(shè)計(jì)供熱能力1 375 t/h。

上海石化熱電部7#燃煤鍋爐是由上海鍋爐廠設(shè)計(jì)制造的620 t/h自然循環(huán)汽包爐，其煙氣量為5.9×105m3/h(干基、6% O2)，NOx初始排放質(zhì)量濃度250 mg/m3(以NO2計(jì)、干基、6% O2)。鍋爐的NOx排放質(zhì)量濃度超出了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 13223—2011規(guī)定的不超過100 mg/m3的排放標(biāo)準(zhǔn)，因此在鍋爐燃燒過程中脫硝工藝完成的基礎(chǔ)上，上海石化計(jì)劃再結(jié)合燃燒后的SNCR技術(shù)對(duì)7#鍋爐進(jìn)行改造，進(jìn)一步提升該型鍋爐的脫硝水平。本次鍋爐SNCR脫硝改造的還原劑為尿素，要求SNCR脫硝效率不小于62%，其出口NOx質(zhì)量濃度降至95 mg/m3以下[3-5]。

2.2SNCR脫硝方案的設(shè)計(jì)

2.2.1脫硝入口設(shè)計(jì)條件

經(jīng)綜合考慮，此次7#鍋爐SNCR脫硝設(shè)計(jì)進(jìn)口參數(shù)[6]如表1所示。

表1　設(shè)計(jì)煙氣參數(shù)

2.2.2還原劑

脫硝采用顆粒尿素來制備還原劑[7]，顆粒尿素品質(zhì)見表2，品質(zhì)必須符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 2440—2001技術(shù)指標(biāo)的要求。

表2　顆粒尿素品質(zhì)參數(shù)　　%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

2.2.3噴槍位置的設(shè)計(jì)

鍋爐在不同負(fù)荷下，爐內(nèi)的溫度有差異。本方案設(shè)計(jì)采用一種噴槍布置方案，在爐膛出口煙道上布置了12 支SNCR 噴槍，每個(gè)爐子包含2個(gè)旋風(fēng)分離器，每個(gè)分離器入口煙道上布置6支SNCR 噴槍，標(biāo)高依次為37.315，38.115，38.915，39.715，40.515，41.315 m，布置在煙道側(cè)面，與煙道壁面相垂直。

對(duì)上海石化620 t/h 熱電機(jī)組的SNCR脫硝進(jìn)行了數(shù)值模擬[8]，在滿負(fù)荷的條件下，本方案提出的噴槍安裝方式對(duì)氨分布和脫硝效率的影響模擬結(jié)果見表3。

表3　噴槍安裝方式對(duì)氨分布和脫硝效率的影響

從表3中可以看出：采用本次噴槍布置方案，當(dāng)采用尿素作為還原劑時(shí)，7#爐能實(shí)現(xiàn) 68.2%的脫硝效率，且氨逃逸不超過8 mg/m3。

2.2.4溫度和氨氮比對(duì)NOx排放質(zhì)量濃度的影響

在爐內(nèi)溫度低于1 500 K的相同溫度情況下，隨著氨氮比(氨氮比)的增加，脫硝效率也隨之增加，這說明在爐膛內(nèi)同一溫度情況下氨還原NO的化學(xué)反應(yīng)將進(jìn)行得更加充分和徹底(見圖1)。

圖1　溫度和氨氮比對(duì)NOx排放質(zhì)量濃度的影響

從圖1中可以看出：在爐內(nèi)溫度高于1 500 K的情況下，隨著氨氮比的增加，NOx的排放濃度不斷增高，也就是說循環(huán)流化床鍋爐燃燒反應(yīng)中多余的氨成分反而會(huì)導(dǎo)致還原劑的氧化反應(yīng)變得更為徹底。在爐內(nèi)溫度為1 250 K，氨氮比等于1時(shí)，NOx的排放質(zhì)量濃度為95.3 mg/m3，脫硝效率為68.2%；此溫度下氨氮比等于2時(shí)，NOx的排放質(zhì)量濃度為22.3 mg/m3，脫硝率高達(dá)92.6%，脫硝率增加了24.4%，因此提高氨氮比對(duì)增加SNCR的脫硝率具有明顯的效果。同時(shí)隨著氨氮比的提升，NOx排放質(zhì)量濃度和煙氣的脫硝率均未見顯著變化。因此，從減少還原劑的噴入量、降低運(yùn)行成本費(fèi)用等角度考慮，通過試驗(yàn)和對(duì)比計(jì)算出7#爐的爐內(nèi)氨氮比的最佳值為1.5[9]。

3SNCR脫硝改造的實(shí)施與成效

3.1SNCR脫硝改造的實(shí)施

這次SNCR脫硝改造使用的脫硝還原劑為質(zhì)量濃度50%的尿素溶液。

將質(zhì)量濃度為50%的尿素溶液通過尿素溶液循環(huán)輸送泵從溶解罐輸送入尿素溶液儲(chǔ)罐，高流量循環(huán)模塊將儲(chǔ)罐中的尿素溶液送入稀釋計(jì)量模塊，其中部分尿素溶液循環(huán)回流到尿素溶液儲(chǔ)罐。在稀釋計(jì)量模塊中精確計(jì)量尿素溶液流量，加入一定量的稀釋除鹽水，將質(zhì)量濃度為50%尿素溶液進(jìn)一步稀釋到5%左右，然后輸送到分配模塊。5%左右的尿素溶液被分配到各噴射組件，經(jīng)壓縮空氣霧化后通過噴槍噴射入鍋爐爐膛內(nèi)，霧化的尿素溶液液滴在爐膛的橫截面上與煙氣垂直接觸，尿素在高溫條件下分解，產(chǎn)生的NH3捕捉煙氣中的NOx并迅速與之反應(yīng)，達(dá)到脫除NOx的目的。

該SNCR系統(tǒng)將細(xì)小的還原劑溶液霧滴噴入爐膛中并使其均勻分布。SNCR系統(tǒng)是一個(gè)爐內(nèi)的燃燒后脫硝反應(yīng)，還原劑溶液霧滴在爐膛內(nèi)相應(yīng)溫度窗口區(qū)域的精細(xì)分布程度是該系統(tǒng)性能的重要影響因素。系統(tǒng)儲(chǔ)存一定濃度的還原劑溶液并將它循環(huán)輸送到爐側(cè)，然后利用廠區(qū)內(nèi)提供的稀釋水將還原劑溶液進(jìn)一步稀釋到預(yù)設(shè)的濃度，并通過計(jì)量模塊精確計(jì)量脫硝反應(yīng)所需的還原劑溶液輸送到噴槍，噴槍利用壓縮空氣霧化將所需的還原劑溶液噴入爐膛中。

3.2SNCR脫硝系統(tǒng)投運(yùn)效果評(píng)價(jià)

7#鍋爐SNCR脫硝系統(tǒng)投入運(yùn)行后，在鍋爐正常工況(使用鍋爐燃用設(shè)計(jì)煤種；鍋爐正常負(fù)荷范圍為40%～110%額定負(fù)荷，脫硝裝置入口NOx質(zhì)量濃度為250 mg/m3)運(yùn)行時(shí)，鍋爐SNCR 脫硝裝置基本能夠保證出口NOx濃度小于95 mg/m3(標(biāo)態(tài)，干基，6% O2)；SNCR脫硝效率不低于62%，單臺(tái)機(jī)組的尿素(10%)耗用量小于150 kg/h，基本能夠滿足當(dāng)前國(guó)家對(duì)鍋爐NOx排放的環(huán)保要求。但隨著SNCR脫硝系統(tǒng)投運(yùn)時(shí)間的增加，其工藝也出現(xiàn)需要進(jìn)一步改進(jìn)的地方。

(1)尿素實(shí)際消耗量與實(shí)際存在較大差異。從設(shè)計(jì)脫硝運(yùn)行情況看，初始NOx質(zhì)量濃度為160 mg/m3左右，要完全達(dá)到NOx排放不超過95 mg/m3的指標(biāo)，尿素耗量要達(dá)到150 kg/h，而調(diào)整門已基本開足，因此為后續(xù)正常調(diào)整帶來很大挑戰(zhàn)。主要原因有：①原設(shè)計(jì)未考慮CO質(zhì)量濃度對(duì)脫硝效率的影響，7#爐受風(fēng)量限制，爐內(nèi)CO質(zhì)量濃度明顯偏高(爐膛出口最高達(dá)2 000 mg/m3)，CO質(zhì)量濃度將直接影響脫硝溫度反應(yīng)窗口和最佳脫硝溫度，從而影響到脫硝效率，因此建議在爐膛內(nèi)部增加CO在線監(jiān)測(cè)儀表；②噴槍霧化場(chǎng)偏移影響到脫硝效果，建議在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，發(fā)現(xiàn)脫硝效率有所降低時(shí)，注意檢查噴槍投用情況以及制備系統(tǒng)是否正常；③尿素顆粒來料成分可能存在差異，建議采購(gòu)使用優(yōu)等品尿素并定期進(jìn)行成分檢測(cè)。

(2)從運(yùn)行情況看基本處于可控狀態(tài)，但脫硝系統(tǒng)對(duì)爐內(nèi)床溫、風(fēng)機(jī)耗電以及鍋爐效率影響由于尚未安排性能測(cè)試，無法進(jìn)行正確的定量分析，因此在運(yùn)行過程中需加強(qiáng)監(jiān)督工作。

(3)雖然目前的脫硝效率滿足了國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)，但根據(jù)國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)、環(huán)境保護(hù)部及能源局[2014]2093號(hào)關(guān)于印發(fā)《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020年)》的最新通知，要求煙囪出口污染物中NOx排放限值降低到50 mg/m3，屆時(shí)仍然需對(duì)鍋爐脫硝工藝進(jìn)一步升級(jí)改造。

4結(jié)語

在當(dāng)前石化行業(yè)減排技術(shù)不斷完善的背景下，低氮燃燒技術(shù)和SNCR技術(shù)等必將成為燃煤鍋爐脫硝改造的重點(diǎn)脫硝環(huán)保技術(shù)。鍋爐脫硝環(huán)保工藝與燃煤鍋爐發(fā)電的實(shí)際發(fā)展情況相結(jié)合，不僅要滿足大氣污染物達(dá)標(biāo)排放的要求，同時(shí)也要保證企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)企業(yè)的良性發(fā)展，滿足越來越嚴(yán)格苛刻的大氣污染環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]喬建軍,王澤璞,陳江濤,等.基于雙尺度低NOx燃燒技術(shù)的電站鍋爐改造[J]. 河北工業(yè)科技，2015, 32(3) :13-24.

[2]張彥文,蔡寧生.加入甲烷促進(jìn)選擇性非催化還原反應(yīng)的機(jī)理驗(yàn)證和分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008,28(2):49-54.

[3]楊凱元,付喜亮，趙建軍.600 MW機(jī)組鍋爐低氮燃燒技術(shù)改造[J].內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2015,33(2):16-18.

[4]孫華芳,楊世極.某2×210 MW機(jī)組鍋爐脫硝系統(tǒng)改造[J].熱力發(fā)電，2013,42(7) :11-15.

[5]高亮, 王智化, 凌忠錢, 等. 爐內(nèi)高溫噴射尿素溶液脫硝機(jī)理及其影響因素[J]. 鍋爐技術(shù),2005, 36(2) :72-75.

[6]金理鵬,王勇,宋玉寶,等.煙氣參數(shù)對(duì)選擇性催化還原系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響分析[J].熱力發(fā)電，2013,42(8):45-51.

[7]鐘秦.選擇性非催化還原法脫除NOx的實(shí)驗(yàn)研究[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2000,24(1):68-71.

[8]雷達(dá), 金保升. 基于復(fù)相催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的電站SCR系統(tǒng)三維數(shù)值模型[J]. 燃燒科學(xué)與技術(shù)，2010, 16(3):236-240.

[9]陳偉,葉春.遺傳算法在電廠NOx減排中的應(yīng)用[J]. 能源與節(jié)能，2013(7):47-49.

In view that the productivity and concentration of NOxemission of the 620 t/h circulating fluidized bed boiler in SINOPEC Shanghai Petrochemical Co., Ltd. (hereinafter referred to as SPC) cannotmeet the environmental protection emission standards, the denitration performance of the boiler was improved though denitration process transformation of increasing the boiler flue gas, adopting the state-of-the-art selective non-catalytic reduction (SNCR) technology on the basis of thedenitration technologyof in-boiler combustion. Meanwhile, through study of the technology in 7#boiler of Thermal Power Station of SPC, the adaptability of SNCR denitration technology in circulating fluidized bed boiler and the necessity of further improving efficiency were summarized.

Keywords：denitration system, NOx, emission reduction, SNCR denitration technology

收稿日期：2016-03-31。

作者簡(jiǎn)介：柳振，男，1980年出生，2004年畢業(yè)于長(zhǎng)沙理工大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)，本科，工程師，目前主要從事循環(huán)流化床鍋爐安全管理工作。

文章編號(hào)：1674-1099(2016)03-0052-04中圖分類號(hào)：TM621.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Application of Selective Non-catalytic Reduction Denitration Technology in Circulating Fluidized Bed Boiler

Liu Zhen

(ThermalPowerDivision,SINOPECShanghaiPetrochemicalCo.,Ltd.,Shanghai200540)

ABSTRACT