CFB鍋爐脫硝系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化調(diào)整

李季 劉澤斌 趙德明

摘 要：目前#24CFB鍋爐在低氮燃燒的基礎(chǔ)上增設(shè)SNCR脫硝系統(tǒng)，由于#24爐運(yùn)行工況限制以及執(zhí)行超低排放標(biāo)準(zhǔn)，造成尿素使用量較大。為了有效降低尿素用量，控制排放風(fēng)險(xiǎn)，提高脫硝效率，擬對(duì)當(dāng)前運(yùn)行工況和現(xiàn)有脫硝設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行優(yōu)化調(diào)整。進(jìn)一步的改進(jìn)優(yōu)化措施有：控制一次脫硫和二次脫硫的比例；調(diào)節(jié)噴槍分組投入情況；調(diào)整稀釋水壓力；優(yōu)化尿素流量調(diào)節(jié)門控制模塊自動(dòng)調(diào)節(jié)邏輯。針對(duì)現(xiàn)有設(shè)備經(jīng)過理論分析，優(yōu)化調(diào)整的手段是可行的。經(jīng)過優(yōu)化調(diào)整后，提高了尿素利用率，增加了經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)施新的調(diào)整措施后每年可節(jié)約脫硝成本38余萬元。

關(guān)鍵詞：尿素；脫硝；影響因素；反應(yīng)效率

1 項(xiàng)目背景

2012年1月1日國(guó)家開始實(shí)施新的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，氮氧化物排放限值調(diào)整為100mg/m3。河北華電石家莊熱電有限公司八期四臺(tái)410t/h循環(huán)流化床鍋爐，脫硝技改工程在鍋爐本體已有的低氮燃燒基礎(chǔ)之上，增設(shè)SNCR脫硝系統(tǒng)。系統(tǒng)最初設(shè)定：（1）脫硝裝置NOx脫除率不小于60%。（2）氨逃逸不大于10ppm。（3）尿素耗量：在BMCR負(fù)荷時(shí)，且出口煙氣NOx排放值小于100mg/m3時(shí)，系統(tǒng)尿素耗量≤150 L/h（單臺(tái)爐）。2014年由于京、津、冀地區(qū)受霧霾嚴(yán)重的影響，提出了超低排放的要求，氮氧化物的排放限值下調(diào)到50mg/m3，環(huán)保壓力異常嚴(yán)峻。

在燃燒過程中由于#24爐床溫較高，運(yùn)行中尿素溶液消耗量大，增加了公司環(huán)保投入成本，同時(shí)尿素溶液的噴入量過多，導(dǎo)致氨逃逸上升甚至超標(biāo)，同時(shí)加重了尾部受熱面積灰，造成排煙溫度上升，對(duì)鍋爐尾部煙道受熱面和布袋除塵器的安全運(yùn)行構(gòu)成了威脅。技術(shù)攻關(guān)小組成員經(jīng)過深入調(diào)查和分析，希望可以通過運(yùn)行優(yōu)化調(diào)整使當(dāng)前運(yùn)行狀況得以改善，尿素溶液用量有所降低。

2 設(shè)備概況

2.1 鍋爐概況

石熱公司#21至#24鍋爐為4臺(tái)410t/h循環(huán)流化床鍋爐（#21-#22機(jī)組采用兩爐對(duì)一機(jī)的運(yùn)行方式），石熱公司#21至#24循環(huán)流化床鍋爐是東方鍋爐廠生產(chǎn)的DG410/9.81-9 型循環(huán)流化床鍋爐。該鍋爐是高溫高壓、單汽包、自然循環(huán)鍋爐，采用循環(huán)流化床燃燒方式、高溫分離物料、固態(tài)排渣、干式輸送、平衡通風(fēng)、半露天布置。鍋爐主要由一個(gè)膜式水冷壁爐膛、兩臺(tái)旋風(fēng)分離器、自平衡“J”型回料閥，水冷滾筒冷渣器和尾部對(duì)流煙道組成。鍋爐脫硫分為爐內(nèi)噴入石灰石粉干法脫硫和引風(fēng)機(jī)出口煙氣引至吸收塔進(jìn)行濕法脫硫，煙氣兩級(jí)除塵（電除塵和布袋除塵）后經(jīng)煙囪排入大氣。

2.2 SNCR脫硝裝置概況

2.2.1工藝流程

脫硝系統(tǒng)主要分為噴射區(qū)和還原劑儲(chǔ)存制備區(qū)兩個(gè)區(qū)域。噴射區(qū)主要包括尿素噴射裝置、稀釋水泵和噴射區(qū)輔助系統(tǒng)。尿素噴射裝置安裝在旋風(fēng)分離器入口水平煙道，尿素溶液依靠高溫?zé)煔夥纸獬捎行H3，使煙氣中NOx和還原劑分解的有效成分NH3充分接觸、反應(yīng)，從而達(dá)到降低排煙中NOx含量的目的。

脫硝還原劑儲(chǔ)存、制備、供應(yīng)系統(tǒng)包括尿素倉庫、尿素溶液制備罐、加熱蒸汽及疏水回收系統(tǒng)、尿素溶液供應(yīng)泵、尿素溶液存儲(chǔ)罐、尿素溶液循環(huán)泵、計(jì)量分配裝置、稀釋水系統(tǒng)、水沖洗系統(tǒng)等。此套系統(tǒng)提供5%-10%濃度的尿素溶液供脫硝反應(yīng)使用。

2.2.2反應(yīng)原理

3 脫硝現(xiàn)狀及優(yōu)化目標(biāo)

3.1 現(xiàn)狀調(diào)查

根據(jù)表1所示2016年前五個(gè)月尿素消耗量以及氨逃逸超標(biāo)次數(shù)和時(shí)間的統(tǒng)計(jì)，可見運(yùn)行中尿素用量大尤為明顯。尿素溶液的噴入量過多，導(dǎo)致氨逃逸上升甚至超標(biāo)，同時(shí)會(huì)加重尾部受熱面積灰，造成排煙溫度上升，對(duì)設(shè)備的安全運(yùn)行構(gòu)成了威脅。

3.2 目標(biāo)設(shè)定

目標(biāo)設(shè)定分析：1）在投運(yùn)以來的幾個(gè)月中#24爐尿素溶液用量曾多日出現(xiàn)過低至100L/h甚至更低的情況。因此經(jīng)過分析，認(rèn)為通過合理調(diào)整可以將其變?yōu)槌B(tài)。2）根據(jù)循環(huán)流化床的特性，其燃燒溫度較低，相應(yīng)產(chǎn)生的NOx相對(duì)較少，目前尿素液量明顯偏大，有較大的降低空間。3）我們小組成員均為技術(shù)骨干，都有著較強(qiáng)的理論知識(shí)和解決實(shí)際問題能力。

基于以上幾點(diǎn)，我們希望在保持固有燃燒的基礎(chǔ)上通過優(yōu)化調(diào)整來降低運(yùn)行當(dāng)中尿素溶液使用量。

4 技術(shù)方案、路線及因素分析

4.1 技術(shù)方案、路線

4.2 循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行中影響NOx生成的主要因素

4.2.1燃煤成分的影響

鍋爐燃燒生成的NOx主要來自燃煤中的氮，燃煤中氮含量越高，則生成的NOx就越高。燃煤里揮發(fā)分中的各種元素比也會(huì)影響到NOx的排放量，其中，O、H含量越高，生成NOx排放量越高，同時(shí)NO越難于被還原；另外，因?yàn)镾和N氧化時(shí)會(huì)相互爭(zhēng)奪氧，所以SO2排放提高，則NOx排放會(huì)降低。

4.2.2氧量的影響

降低氧量，在一定程度上可減弱熱力型NOx和燃料型NOx的生成，然而過低的氧量會(huì)使CO濃度增加，燃燒效率下降，鍋爐熱效率降低。一二次風(fēng)合理的配比，也會(huì)降低NOx生成。適當(dāng)降低一次風(fēng)量、增加二次風(fēng)量，N被氧化的速度減弱，NOx生成量就會(huì)下降，但是前提一定要保證鍋爐流化質(zhì)量。二次風(fēng)從燃燒密相區(qū)不同高度分層送入，通過調(diào)節(jié)各分管閥門控制層間風(fēng)量比，有望控制NOx排放量達(dá)到最低水平。

4.2.3床溫的影響

床溫對(duì)NOx的排放量的影響很大，即隨著床層溫度的提高，NOx的排放量將升高，因此，可以通過降低床溫來控制NOx的生成量。但是，床溫的降低會(huì)使燃燒效率下降，負(fù)荷受限；同時(shí)不利于N2O的分解，會(huì)使得N2O的排放濃度增加。

4.2.4石灰石的影響

在循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)脫硫中，加入石灰石是為降低SO2的排放量，同時(shí)，對(duì)NOx的排放量也會(huì)產(chǎn)生明顯上升影響。石灰石的影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一個(gè)是過多的CaO作為強(qiáng)催化劑會(huì)強(qiáng)化燃煤中氮的氧化速度，使NO的生成量增加；另一個(gè)是過多的CaO和CaS作為催化劑對(duì)燃煤中生成NO的貢獻(xiàn)大于其對(duì)還原性氣體還原NO的貢獻(xiàn)，所以，會(huì)使NOx生成量增加。為了保證脫硫效率，應(yīng)采用品質(zhì)較好的石灰石，同時(shí)控制石灰石粒度，保證最佳的Ca/S，減少富余CaO和CaS的生成。

5 創(chuàng)新方案實(shí)施

所謂創(chuàng)新就是在固有燃燒調(diào)整的基礎(chǔ)上增加新的有效的調(diào)整手段，通過原因分析有針對(duì)性的進(jìn)行運(yùn)行調(diào)整。

常規(guī)手段主要是根據(jù)現(xiàn)有運(yùn)行要求：通過值長(zhǎng)協(xié)調(diào)摻配煤比例，及時(shí)反饋配煤指標(biāo)變化，提前預(yù)判，合理調(diào)節(jié)一、二風(fēng)配比，適當(dāng)降低氧量，控制床溫?zé)煖氐淖兓瑴p少系統(tǒng)漏風(fēng)。

針對(duì)#24爐當(dāng)前運(yùn)行狀況我們提出四點(diǎn)創(chuàng)新調(diào)節(jié)手段。

5.1 調(diào)節(jié)兩級(jí)脫硫比例

根據(jù)配煤指標(biāo)變化，尤其是揮發(fā)分、硫分變化較大時(shí)，適當(dāng)調(diào)節(jié)兩級(jí)脫硫比例。

根據(jù)圖1中石灰石用量與尿素溶液用量之間的關(guān)系，針對(duì)煤質(zhì)當(dāng)中揮發(fā)分對(duì)NOx排放的影響我們得出：（1）煤質(zhì)當(dāng)中揮發(fā)分≤28%時(shí)，正?？刂棋仩t出口二氧化硫排放值控制在800-900mg/m3。（2）煤質(zhì)當(dāng)中揮發(fā)分>28%時(shí)，適當(dāng)提高濕法脫硫出力，降低本爐脫硫出力，二氧化硫排放至控制在900-1000mg/m3。（3）煤質(zhì)當(dāng)中揮發(fā)分>35%時(shí)，進(jìn)一步提高濕法脫硫出力，二氧化硫排放至控制在1000-1100mg/m3。

根據(jù)煤質(zhì)當(dāng)中揮發(fā)分含量對(duì)NOx排放的影響及時(shí)調(diào)節(jié)一、二次脫硫比例可以達(dá)到提高脫硝效率，降低系統(tǒng)尿素溶液用量，減少氨逃逸值的目的。

5.2 噴槍投入情況

因?yàn)槟壳?24爐運(yùn)行工況達(dá)不到原脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并且長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)返料有結(jié)塊現(xiàn)象，所以決定對(duì)噴槍的組合形式進(jìn)行試驗(yàn)。尿素噴槍不同組合投入。不同負(fù)荷下尿素噴槍不同組合方式，對(duì)氨逃逸及尿素流量的影響。

根據(jù)圖2、圖3、圖4所示實(shí)驗(yàn)結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)下層噴槍受水平煙道下部煙氣流速及積灰影響，降低了尿素對(duì)氮氧化物的還原效率，所以我們根據(jù)當(dāng)前設(shè)備具體運(yùn)行狀況對(duì)噴槍投入數(shù)量及組合情況進(jìn)行調(diào)整，以便達(dá)到更好的脫硝效果，投入上層和中上層噴槍尿素溶液使用量最少、脫硝效率最高、氨逃逸值最低。

5.3 調(diào)節(jié)稀釋水壓力

如圖2、圖3、圖4所示稀釋水壓力變化對(duì)脫硝的影響。在鍋爐負(fù)荷較低時(shí)，由于煙氣流速較低，尿素溶液和煙氣的混合相對(duì)較差，這時(shí)適當(dāng)提高稀釋水壓力，提高霧化效果，尿素溶液可以和煙氣更好的進(jìn)行混合，提高脫硝效率。但隨著鍋爐負(fù)荷升高，通過提高稀釋水壓力來提高脫硝效率的效果會(huì)越來越弱。所以綜合來看，在鍋爐負(fù)荷小于310t/h時(shí)，稀釋水壓力不低于0.7MPa，鍋爐負(fù)荷大于310t/h時(shí)，稀釋水壓力維持在0.5-0.7MPa之間。通過不同負(fù)荷時(shí)對(duì)稀釋水壓力的調(diào)整可以提高脫硝效率，降低尿素溶液用量和減少氨逃逸的排放。

5.4 優(yōu)化尿素溶液調(diào)整門自動(dòng)控制邏輯

原脫硝系統(tǒng)尿素溶液調(diào)整門自動(dòng)控制邏輯只有NOx排放測(cè)量值作為反饋信號(hào)，當(dāng)鍋爐負(fù)荷、氧量、煤量出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，PID調(diào)節(jié)時(shí)擾動(dòng)較大，調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)，穩(wěn)定性差。

綜合考慮，建議將鍋爐負(fù)荷、氧量、煤量等能影響NOx排放的因素作為前饋信號(hào)（直接反應(yīng)鍋爐燃燒變化）。將單臺(tái)爐NOx排放值和吸收塔出口NOx排放值對(duì)比，同時(shí)提高NOx測(cè)量?jī)x測(cè)量精度，降低故障率，減少對(duì)自動(dòng)調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)擾動(dòng)。此方案已和熱工車間共同提出并上報(bào)，等公司批準(zhǔn)后進(jìn)行技改。

現(xiàn)階段，主要是運(yùn)行人員要及時(shí)切為手動(dòng)進(jìn)行操作，尿素溶液用量波動(dòng)明顯減小，降低了尿素溶液用量，減少了氨逃逸的排放。

6 優(yōu)化調(diào)整后效果及對(duì)比

6.1 優(yōu)化調(diào)整后效果

6.2 效果對(duì)比

如圖5對(duì)比所示，對(duì)脫硝系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行優(yōu)化調(diào)整后2016年7-11月尿素溶液用量和氨逃逸值較2016年1-5月有了顯著的降低，尿素用量較1-5月份減少0.082kg/t，降幅為42.7%；氨逃逸超標(biāo)時(shí)間較1-5月份減少4.14h/天，降幅為90.6%，氨逃逸超標(biāo)次數(shù)較1-5月份減少0.5次/天，降幅為71.4%。大大的降低了尿素投入成本以及減小了氨逃逸方面的環(huán)保壓力。

7 效益分析

7.1 經(jīng)濟(jì)效益及計(jì)算依據(jù)〔單位：萬元（人民幣）〕

#24爐的尿素節(jié)約量：（0.192-0.11）*1071355/1000=87.85噸。按每噸尿素1700元計(jì)算，7-11月運(yùn)行優(yōu)化后節(jié)約成本約為14.93萬元。

7.2 安全效益

尿素溶液使用量的降低，減少了鍋爐尾部受熱面積灰，使排煙溫度有所下降，鍋爐運(yùn)行潛在的尾部受熱面泄露、布袋除塵器損壞等問題得到有效控制，為機(jī)組的安全運(yùn)行提供了可靠保證。

7.3 社會(huì)效益

在此次優(yōu)化調(diào)整中，青年員工積極參與，充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性，解決了生產(chǎn)實(shí)際問題，激發(fā)了他們創(chuàng)新創(chuàng)效活力，相關(guān)技能水平得到提高，鍛煉了青年員工解決技術(shù)問題的能力，為公司技術(shù)人才的培育奠定了基礎(chǔ)；同時(shí)，大家意識(shí)到在運(yùn)行調(diào)整控制方面還有很大的拓展空間，良好的活動(dòng)氛圍為班組今后的創(chuàng)新創(chuàng)效活動(dòng)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為公司提效增盈，安全生產(chǎn)提供了有力保證。

7.4 環(huán)境效益

此次優(yōu)化調(diào)整，確保鍋爐煙氣氮氧化物達(dá)標(biāo)排放，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組的超低排放；同時(shí)尿素溶液投入量的降低，減少了環(huán)保投入成本，氨逃逸值也因?yàn)閮?yōu)化調(diào)整有了顯著的下降，減少了刺激性氣體（NH3）的排放，為公司節(jié)能減排工作做出了相應(yīng)的貢獻(xiàn)和提供了有力保障。

8 創(chuàng)新性及推廣前景

本次脫硝系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化緊緊圍繞清潔生產(chǎn)和污染物生產(chǎn)過程控制的理念，從氮氧化物的產(chǎn)生原理入手，達(dá)到了降低尿素溶液用量的目標(biāo)。

脫硝系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化調(diào)整方案有較強(qiáng)的可操作性和推廣性，我廠八期四臺(tái)同類型鍋爐均根據(jù)此優(yōu)化調(diào)整方案進(jìn)行具體實(shí)施，且效果顯著。此優(yōu)化調(diào)整方案在全國(guó)范圍內(nèi)大型CFB鍋爐中有著很高的借鑒意義，均可根據(jù)各自燃燒特性進(jìn)行運(yùn)行優(yōu)化調(diào)整，降低尿素溶液消耗量。為公司的提質(zhì)增效和節(jié)能降耗提供技術(shù)保障！

（注：此論文為產(chǎn)學(xué)研合作大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目研究成果）

作者簡(jiǎn)介：

李季（1980-），男，助理工程師，主要從事電廠鍋爐運(yùn)行工作；劉澤斌（1999-），男，北京師范大學(xué)第二附屬中學(xué)。