煤粉鍋爐低氮燃燒及SNCR聯(lián)合脫硝技術(shù)研究

張 攀范祥子

(煤科集團杭州環(huán)保研究院有限公司,浙江杭州 311200)

0 引 言

NOx是大氣主要污染物之一,其與碳氫化合物在強光下易造成光化學(xué)污染;NOx還是酸雨、臭氧、灰霾等污染形成的主要因素,對人類健康和生存環(huán)境造成嚴重危害。為貫徹落實GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》,2003年12月31日前建成投產(chǎn)的煤粉爐NOx排放質(zhì)量濃度必須低于200 mg/Nm3,之后建成的煤粉鍋爐NOx排放質(zhì)量濃度必須低于100 mg/Nm3。目前早期建成的煤粉鍋爐NOx產(chǎn)生濃度在500～800 mg/Nm3,環(huán)保改造勢在必行。

燃煤電廠的NOx控制技術(shù),根據(jù)其在燃煤過程中所處的位置可分為3類:燃燒前控制技術(shù)、燃燒中控制技術(shù)和燃燒后控制技術(shù)。①燃燒前控制技術(shù)是降低燃料中的氮含量,如采用選煤、配煤等方法減少煤中氮含量,該技術(shù)投資和運行費用一般較高,而且對熱力型NOx無明顯效果,應(yīng)用有限[1]。②燃燒中控制技術(shù)是指改進燃燒系統(tǒng)減少NOx的生成量,即低氮燃燒技術(shù),但脫硝效率只有40%左右。在鋼鐵廠等具有焦爐煤氣氣源的情況下,可以采用氣體再燃技術(shù)降低NOx原始排放,但對鍋爐的運行造成一定影響,例如導(dǎo)致爐膛內(nèi)局部還原性氣氛增強,影響灰渣的結(jié)渣,使SO2還原生成腐蝕性的H2S,影響水冷壁壽命[2]。③燃燒后控制技術(shù)是采用非燃燒的方法把煙氣中已經(jīng)生成的NOx還原成N2。燃燒后控制技術(shù)主要有選擇性催化還原法(SCR)[3]、選擇性非催化還原法(SNCR)、SNCR+SCR聯(lián)合脫硝[4]和氧化脫硝[5]等;其中SCR技術(shù)脫除效率最高(＞90%),但需要安裝催化劑,占地大,改造投入高,且SCR脫硝裝置催化劑運行有嚴格的溫度范圍,偏離該范圍不能投運。因此,必須對現(xiàn)有機組進行技改,以提高低負荷時SCR脫硝裝置進口煙溫,滿足SCR脫硝裝置運行的最低溫度限值[6]。此外,SCR催化劑對使用工況較為嚴格,遇到高溫、高灰、高鈣的工況會出現(xiàn)催化劑燒結(jié)、堵塞、失活的現(xiàn)象[7]。SNCR技術(shù)工藝簡單,在循環(huán)流化床鍋爐上應(yīng)用良好,但應(yīng)用于煤粉鍋爐上脫硝效率較低,只有30% ～50%。呂洪坤等[8]研究提出,高負荷條件下SNCR脫硝效果較差,吸收劑難以均布在爐膛截面。

煤粉爐的燃燒溫度一般為1 200～1 500℃,由于爐內(nèi)燃燒溫度過高,導(dǎo)致NOx排放濃度較高,為500～800 mg/Nm3。煤粉爐內(nèi)水冷壁的爐墻圍成一個較大空間即為爐膛,爐膛尺寸大,SNCR噴出的溶液很難深入到爐膛中心,無法均勻覆蓋整個爐膛截面。與循環(huán)流化床鍋爐相比,煤粉鍋爐的出口沒有旋風分離器,難以實現(xiàn)煙氣和氨氣的良好混合。對于環(huán)保標準出臺以前建造的鍋爐,設(shè)計時未預(yù)留脫硝改造的位置,改造難度大。目前新建的煤粉爐多采用低氮燃燒+SCR工藝,效率可達90%;但對年代久遠的鍋爐采用SCR難度較大,因SCR占地空間大,需要布置在尾部煙道與布袋除塵器之間,很多電廠不具備這樣的條件。針對各種脫硝技術(shù)或者組合工藝技術(shù),脫硝路線的選擇綜合考慮了鍋爐現(xiàn)狀、要求目標、經(jīng)濟效益等多方面的因素。首先選擇低氮燃燒工藝投資成本低、且后期運行成本較低,脫硝效率在40%左右,為后期SNCR的脫硝打好基礎(chǔ)。同時鍋爐燃燒后選用SNCR工藝,工藝簡單,不改變鍋爐結(jié)構(gòu),脫硝效率可以達到30% ～50%,不增加鍋爐阻力,不需要安裝脫硝反應(yīng)器。燃燒過程脫硝最基本的思想是使爐內(nèi)形成一個缺氧富燃料區(qū)域和一個富氧低燃料區(qū)域[9]。在缺氧富燃料區(qū),因為缺氧火焰溫度較低,熱力型NOx的生成就少,而且燃料熱解產(chǎn)生的還原性物質(zhì)能將燃料型的NOx還原。在富氧區(qū),因為空氣量很大,同樣火焰溫度不高,熱力型生成量減小[10]。

SNCR的工藝流程如圖1所示。SNCR工藝是一個燃燒后的脫硝過程,通過在鍋爐中噴入適量的尿素/氨水等脫硝還原劑去除NOx。脫硝還原劑噴入爐膛溫度為850～1 250℃的區(qū)域,無催化劑作用下,NH3或尿素等氨基還原劑可選擇性地還原煙氣中的NOx[11],反應(yīng)公式為

圖1 SNCR工藝流程Fig.1 Process of SNCR

1 系統(tǒng)脫硝的工藝設(shè)計

1.1 設(shè)計參數(shù)

以包鋼熱電廠130 t/h煤粉鍋爐脫硝工程為例說明“低氮燃燒+SNCR”聯(lián)合脫硝工藝在煤粉鍋爐的應(yīng)用。包鋼熱電廠1號鍋爐是WGZ-130/39-1型煤粉爐,由武漢鍋爐廠設(shè)計制造,中溫中壓、自然循環(huán)、四角切向燃燒,鍋爐整體采用“∏”型布置;制粉系統(tǒng)為鋼球磨中儲倉熱風送粉系統(tǒng)。改造前NOx排放質(zhì)量濃度為500～600 mg/Nm3。改造目標:在100%負荷不投用SNCR的情況下,NOx排放質(zhì)量濃度≤380 mg/Nm3(干基、6%O2);投入 SNCR時,出口NOx質(zhì)量濃度≤180 mg/Nm3(設(shè)計值);氨的逃逸＜10×10-6。

1.2 改造難點

首先煤粉爐的燃燒溫度達1 300℃,鍋爐改造前NOx排放濃度較高,為500～600 mg/Nm3;其次本項目鍋爐爐膛尺寸為6.2 m×7 m,SNCR噴出的噴槍很難深入到爐膛中心,均勻覆蓋整個爐膛截面;與循環(huán)流化床鍋爐相比,煤粉鍋爐的出口沒有旋風分離器,難以實現(xiàn)煙氣和氨氣的良好混合[12];鍋爐設(shè)計時未預(yù)留脫硝改造的位置,鍋爐尾部受熱面與布袋除塵器距離近,使得脫硝反應(yīng)器無法布置;本項目鍋爐引風機選型余量不大,正常運行時引風機前擋板開度在70%左右,脫硝系統(tǒng)的改造阻力不能增加很多。

1.3 脫硝技術(shù)路線的選擇

經(jīng)過對鍋爐的現(xiàn)狀(燃料特性、NOx濃度、煙氣特性、引風機、爐膛溫度場、場地空間)充分評估,最終選擇了“低氮燃燒+SNCR”的脫硝工藝路線,還原劑選用尿素。

1.4 低氮燃燒設(shè)計及選型

1)低氮燃燒改造措施

為了改善爐內(nèi)煙氣的混合,強化煤粉在主燃燒區(qū)的燃盡,在確保鍋爐安全、穩(wěn)定運行的前提下進行低氮改造。改造后的主燃燒器如圖2所示。主燃燒器更換,高爐煤氣和焦爐煤氣噴口不變,主燃燒器的標高降低,改造后主燃燒器區(qū)域噴口布置從下到上為2-1-3-1-2。

圖2 主燃燒器布置Fig.2 Layout of main burner

2)SOFA燃盡風

在主燃燒上部增加2層燃盡風。燃盡風噴口與燃燒器的距離決定了煙氣在還原區(qū)域內(nèi)的停留時間與燃盡時間。還原氣氛程度越深,停留時間越長,越有利于控制NOx的生成和煤粉的充分燃燒[13]。改造在主燃燒器上部布置了2層燃盡風,燃盡風布置在約13.5 m標高;2層燃盡風共8只噴口,燃盡風噴口在鍋爐四角水冷壁讓管。每層均等配風,燃盡風量占總空氣量約24%,燃盡風噴口風速約45 m/s。改造中燃盡風噴口可以實現(xiàn)垂直20°的擺動,擺動為手動控制。通過燃盡風的補充,增強爐內(nèi)氣流擾動,促進未燃盡碳的燃燒。

1.5 SNCR設(shè)計及選型

SNCR技術(shù)關(guān)鍵在于爐膛溫度區(qū)域的選擇,其最佳反應(yīng)溫度在850～1 100℃,并保證足夠的噴槍數(shù)量、均勻的混合、足夠的停留反應(yīng)時間、尿素噴射深度和與煙氣混合的均勻度,其決定了SNCR的最終效果。由于受負荷、煤種、燃燒方式的變化,爐膛溫度場也隨之變化,因此在布置噴槍時采用多層布置,上下交錯覆蓋截面,以便運行時進行調(diào)整,使SNCR能夠適應(yīng)不同的負荷工況。

經(jīng)過測量鍋爐爐膛溫度場,設(shè)置3層噴射區(qū)(A、B、C區(qū))(圖3)。均布置墻式噴射器組件。每臺爐各設(shè)置3層噴射層。通過切換不同層的噴槍,減少不同負荷下煙氣溫度變化對脫硝效率的影響。

圖3 噴槍立面布置Fig.3 Facade layout of spray gun

噴槍多層布置(圖4),上下錯落,可以適應(yīng)不同的負荷工況,使得還原劑與煙氣的混合更加均勻。選用尿素作還原劑,不易燃燒和爆炸,無色無味,運輸、儲存、使用比較簡單安全,對場地小的電廠有優(yōu)勢;揮發(fā)性比氨水小,在爐膛中的穿透性好;效果相對較好,比較適合于煤粉鍋爐設(shè)備的 SNCR脫硝工藝。噴槍選用大流量單孔噴嘴,流量達到110 L/h,單孔噴槍噴出的溶液顆粒更大,在爐膛中穿透時可以有更長的停留時間,更有利于將尿素噴射到爐膛的中心區(qū)域。

圖4 噴槍平面布置Fig.4 Plane layout of spray gun

2 脫硝系統(tǒng)運行調(diào)試優(yōu)化

運行調(diào)試自2016-11-26 T 9:00—2016-11-29 T 9:00,分別進行 85(65%)、110(85%)、130(100%)t/h負荷的12個工況運行調(diào)試,得到了單磨、雙磨、高煤投用及各種負荷、各種氧含量運行時的運行方案及改造效果。

2.1 低氮燃燒系統(tǒng)調(diào)試

低氮燃燒技術(shù)實施改造后,鍋爐NOx原始濃度顯著降低,經(jīng)過合理調(diào)整,各負荷都能夠在設(shè)計的鍋爐效率及固體未完全燃燒損失下達到＜380 mg/Nm3排放量,某些工況甚至達到＜250 mg/Nm3。結(jié)果見表1。

表1 NOx控制結(jié)果Table 1 Results of NOxcontrol

正常情況下的低氮燃燒原理:鍋爐負荷越高NOx排放越高,負荷越低NOx排放越低,根據(jù)此原理及滿調(diào)試結(jié)果可判斷:中低負荷的NOx控制還有很大的潛力空間,之所以沒有進一步降低,是因為爐膛及制粉系統(tǒng)尤其是爐底漏風嚴重,運行氧含量很大,調(diào)試初期運行氧含量達11%以上,經(jīng)過局部堵漏處理,運行氧含量下降至9%左右,NOx質(zhì)量濃度相比調(diào)試初期下降100 mg/Nm3以上,效果明顯,但漏風點很多沒有封堵,現(xiàn)階段9%運行氧含量仍偏大,抑制了NOx進一步降低。

2.2 SNCR系統(tǒng)運行調(diào)試

1)130 t/h負荷運行調(diào)試

調(diào)試主要包括單雙磨運行調(diào)試、ABC層噴槍投運調(diào)試和壓縮空氣壓力調(diào)試,調(diào)試結(jié)果見表2。

投用高爐煤氣,氧含量從6%降到5.1%,NOx質(zhì)量濃度從168 mg/Nm3降至154 mg/Nm3。未投尿素時,從雙磨調(diào)整為單磨運行,NOx質(zhì)量濃度從275 mg/Nm3降至230 mg/Nm3。因而氧含量的波動對實際工程項目一般影響不大。投用尿素后,在設(shè)計尿素投用量下,脫硝出口NOx達標,無氨逃逸。負荷在130 t/h,投用ABC層噴槍,效果好于BC層、AB層噴槍。尿素為還原劑時溫度窗口855～1 055℃。高負荷下,A層噴槍位置煙溫過高,BC兩層溫度在1 055℃以下,反應(yīng)溫度較為適合。分配柜內(nèi)調(diào)節(jié)壓縮空氣在0.1～0.2 MPa,脫硝效果較好。噴嘴的流量特性依然滿足普遍的變化規(guī)律,即當液壓一定時,噴嘴流量、噴射距離和霧化角隨氣壓的降低而增大。壓縮空氣壓力低時,還原劑液滴的粒徑大,有利于增長反應(yīng)時間,使還原劑更好地深入爐膛中心。較大的流量和較大顆粒的液滴有利于還原劑均勻覆蓋整個爐膛截面。

2)110 t/h負荷運行調(diào)試

110 t/h負荷運行調(diào)試結(jié)果見表3。單雙磨運行調(diào)試:未投尿素情況下,未投用高爐煤氣,單磨運行時NOx質(zhì)量濃度為325 mg/Nm3,雙磨運行時為360 mg/Nm3,氧含量從7.4%增至 7.9%;投用尿素后,在設(shè)計尿素投用量下,脫硝出口NOx質(zhì)量濃度穩(wěn)定達標,無氨逃逸。分配柜內(nèi)調(diào)節(jié)壓縮空氣為0.1 MPa時,出口 NOx質(zhì)量濃度為166 mg/Nm3;壓縮空氣調(diào)至 0.3 MPa時,出口 NOx質(zhì)量濃度為200 mg/Nm3,因此壓縮空氣調(diào)節(jié)至0.1 MPa,脫硝效率更高。

表2 130 t/h負荷調(diào)試數(shù)據(jù)Table 2 Debug data in 130 t/h

表3 110 t/h負荷調(diào)試數(shù)據(jù)Table 3 Debug data in 110 t/h

3)85 t/h負荷運行調(diào)試

85 t/h負荷運行調(diào)試結(jié)果見表4。高爐煤氣投用調(diào)試:投用高爐煤氣時,氧含量從10.7%降低到9.6%,NOx質(zhì)量濃度從 234 mg/Nm3降至128 mg/Nm3;投用AB層噴槍,投用少量尿素時,出現(xiàn)氨逃逸。增加尿素投用量,NOx質(zhì)量濃度在維持160 mg/Nm3左右,但氨逃逸增加很快;投用A層噴槍,在NOx下降的同時,氨逃逸也隨之下降。穩(wěn)定后NOx質(zhì)量濃度為155 mg/Nm3,氨逃逸為4.4×10-6。由于負荷的下降,鍋爐的煙氣量也隨之減少,煙氣量的減少使得煙氣向上的速度也下降,在合適溫度區(qū)域的還原劑的停留時間增加,還原劑與煙氣之間的混合變好,從而提高了脫硝效率。分配柜內(nèi)調(diào)節(jié)壓縮空氣調(diào)節(jié)為0.2 MPa時,出口NOx質(zhì)量濃度為166 mg/Nm3,低于壓縮空氣在0.3 MPa時的出口NOx質(zhì)量濃度。

表4 85 t/h負荷調(diào)試數(shù)據(jù)Table 4 Debug data in 85 t/h

3 結(jié) 論

1)從實際工程運行效果看,“低氮燃燒+SNCR”聯(lián)合脫硝技術(shù)綜合脫硝率大于70%,NOx排放濃度小于180 mg/Nm3(6%O2,干基),解決了單獨使用低氮燃燒或SNCR脫硝效率不高的問題,適應(yīng)了環(huán)保要求。

2)鍋爐高負荷時投用3層噴槍,效果好于單獨1層或2層噴槍。鍋爐低負荷下,投用最下層噴槍效率最高,而投用上層噴槍,會產(chǎn)生較多氨逃逸。

3)對于煤粉爐脫硝,噴槍壓縮空氣調(diào)節(jié)在0.1～0.2 MPa,脫硝效率更高。較大的流量和較大顆粒的液滴有利于還原劑均勻覆蓋整個爐膛截面。

4)噴槍多層布置,上下錯落,噴嘴選用大流量單孔噴嘴,可以適應(yīng)不同的負荷工況,使得還原劑與煙氣的混合更加均勻。

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