選擇性非催化還原脫硝技術(shù)在W型鍋爐的應(yīng)用

張纏保

（山西華仁通電力科技有限公司，太原 030000）

前言

山西陽(yáng)城電廠總裝機(jī)容量3300MW，共8臺(tái)機(jī)組。其中一期陽(yáng)城國(guó)際發(fā)電有限責(zé)任公司建設(shè)規(guī)模6×350MW亞臨界W型火焰鍋爐燃煤發(fā)電機(jī)組，鍋爐及汽輪發(fā)電機(jī)組分別采用美國(guó)福斯特·惠勒能源公司（FWEC）和德國(guó)西門子公司的產(chǎn)品，6臺(tái)機(jī)組于2001年1月至2002年7月相繼投入運(yùn)行；二期大唐陽(yáng)城發(fā)電有限責(zé)任公司建設(shè)規(guī)模2×600MW亞臨界W型火焰鍋爐燃煤發(fā)電機(jī)組，鍋爐及汽輪發(fā)電機(jī)組分別采用哈爾濱鍋爐廠和東方汽機(jī)廠的產(chǎn)品，2臺(tái)機(jī)組分別于2007年8月和9月投入運(yùn)行。

W型火焰鍋爐主要燃用無(wú)煙煤，燃燒區(qū)域溫度高達(dá)1400℃，沿寬度方向的爐溫偏差大，導(dǎo)致NOx初始生成量最高可達(dá)2100mg/Nm3，平均濃度在1500mg/Nm3左右，且爐膛界面分布不均勻。僅靠SCR（Selective Catalytic Reduction 選擇性催化還原法），很難實(shí)現(xiàn)NOx超低排放（≤50mg/Nm3）。即使通過(guò)大量噴氨，階段性實(shí)現(xiàn)超低排放，也會(huì)導(dǎo)致氨逃逸加劇，二次污染嚴(yán)重，空預(yù)器堵塞，煙道腐蝕[1]。長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)滑出正常工作區(qū)域，風(fēng)機(jī)效率降低，并帶來(lái)其他嚴(yán)重后果。

陽(yáng)城電廠通過(guò)摻燒煙煤，能將鍋爐出口NOx濃度控制在約1000mg/Nm3。2012年該電廠陸續(xù)對(duì)6臺(tái)機(jī)組進(jìn)行了SCR脫硝工程改造，使NOx排放濃度控制在160mg/Nm3左右，滿足《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13223—2011）標(biāo)準(zhǔn)限值要求，但無(wú)法滿足山西省的超低排放標(biāo)準(zhǔn)（≤50mg/Nm3）。雖然低氮燃燒技術(shù)也可以降低鍋爐出口NOx濃度，但效果有限，且降低鍋爐效率1%以上，不能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)燃高效的目標(biāo)[2]。

本文主要針對(duì)高效SNCR（Selective Non-Catalytic Reduction選擇性非催化還原）的工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)及組成進(jìn)行闡述，對(duì)其運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，論證該系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定性能[3、4]。將該系統(tǒng)與SCR結(jié)合的聯(lián)合脫硝工藝路線，在滿足W型火焰鍋爐超低排放的同時(shí)，保證整個(gè)脫硝系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)全鍋爐負(fù)荷運(yùn)行、靈活的調(diào)整方式、穩(wěn)定的脫硝效率和可優(yōu)化的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式，為W型爐火焰鍋爐實(shí)現(xiàn)NOx的超低排放提供了一種新的技術(shù)路線。

1 工藝系統(tǒng)

1.1 工藝系統(tǒng)描述

高效SNCR脫硝技術(shù)以爐膛為反應(yīng)器，將40%尿素溶液作為還原劑，經(jīng)稀釋噴入爐膛溫度為850℃～1100℃的區(qū)域，還原劑迅速熱解成NH3，與煙氣中的NOx反應(yīng)生成N2和水。

高效SNCR系統(tǒng)耦合了精確可靠的溫度場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)，結(jié)合鍋爐負(fù)荷、煙氣流量、總排口NOx濃度等參數(shù)，控制制備輸送單元，計(jì)量混合、分配單元的運(yùn)行情況及不同區(qū)域、不同組合噴射單元的投退情況，實(shí)現(xiàn)SNCR系統(tǒng)對(duì)鍋爐負(fù)荷、爐膛截面溫度及同一截面溫度偏差變化的跟隨，保證將還原劑噴入最佳溫度窗口范圍內(nèi)，最終達(dá)到SNCR脫硝系統(tǒng)的高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。

1.1.1 SNCR技術(shù)原理

在850℃～1100℃范圍內(nèi)，尿素還原NOx的主要反應(yīng)為：

式中，尿素為還原劑。

1.1.2 SNCR系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)由五個(gè)單元組成，分別為全自動(dòng)控制單元、溫度場(chǎng)檢測(cè)單元、尿素溶液制備輸送單元，SNCR精確計(jì)量混合分配單元、多區(qū)域組合靈活性噴射單元。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 SNCR系統(tǒng)組成圖

1.1.3 SNCR煙氣脫硝流程（圖2）

1.2 SNCR工藝設(shè)計(jì)

本工程單元機(jī)組SNCR脫硝系統(tǒng)，根據(jù)各臺(tái)機(jī)組爐膛內(nèi)部的實(shí)際情況，分別在不同標(biāo)高布置噴射系統(tǒng)：設(shè)計(jì)6組計(jì)量與混合模塊，54個(gè)噴射器。其中后墻布置2層×9個(gè)噴射器，前墻布置4層×9個(gè)噴射器。尿素溶解系統(tǒng)全廠集中布置，在1號(hào)爐旁邊布置尿素溶液儲(chǔ)罐。

圖2 SNCR煙氣脫硝流程圖

1.3 尿素溶解系統(tǒng)

全廠共設(shè)計(jì)了3套溶解系統(tǒng)，母管制，供8臺(tái)機(jī)組共用。1～6號(hào)機(jī)組每單元（2臺(tái)機(jī)組一個(gè)單元）設(shè)計(jì)安裝1個(gè)稀釋水罐，2臺(tái)機(jī)組公用。每臺(tái)機(jī)組設(shè)計(jì)安裝1個(gè)尿素溶液存儲(chǔ)罐，配套安裝2臺(tái)尿素溶液循環(huán)泵。SNCR脫硝系統(tǒng)所需的濃度為40%尿素溶液。

1.4 尿素溶液存儲(chǔ)系統(tǒng)

通過(guò)2臺(tái)輸送泵把尿素溶液從溶解罐轉(zhuǎn)移到儲(chǔ)存罐。在尿素溶液儲(chǔ)存罐上設(shè)置液位聯(lián)鎖，以避免存儲(chǔ)罐溢流。當(dāng)存儲(chǔ)罐達(dá)到最高液位時(shí)，閥門自動(dòng)關(guān)閉。

1.5 尿素溶液計(jì)量與混合分配系統(tǒng)

在計(jì)量與混合模塊中，尿素溶液和稀釋水混合，并分成若干等份。計(jì)量與混合分配系統(tǒng)包括所有用于制作尿素溶液與水的稀釋液的儀器、分配液體的儀器以及把空氣壓縮到噴射位置的儀器。流量計(jì)監(jiān)測(cè)每個(gè)管線噴射器的流量?；旌吓c分配柜控制霧化液體的壓縮空氣以及控制閥的操作。所有的測(cè)量、控制設(shè)備及閥門操作裝置都安裝在封閉的操作柜里。閥門均勻地把混合液體分配到每一個(gè)噴槍的噴嘴。為避免噴槍噴嘴的堵塞，混合用稀釋水進(jìn)入系統(tǒng)前通過(guò)管道過(guò)濾器過(guò)濾。SNCR系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝6組計(jì)量與混合模塊，每組4套模塊控制柜，共24套。

1.6 自動(dòng)噴射系統(tǒng)

稀釋后的尿素溶液通過(guò)霧化噴嘴，分布在燃燒室的截面上。噴槍（壁噴射器）的安裝方式與之相似，從而保證了NOx與還原劑處于最佳的反應(yīng)溫度。噴嘴噴出霧滴狀還原劑，使之與煙氣能均勻混合。

SNCR噴射系統(tǒng)在爐膛內(nèi)部分別在4個(gè)標(biāo)高布置。根據(jù)鍋爐負(fù)荷和鍋爐爐膛內(nèi)的煙氣溫度，噴射器投入數(shù)量和溶液濃度可自動(dòng)調(diào)整，以保證SNCR系統(tǒng)達(dá)到最佳效率。

1.7 全自動(dòng)控制系統(tǒng)

通過(guò)NOx分析系統(tǒng)發(fā)出的信號(hào)等確定尿素溶液的噴射量。尿素溶液的噴射量由NOx控制器的輸出量確定。NOx控制器的輸入值來(lái)源于機(jī)組CMES的NOx值。每個(gè)噴嘴組的尿素溶液的流量都單獨(dú)控制?；旌弦航?jīng)流噴射器組的分配情況與燃燒室內(nèi)測(cè)量煙氣溫度分布情況保持一致。根據(jù)溫度測(cè)量系統(tǒng)，高溫計(jì)測(cè)得截面煙氣溫度，并進(jìn)一步?jīng)Q定噴射級(jí)別的選擇。全自動(dòng)控制系統(tǒng)控制原理如圖3所示。

圖3 全自動(dòng)控制系統(tǒng)控制原理圖

1.8 爐膛溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

采用分層設(shè)計(jì)布置的12套輻射型高溫計(jì)，通過(guò)檢測(cè)殘余碳/顆粒和二氧化碳的輻射量來(lái)測(cè)量煙氣溫度，可測(cè)溫度范圍為750℃～2000℃。對(duì)SNCR脫硝過(guò)程的效率來(lái)說(shuō)，溫度的范圍非常重要。因此，尿素溶液必須注入到鍋爐最佳反應(yīng)溫度區(qū)內(nèi)，而這可通過(guò)測(cè)溫系統(tǒng)的高溫計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

噴槍按組排列，每一組與一個(gè)溫度確定區(qū)域相關(guān)。通過(guò)切換合適的噴槍組進(jìn)行工作或根據(jù)溫度范圍來(lái)控制投退，從而實(shí)現(xiàn)SNCR系統(tǒng)控制的優(yōu)化。FTD-2D爐膛溫度測(cè)量系統(tǒng)監(jiān)控圖見圖4。

圖4 FTD-2D爐膛溫度測(cè)量系統(tǒng)監(jiān)控圖

2 工程實(shí)施及測(cè)試結(jié)果

2.1 工程實(shí)施

2016年10月開始對(duì)1號(hào)機(jī)組SNCR系統(tǒng)進(jìn)行安裝，并于2016年11月底完成了1號(hào)機(jī)組SNCR+SCR系統(tǒng)的調(diào)試，12月完成168h試運(yùn)行并正式移交生產(chǎn)。

2.2 運(yùn)行數(shù)據(jù)

2.2.1 性能測(cè)試數(shù)據(jù)

1號(hào)機(jī)組的性能測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 1號(hào)機(jī)組性能測(cè)試數(shù)據(jù)

由表1可知，在215～340MW負(fù)荷范圍內(nèi)，高效SNCR系統(tǒng)均能實(shí)現(xiàn)50%以上的脫硝效率，且隨著鍋爐負(fù)荷的降低脫硝效率有升高趨勢(shì)，當(dāng)負(fù)荷降到215MW時(shí)，能實(shí)現(xiàn)約80%的脫硝效率。造成這種情況的原因可能有以下幾種：1）高負(fù)荷下的爐溫過(guò)高，滑出最佳SNCR反應(yīng)溫度窗口，而隨著負(fù)荷的降低，噴槍安裝區(qū)間溫度逐漸落入最佳脫硝反應(yīng)溫度窗口，導(dǎo)致反應(yīng)效率的提高；2）高負(fù)荷下煙溫高、煙氣流速大，液滴蒸發(fā)速度變得更快，還原劑穿透性下降，與煙氣的混合效果變差；同時(shí)，煙氣流速高，導(dǎo)致煙氣在脫硝區(qū)間的停留時(shí)間更短，最終導(dǎo)致脫硝效率下降。

2.2.2 實(shí)際運(yùn)行工況下的數(shù)據(jù)

在330MW運(yùn)行工況下，SNCR投運(yùn)前后A、B兩側(cè)SCR入口NOx的數(shù)值對(duì)比見表2。

表2 330MW運(yùn)行工況數(shù)值

表2的運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，在330MW工況下，當(dāng)高效SNCR系統(tǒng)40%尿素溶液用量降低至902kg/h時(shí)，依然可實(shí)現(xiàn)31%的脫硝效率。當(dāng)初始生成量降低至724mg/Nm3以下時(shí)，高效SNCR系統(tǒng)將SNCR出口NOx濃度穩(wěn)定控制在500mg/Nm3以下，實(shí)現(xiàn)超低排放的同時(shí)，控制SCR出力在合理范圍，降低氨逃逸，減緩空預(yù)器的堵塞及煙道的腐蝕。

2.2.3 初始NOx生成量遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值工況下運(yùn)行數(shù)據(jù)

在340MW運(yùn)行工況下，當(dāng)初始NOx生成量超過(guò)設(shè)計(jì)值時(shí)，SNCR投運(yùn)前后A、B兩側(cè)SCR入口NOx的數(shù)值對(duì)比見表3。

表3 340MW運(yùn)行工況數(shù)值

表3的數(shù)據(jù)表明，初始NOx生成量在超過(guò)設(shè)計(jì)值1000mg/Nm3的工況下，高效SNCR脫硝效率依然能達(dá)到54.2%，可以保障SNCR出口（SCR入口）煙氣NOx濃度小于565mg/Nm3。

3 結(jié)論

（1）脫硝各項(xiàng)指標(biāo)處于國(guó)際領(lǐng)先水平，高效SNCR的脫硝效率達(dá)50%以上，在初始設(shè)計(jì)值1000mg/Nm3以下時(shí)，可保證SCR入口NOx濃度控制在500mg/Nm3以下。SCR脫硝技術(shù)實(shí)現(xiàn)90%的脫硝效率，表明高效SNCR結(jié)合SCR可以實(shí)現(xiàn)超低排放（總排口NOx濃度＜50mg/Nm3），為W型火焰鍋爐NOx超低排放提供了新的技術(shù)路線，可避免因低氮燃燒改造造成的鍋爐效率降低、水冷壁腐蝕等問題。

（2）通過(guò)配煤燃燒，系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行工況下，原始生成量約為700mg/Nm3，保證30%左右的脫硝效率即可滿足SNCR出口NOx低于500mg/Nm3，此時(shí)SNCR尿素溶液耗量控制在900kg/h左右，高效SNCR可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)脫硝。

（3）在高、低負(fù)荷不變的工況以及高向低、低向高負(fù)荷轉(zhuǎn)化的變負(fù)荷工況下，該脫硝系統(tǒng)均能穩(wěn)定運(yùn)行，且各項(xiàng)參數(shù)均能滿足設(shè)計(jì)要求。

綜上，高效SNCR系統(tǒng)可在原始生成量遠(yuǎn)大于1000mg/Nm3，達(dá)到1200～1300mg/Nm3時(shí)，實(shí)現(xiàn)約55%的脫硝效率；原始生成量在700mg/Nm3時(shí)，可實(shí)現(xiàn)40%尿素溶液耗量在900kg/h，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)脫硝；在高負(fù)荷、低負(fù)荷、變負(fù)荷工況下，高效SNCR脫硝系統(tǒng)均能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。