張偉強(qiáng),劉冠杰,張 慶,郭 濤
(1.中國華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司,北京 100098;2.北京市低質(zhì)燃料高效清潔利用工程技術(shù)研究中心,北京 100098;3.煤基清潔能源國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100098)
循環(huán)流化床(CFB)鍋爐具有熱效率較高、燃燒強(qiáng)度大、負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍廣、燃料適應(yīng)性好、調(diào)峰性能好等優(yōu)點(diǎn),非常適合于我國褐煤、煤泥、煤矸石的燃燒發(fā)電,近二十多年里在我國各個(gè)行業(yè)中得到了迅速的發(fā)展和推廣[1]。截至2016年底,我國已投運(yùn)的CFB鍋爐已超過4 000臺(tái),累計(jì)總?cè)萘窟_(dá)1 000 GW,占全國燃煤發(fā)電機(jī)組總?cè)萘康?2.1%[2]。
近些年來,隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人民群眾對(duì)于生活環(huán)境質(zhì)量的要求愈來愈高,我國所面臨的環(huán)境保護(hù)、節(jié)能減排的壓力逐年增大。為積極響應(yīng)習(xí)近平主席提出的“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展號(hào)召,2014年起,煤電行業(yè)率先推進(jìn)了二氧化硫不超過35 mg/m3、氮氧化物不超過50 mg/m3、煙塵不超過5 mg/m3的超低排放改造計(jì)劃[3]。2015年12月2日,國務(wù)院常務(wù)會(huì)議決定,在2020年前,對(duì)燃煤機(jī)組全面實(shí)施超低排放和節(jié)能改造,大幅降低發(fā)電煤耗和污染排放。在國家政策的引導(dǎo)下,其他行業(yè)也積極推進(jìn)超低排放改造計(jì)劃,對(duì)各行業(yè)的各種自備電廠的燃煤、燃?xì)忮仩t實(shí)施超低排放改造。東北某熱電廠于2009年投產(chǎn)的兩臺(tái)410 t/h循環(huán)流化床鍋爐必須進(jìn)行改造升級(jí)以滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī),從2018年起對(duì)兩臺(tái)鍋爐進(jìn)行了SNCR脫硝技術(shù)改造。本文介紹了其中5號(hào)爐的SNCR脫硝改造后的情況、面臨的問題以及后續(xù)優(yōu)化SNCR脫硝工藝后的改造效果。
東北某熱電公司的4、5號(hào)鍋爐為上海鍋爐廠有限公司設(shè)計(jì)制造的高壓?jiǎn)纹匀谎h(huán)的SG-410/9.81-M592型循環(huán)流化床鍋爐,設(shè)計(jì)鍋爐效率91.7%。鍋爐為П型布置,主要由汽包、懸吊式全膜式水冷壁爐膛、絕熱式旋風(fēng)分離器、U型返料回路以及后煙井對(duì)流受熱面組成。在后煙道內(nèi)按煙氣流向依次布置高溫過熱器、中溫過熱器和二級(jí)省煤器,分離后的煙氣由分離器中心筒出來依次通過后煙溫降至135 ℃左右排出鍋爐。4~5號(hào)爐目前的環(huán)保設(shè)施各配有一套石灰石爐內(nèi)脫硫系統(tǒng)、一套SNCR脫硝系統(tǒng)、一套布袋除塵系統(tǒng)、一套爐外氨法脫硫系統(tǒng)。目前,SNCR脫硝系統(tǒng)的噴槍全部布置于旋風(fēng)分離器的入口水平煙道處,于每個(gè)旋風(fēng)分離器入口的兩側(cè)面布置了SNCR噴槍。目前,5號(hào)爐的氮氧化物的原始排放在超過83%BMCR時(shí)在230~260 mg/m3(標(biāo)準(zhǔn)),采用SNCR法利用氨水溶液噴入旋風(fēng)分離器入口煙道處的工藝脫硝后,目前5號(hào)爐的排放濃度在45~70 mg/m3(標(biāo)準(zhǔn))變化,尚無法穩(wěn)定達(dá)到燃煤機(jī)組的超低排放標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)氮氧化物的指標(biāo)要求。
SNCR脫硝技術(shù)即選擇性非催化還原脫硝方法,在不布置催化劑的條件下,在適合脫硝反應(yīng)的窗口溫度區(qū)間內(nèi)(最佳反應(yīng)溫度區(qū)間約為850~920 ℃)噴入氨基還原劑將鍋爐煙氣中的氮氧化物還原為無害的氮?dú)夂退甗4-5]。SNCR脫硝技術(shù)一般采用爐內(nèi)噴尿素、氨水或氫氨酸等氨基化合物作為還原劑去還原氮氧化物。當(dāng)溫度低于1 050 ℃時(shí),還原劑在爐內(nèi)與煙氣中的氮氧化物的反應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)地位;而在溫度高于1 050 ℃時(shí)與氧反應(yīng)產(chǎn)生新的氮氧化物的反應(yīng)占據(jù)優(yōu)勢(shì)。由于該技術(shù)不需采用昂貴的催化劑,所以這種方法被稱為選擇性非催化還原法(SNCR),以其低投資和低運(yùn)行成本等多方面優(yōu)勢(shì)而廣泛應(yīng)用于電力、石化等行業(yè)的超低排放改造工程中,特別是循環(huán)流化床鍋爐由于其自身的特點(diǎn),旋風(fēng)分離器處的溫度與SNCR脫硝技術(shù)的最佳反應(yīng)溫度區(qū)間比較貼合,因此在CFB鍋爐上SNCR脫硝技術(shù)應(yīng)用十分廣泛。
眾多研究發(fā)現(xiàn),氨基還原劑首先本身快速熱解產(chǎn)生NH3,通過反應(yīng)NH3+OH→NH2+H2O來生成NH2以繼續(xù)還原NOx,NH2在SNCR脫硝窗口溫度區(qū)間內(nèi)選擇性地與NOx快速反應(yīng)。
在循環(huán)流化床鍋爐中,燃料型NOx占據(jù)了氮氧化物總生成量的95%以上。CFB鍋爐中SNCR法脫硝效果受負(fù)荷、氧量、爐膛溫度、旋風(fēng)分離器溫度等因素的影響很大,因此要針對(duì)同一鍋爐在不同煤種和不同負(fù)荷下采用燃燒優(yōu)化調(diào)整策略來配合實(shí)現(xiàn)超低排放。而其中旋風(fēng)分離器煙氣溫度場(chǎng)狀況對(duì)于CFB鍋爐SNCR脫硝效率有著直接的影響,應(yīng)針對(duì)特定爐型出現(xiàn)的特定旋風(fēng)分離器處鍋爐煙氣溫度狀況應(yīng)做具體分析后,進(jìn)一步優(yōu)化出SNCR脫硝工藝。
東北某熱電公司的4、5號(hào)CFB鍋爐為上海鍋爐廠有限公司設(shè)計(jì)制造的高壓?jiǎn)纹匀谎h(huán)的SG-410/9.81-M592型循環(huán)流化床鍋爐。兩臺(tái)鍋爐都經(jīng)過了類似的SNCR脫硝改造,在相同的旋風(fēng)分離器入口位置增加了相同數(shù)量、相同布置形式的SNCR噴槍后,投運(yùn)了同一氨水管線供給的相同流量的氨水溶液后,在高負(fù)荷狀態(tài)下的脫硝效果有較大的不同。4號(hào)爐在配合合適的燃燒優(yōu)化調(diào)整后可以達(dá)到超低排放;而在對(duì)5號(hào)爐經(jīng)過多種方式的燃燒優(yōu)化調(diào)整嘗試后,始終不能穩(wěn)定保持氮氧化物超低排放,氮氧化物的平均排放濃度比4號(hào)爐的排放濃度高15~25 mg/m3(標(biāo)態(tài)、干基、6%氧)。
對(duì)比4號(hào)爐的旋風(fēng)分離器溫度場(chǎng),經(jīng)綜合分析后發(fā)現(xiàn),5號(hào)爐的旋風(fēng)分離器中可能出現(xiàn)后燃現(xiàn)象。對(duì)于五號(hào)爐而言,在長(zhǎng)期處于高負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行時(shí),穩(wěn)定灰循環(huán)建立后出現(xiàn)旋風(fēng)分離器出口測(cè)點(diǎn)位置煙氣溫度高于旋風(fēng)分離器入口測(cè)點(diǎn)煙氣溫度的狀況。在85%BMCR以上負(fù)荷下,兩側(cè)旋風(fēng)分離器出口位置的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的煙氣溫度均高于相對(duì)應(yīng)的入口位置測(cè)點(diǎn)煙氣溫度的最高值,平均高約15 ℃。煙氣溫度在旋風(fēng)分離器中出現(xiàn)了較為明顯的上升,達(dá)到了比較高的溫度水平,因此推測(cè)在旋風(fēng)分離器的部分區(qū)域出現(xiàn)了后燃現(xiàn)象,從而在后燃過程中產(chǎn)生了新的氮氧化物。由于SNCR噴槍均布置在旋風(fēng)分離器入口水平煙道處,新產(chǎn)生的氮氧化物未能有氨基還原劑來充分混合進(jìn)行還原。雖然后燃產(chǎn)生的氮氧化物的總量不大,但是其濃度較高,因而使得總的煙氣的氮氧化物排放值大為升高,不能滿足超低排放的要求。
在對(duì)5號(hào)CFB鍋爐進(jìn)行二次風(fēng)配比、氧量調(diào)整、松動(dòng)風(fēng)/返料風(fēng)等多種燃燒優(yōu)化調(diào)整嘗試后發(fā)現(xiàn),由于5號(hào)爐自身設(shè)計(jì)等原因所導(dǎo)致調(diào)整裕度相對(duì)較小的現(xiàn)實(shí)情況,燃燒優(yōu)化調(diào)整等調(diào)試手段難以完全去除后燃現(xiàn)象的發(fā)生,5號(hào)爐在高負(fù)荷狀態(tài)下的氮氧化物排放仍難以持續(xù)滿足超低排放的要求。因此,需考慮優(yōu)化脫硝工藝,采用在旋風(fēng)分離器出口煙道安裝脫硝噴槍的方式,來消除后燃現(xiàn)象帶來的氮氧化物提升份額,以進(jìn)一步優(yōu)化脫硝效果。為進(jìn)一步延長(zhǎng)氨基還原劑與煙氣的混合反應(yīng)時(shí)間,在現(xiàn)場(chǎng)考察后采用在分離器出口垂直煙道位置加裝SNCR脫硝噴槍的設(shè)計(jì)方案。由于總的煙氣量并未發(fā)生變化,因此在加裝脫硝噴槍后,投運(yùn)脫硝系統(tǒng)時(shí)將通過優(yōu)化調(diào)整不同位置處的噴槍氨水流量,并配合燃燒調(diào)整,在設(shè)計(jì)氨水耗量基本不變的情況下優(yōu)化脫硝效果,達(dá)到超低排放效果。
一般而言,在保證鍋爐燃燒效率的前提下,通過降低鍋爐爐膛出口煙氣的氧量可以有效氮氧化物的生成,從而降低氮氧化物的原始排放濃度。由于5號(hào)爐在高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)因床溫高而燃燒效果有所保證,因此通過同時(shí)降低一二次風(fēng)的方式將氧量降低到2%~2.5%,以低氧量燃燒的方式來配合進(jìn)一步優(yōu)化后的SNCR工藝而實(shí)現(xiàn)脫硝效果。
同時(shí),考慮到整個(gè)CFB鍋爐的爐膛煙氣及灰料向上流動(dòng)的動(dòng)力主要源于一次風(fēng),因而,特定負(fù)荷下一次風(fēng)量的大小在一定程度上影響了燃料的攜帶率。因而在略微降低一次風(fēng)后,后燃現(xiàn)象可能會(huì)有所削弱,在旋風(fēng)分離器中產(chǎn)生新增的氮氧化物減小,幫助降低了氮氧化物的最終排放值[6]。
在不改變二次風(fēng)量的情況下,通過調(diào)節(jié)上下二次風(fēng)口的風(fēng)量,增大上環(huán)二次風(fēng)量的同時(shí)減小下環(huán)二次風(fēng)量,將二次風(fēng)送入稀相區(qū)完成燃燒,在保證燃燒效率的同時(shí)優(yōu)化了爐膛空氣分級(jí)燃燒,降低氮氧化物的生成量。
在對(duì)5號(hào)爐實(shí)施了分離器出口垂直煙道處加裝脫硝噴槍的SNCR脫硝工藝優(yōu)化改造,并配合以實(shí)際的低氧量燃燒、分級(jí)送風(fēng)等燃燒優(yōu)化調(diào)整輔助措施后,5號(hào)爐的氮氧化物排放值在氨水耗量未增加的情況下顯著降低,最終達(dá)到了<50 mg/m3(標(biāo)準(zhǔn))的超低排放要求。
在未來應(yīng)繼續(xù)考慮通過優(yōu)化返料系統(tǒng)、增加煙氣再循環(huán)系統(tǒng)等低氮燃燒技術(shù)手段來確保該CFB鍋爐在啟動(dòng)后全負(fù)荷狀態(tài)下的超低排放要求。
針對(duì)東北某熱電廠的410 t/h循環(huán)流化床鍋爐在高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下可能出現(xiàn)后燃現(xiàn)象導(dǎo)致的旋風(fēng)分離器出口煙道處的高溫?zé)煔馇闆r,通過在旋風(fēng)分離器出口垂直煙道增加脫硝噴槍的SNCR優(yōu)化工藝,并輔助于低氧量燃燒、分級(jí)送風(fēng)等燃燒優(yōu)化調(diào)整等改造措施后,使該CFB鍋爐的氮氧化物最終達(dá)到了低于50 mg /m3(標(biāo)態(tài)、干基、6%氧)的超低排放要求。
雖然后燃現(xiàn)象在CFB鍋爐中可以通過一定措施將其弱化,但對(duì)相當(dāng)一部分燃料后燃現(xiàn)象不可避免,因此需在循環(huán)流化床鍋爐的SNCR脫硝工藝中進(jìn)行特殊考慮。特別是長(zhǎng)期處于高負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)后燃現(xiàn)象的CFB鍋爐,在超低排放改造的脫硝設(shè)計(jì)中需要特別考慮噴槍的具體布置形式。