燃煤鍋爐氨水噴槍結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

茍元勛，薛永鴻

（中國石油蘭州石化公司化肥廠，甘肅 蘭州730060）

中國石油蘭州石化公司化肥廠有A、B、C 3 臺煤粉鍋爐裝置，2014年3 臺鍋爐進行脫硝改造，采用“低氮燃燒+SNCR+SCR”聯(lián)合脫硝技術(shù)，氨水作為還原劑。脫硝后，煙氣中NOx不大于100 mg/m3，逃逸氨不大于5.0 mg/m3。

根據(jù)“低氮燃燒+SNCR+SCR”聯(lián)合脫硝技術(shù)特性，在保證催化劑活性的特定溫度范圍內(nèi)，SCR 技術(shù)可調(diào)整范圍較小。鍋爐日常運行過程中，通過調(diào)整分級配風(fēng)，提高低氮燃燒效率，抑制熱力型NOx生成；調(diào)整SNCR 系統(tǒng)氨水壓力、氨水流量，強化氨水與煙氣反應(yīng)，降低煙氣中NOx含量［1]。

1 脫硝系統(tǒng)運行現(xiàn)狀

自2015年該化肥廠3 臺鍋爐分時段執(zhí)行超低排放標(biāo)準(zhǔn)NOx≤65 mg/m3及二級冬防管控指標(biāo)NOx≤50 mg/m3，均遠低于原設(shè)計NOx≤100 mg/m3指標(biāo)。為保證煙氣NOx達標(biāo)排放，采取增加氨水噴入量方式，降低煙氣NOx。氨水投加量增加后，煙氣逃逸氨增高，超出控制指標(biāo)6×10-6，見表1。

表1 氨水噴槍3臺鍋爐逃逸氨數(shù)據(jù)

逃逸氨在空預(yù)器內(nèi)（130 ℃左右）產(chǎn)生銨鹽結(jié)晶，并粘附飛灰，造成空預(yù)器堵塞［2]，影響空預(yù)器換熱效果和流通性，給生產(chǎn)運行帶來不利影響。煙氣中逃逸氨頻繁高于控制指標(biāo)，反映出未參與還原反應(yīng)的氨量增加，造成氨水過剩；若減少氨水噴入量時，煙氣NOx含量高于控制指標(biāo)。這說明煙氣中的氨分布不均勻，存在局部氨過剩和不足現(xiàn)象。

2 原因分析

氨水噴槍加裝在鍋爐燃燒區(qū)上方，氨水被噴入爐膛，與煙氣中NOx混合反應(yīng)，達到降低煙氣NOx目的。氨水噴槍為三軸設(shè)計，氨水經(jīng)內(nèi)管導(dǎo)入由噴嘴射出；由中層管導(dǎo)入的壓縮空氣加壓加速霧化，并將氨水推進至煙氣中心，強化反應(yīng)；由Rotamix風(fēng)對噴槍進行冷卻保護，見圖1。

圖1 氨水噴槍結(jié)構(gòu)

2.1 氨水噴槍有效噴流長度偏小

為了解氨水噴入爐膛內(nèi)的實際情況，在維持壓縮空氣壓力穩(wěn)定的前提下，通過調(diào)整氨水噴槍前的球閥開度，觀察氨水噴槍的有效噴流長度、氨水噴流的偏斜程度、壓縮空氣對氨水?dāng)y裹能力。實驗發(fā)現(xiàn)，大部分氨水噴入爐膛后，集中分布在爐膛深度的1/2 區(qū)域，導(dǎo)致氨水在爐膛內(nèi)橫向分布不均勻，靠近鍋爐前墻位置的煙氣接觸過量氨水，而鍋爐后墻煙氣不能充分與氨水接觸，氨水與煙氣混合不均勻，導(dǎo)致煙氣NOx還原反應(yīng)不充分。

實驗還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加大氨水投加量時，氨水壓力會有明顯升高，噴流長度也會延長。但由于壓縮空氣壓力恒定，壓縮空氣的攜帶能力有限，單個氨水噴流相對集中，與相鄰氨水噴槍噴出的氨水不能有效重疊，形成反應(yīng)盲區(qū)。

2.2 噴頭霧化效果不佳

通過氨水噴槍噴流實驗發(fā)現(xiàn)，增加噴氨量后，氨水噴槍噴出的氨水出現(xiàn)明顯滴狀霧粒，說明在增加氨水投加量后，氨水噴槍噴頭通過量超出了其霧化的能力，氨水霧化效果變差，導(dǎo)致氨水與煙氣反應(yīng)效果差、逃逸氨升高。

2.3 氨水噴槍噴流偏斜

脫硝系統(tǒng)用氨水噴槍為套管式組合結(jié)構(gòu)，內(nèi)管為氨水，中管為壓縮空氣，外管為冷卻風(fēng)。為確保氨水與煙氣充分接觸，氨水噴槍在安裝中有微小的上頃角度，而部分氨水噴槍的安裝受原有管線及框架影響，會出現(xiàn)水平方向安裝的情況?，F(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，由于氨水內(nèi)管缺少固定支撐，在傾角不明顯或者水平安裝的情況下，受重力作用，內(nèi)管出現(xiàn)下傾現(xiàn)象，導(dǎo)致氨水噴流中心線與壓縮空氣中心線不一致，在氨水壓力增加的情況下，容易發(fā)生氨水噴流沖出壓縮空氣包裹范圍的情況，導(dǎo)致氨水在未經(jīng)霧化攜帶的情況下，集中在鍋爐前墻區(qū)域，因氨水分布不均勻而出現(xiàn)氨逃逸升高現(xiàn)象。

圖2 氨水噴流示意

2.4 氨水噴槍拆卸維護困難

受爐膛內(nèi)煙氣局部擾動影響，煙氣飛灰在氨水噴槍處積存，導(dǎo)致噴口局部堵塞，氨水不能正常霧化，沿噴口外沿滴落，引起逃逸氨升高，因此需要定期對噴槍氨水內(nèi)管抽出檢查，及時維護修復(fù)。由于氨水噴槍采用管卡連接，拆卸難度大，抽出內(nèi)管對噴頭更換，單支噴槍處理需時長約1 h，故障不能得到及時處理，導(dǎo)致逃逸氨頻繁超標(biāo)［3]。

3 解決措施

3.1 改變氨水噴頭噴口孔徑

針對氨水噴槍有效噴流長度偏小、霧化效果不佳的情況，通過調(diào)整氨水噴槍前球閥、進行氨水噴槍噴流實驗，發(fā)現(xiàn)氨水噴槍壓力提高至250 kPa左右，噴流長度、霧化效果均能達到相對理想的狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上，氮氧化物、逃逸氨均有降低。

為消除人工調(diào)整誤差，減少球閥在半開狀態(tài)下的不穩(wěn)定性，采用改變氨水噴槍噴頭中心孔徑的方式，對氨水進行限流。

通過使用不同中心孔徑的噴頭，現(xiàn)場試驗觀察其噴流情況，比對噴流長度、噴流寬度、合理重疊等因素，發(fā)現(xiàn)將氨水噴槍噴頭中心孔縮由原設(shè)計2.0 mm 減為1.5 mm。氨水可有效覆蓋煙氣流通面積4/5 以上，可保證在垂直噴流方向上與煙氣充分混合［4]。

3.2 對氨水內(nèi)管設(shè)置支撐

針對氨水偏流問題，氨水噴槍氨水內(nèi)管與壓縮風(fēng)中管之間壓縮風(fēng)通道的前部設(shè)置固定支撐，保證氨水管與壓縮風(fēng)管同心度一致。改進固定支撐后，壓縮風(fēng)在中管內(nèi)分布更均勻，見圖3。

3.3 改進氨水噴槍連接方式

由于氨水噴槍采用管帽和管箍組成的管卡連接，拆卸難度大，根據(jù)槽罐車裝卸管線卡扣連接、方便拆卸的特點。建議氨水噴槍廠家，將氨水噴槍連接由管卡改為卡扣連接見圖4。

圖3 氨水內(nèi)管加裝支撐

4 效果驗證

4.1 逃逸氨明顯降低

經(jīng)過對氨水噴槍進行以上改進，在鍋爐負荷、燃燒工況接近的情況下，使用新形式氨水噴槍后，噴氨量減少，煙氣NOx更趨于穩(wěn)定，煙氣逃逸氨大幅度降低。在鍋爐負荷、燃燒工況接近的情況下，更換氨水噴槍后氨水用量降低了約4 m3/d，且波動較小。說明更換氨水噴槍后，噴頭的霧化效果更好，氨水與煙氣反應(yīng)更充分。氨水噴槍更新前后3臺鍋爐煙氣數(shù)據(jù)對比見表2。

表2 噴槍更新前后3臺鍋爐煙氣數(shù)據(jù)

由表2可見，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，合格率明顯提高。

4.2 空預(yù)器堵塞減緩

氨水噴槍的更新，實現(xiàn)了降低逃逸氨的目的。同時也減緩了空預(yù)器列管及換熱元件銨鹽結(jié)晶情況，對氨水噴槍結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，空預(yù)器可實現(xiàn)與鍋爐檢修周期同步清理，未再發(fā)生因空預(yù)器列管堵塞導(dǎo)致停鍋清理的情況［5]。

4.3 氨水噴槍維護方便

原氨水噴槍抽出再回裝，需2 個人配合，每支噴槍需1 h 左右。將管卡改為拉環(huán)卡扣后，1 人即可完成，每次約15 min，避免了逃逸氨連續(xù)超標(biāo)。

5 結(jié)束語

（1）噴槍優(yōu)化后，在相同投煤負荷且保證NOx排放合格基礎(chǔ)上，每日氨水量比更換前降低30%～50%，逃逸氨比更換前大幅降低，數(shù)據(jù)更穩(wěn)定。

（2）噴槍結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，減緩空預(yù)器列管及換熱元件銨鹽結(jié)晶，有效減少空預(yù)器列管堵塞情況。

（3）噴槍結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，采用拉環(huán)卡扣的快速接頭，方便拆卸和清理維護。