某350MW循環(huán)流化床超低負(fù)荷下SNCR脫硝性能分析

李寧，丁雪松，徐雨紅，趙新建，王毅斌，楊祖旺

（1.華電國(guó)際電力股份有限公司朔州熱電分公司，山西 朔州 036000；2.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院；3.西安格瑞電力科技有限公司，陜西 西安 710049）

2020年我國(guó)提出，2030年非化石能源占一次能源消費(fèi)比重將達(dá)到25%左右，且預(yù)計(jì)“十四五”期間，全國(guó)年度新增光伏裝機(jī)容量有望超過(guò)4000萬(wàn)kW，年度新增風(fēng)電裝機(jī)有望達(dá)到2500萬(wàn)kW，提高新能源并網(wǎng)比例是大勢(shì)所趨，更多火電機(jī)組將參與電網(wǎng)調(diào)峰工作。為了鼓勵(lì)火電機(jī)組提升深度調(diào)峰能力和運(yùn)行靈活性，電網(wǎng)深度調(diào)峰補(bǔ)償非常豐厚。目前循環(huán)流化床主要采用選擇性非催化還原（SNCR）技術(shù)脫硝，脫硝效率可達(dá)到50%～80%。然而，由于SNCR反應(yīng)效率受制于鍋爐床溫，在低負(fù)荷工況下存在脫硝效率偏低、氨逃逸率高等問(wèn)題。本文對(duì)比分析了某350MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐超低負(fù)荷下氮氧化物不能實(shí)現(xiàn)超低排放的原因。

1 機(jī)組概況

某350MW超臨界變壓運(yùn)行直流爐、循環(huán)流化床燃燒方式，一次中間再熱。表1為2020年11～12月入爐煤的煤質(zhì)與粒徑分布統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)?？梢钥吹剑霠t煤中仍有20%左右的煤粒粒徑大于10mm，不符合原煤二級(jí)破碎機(jī)出口煤的入爐粒度要求。圖1是實(shí)際機(jī)組運(yùn)行中32天實(shí)際機(jī)組運(yùn)行DCS圖像中NOx排放值?？梢钥吹剑?20MW（34%負(fù)荷）和300MW（86%）間變化時(shí)，NOx超標(biāo)情況經(jīng)常出現(xiàn)，說(shuō)明機(jī)組在變負(fù)荷下靈活性以及低負(fù)荷下脫硝系統(tǒng)性能不佳。

圖1 實(shí)際機(jī)組運(yùn)行中NOx排放值

表1 2020年11～12月入爐煤的煤質(zhì)與粒徑分布

2 SNCR脫硝性能分析

2.1 SNCR

SNCR煙氣脫硝系統(tǒng)一般由尿素溶液制備系統(tǒng)、溶液稀釋系統(tǒng)、計(jì)量分配系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)等組成。該機(jī)組尿素噴槍呈交錯(cuò)布置。表2為機(jī)組在83%、64%、51%、41%負(fù)荷下的脫硝相關(guān)參數(shù)。雖然出口煙氣NOx均小于50mg/Nm3，但尿素耗量較大，尤其是41%負(fù)荷下。鍋爐目前可以在30%～40%負(fù)荷下穩(wěn)定燃燒，但40%負(fù)荷下即使增加尿素噴入量，仍不能達(dá)到NOx＜50mg/Nm3的要求，無(wú)法實(shí)現(xiàn)超低負(fù)荷深度調(diào)峰，嚴(yán)重影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。

表2 不同負(fù)荷下脫硝系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)

2.2 存在問(wèn)題及分析

目前機(jī)組存在以下問(wèn)題：該機(jī)組不投運(yùn)SNCR，負(fù)荷高于50%時(shí)，爐膛出口NOx小于150mg/Nm3，投運(yùn)后可滿足爐膛出口NOx小于50mg/Nm3，但尿素耗量偏大；機(jī)組在30%～40%負(fù)荷下，但當(dāng)機(jī)組負(fù)荷小于40%時(shí)，投運(yùn)SNCR也不能保證爐膛出口NOx小于50mg/Nm3；在升降負(fù)荷時(shí)風(fēng)量增減不及時(shí)，也存在NOx排放＞50mg/Nm3現(xiàn)象。

結(jié)合實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，原因可能如下：

（1）機(jī)組鍋爐二次風(fēng)配風(fēng)方式不合理，密相區(qū)供給二次風(fēng)比例較高，爐內(nèi)未實(shí)現(xiàn)密相區(qū)低氧低氮燃燒。

（2）兩層二次風(fēng)大角度噴入密相區(qū)，風(fēng)溫較低，過(guò)早同一次風(fēng)混合，密相區(qū)氧濃度過(guò)高。

（3）低負(fù)荷、低煙氣流速下尿素溶液霧化效果較差，霧化液滴同煙氣混合均勻性較低，存在局部空間混合短路，嚴(yán)重影響SNCR的脫硝效率。

（4）低負(fù)荷下?tīng)t內(nèi)床溫過(guò)低，爐膛出口溫度約820℃，偏離SNCR最佳反應(yīng)溫度區(qū)間，反應(yīng)時(shí)間短，脫硝效率低。

3 影響尿素?zé)峤饷撓跣实囊蛩胤治黾皯?yīng)對(duì)策略

3.1 影響脫硝效率因素

SNCR脫硝效率主要同反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、氨氮摩爾比、還原劑噴射點(diǎn)等相關(guān)。當(dāng)溫度大于800℃，噴氨對(duì)NOx濃度影響最明顯。以尿素為還原劑的SNCR脫硝系統(tǒng)，其“溫度窗口”為850～1050℃。在730～950℃氨作為反應(yīng)劑的脫硝效率高于尿素作為反應(yīng)劑的脫硝效率，950℃以上尿素作為反應(yīng)劑的脫硝效率高于氨作為反應(yīng)劑的脫硝效率。韓丁等認(rèn)為，在900～920℃，NH3初期消耗不高，脫硝效率最高。NH3反應(yīng)時(shí)間＞1s時(shí)脫硝效率最佳。旋風(fēng)分離器進(jìn)口布置噴槍?zhuān)€原劑的停留時(shí)間最長(zhǎng)，保證了反應(yīng)所需時(shí)間。此外，氨氮摩爾比根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，一般控制在1.0～2.0最佳，超過(guò)2.5時(shí)雖然會(huì)造成氨逃逸增加，引起新的污染問(wèn)題。

3.2 解決策略

（1）現(xiàn)有密相區(qū)供給二次風(fēng)比例較高，未能實(shí)現(xiàn)低氧低氮燃燒，需要增設(shè)上層分離二次風(fēng)，通過(guò)CFD模擬可以設(shè)計(jì)得到稀相區(qū)二次風(fēng)最佳供給位置、角度及風(fēng)率。

（2）低負(fù)荷下尿素噴槍霧化效果變差，煙氣同霧化液滴混合變差，可以對(duì)分離器入口進(jìn)行改造，以提高煙氣速度，加強(qiáng)低負(fù)荷下氨氮混合，模擬計(jì)算并優(yōu)化設(shè)計(jì)尿素噴嘴結(jié)構(gòu)，更換/新增分離器進(jìn)口當(dāng)前布置的SNCR噴槍?zhuān)鰪?qiáng)單噴槍霧化效果。

（3）低負(fù)荷下?tīng)t內(nèi)床溫過(guò)低，進(jìn)行燃燒優(yōu)化調(diào)整，改善鍋爐燃燒特性，控制燃燒溫度均勻，控制入爐燃料顆粒度，調(diào)整一、二次風(fēng)率，上下二次風(fēng)、返料循環(huán)等，觀察原始生成量變化。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)該機(jī)組低負(fù)荷下NOx排放超標(biāo)問(wèn)題，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)詳細(xì)分析了其可能原因和影響尿素?zé)峤饷撓跣实囊蛩?。這同機(jī)組未能實(shí)現(xiàn)低氧低氮燃燒、低負(fù)荷下尿素霧化、與煙氣混合效果差以及爐內(nèi)床溫過(guò)低等相關(guān)，本文給出了具體應(yīng)對(duì)策略與調(diào)整改造方向。