鍋爐脫硝稀釋風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化改造

張賀嘉

（中煤能源新疆煤電化有限公司，新疆 昌吉 831799）

0 引言

我國(guó)電力供應(yīng)主要依靠煤炭，而煤炭在提高能源供應(yīng)的同時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生大量的NO、N2O 及NO2。燃煤中的氮氧化物若不能得到有效的控制，將會(huì)給人們的生活造成很大的危害。要解決這一問(wèn)題，就需要采用更加經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確的脫硝裝置，以減少燃煤中的氮氧化物。

1 現(xiàn)階段我國(guó)燃煤的脫硝狀況

與世界先進(jìn)水平相比，我國(guó)煤炭技術(shù)的推廣和脫硝技術(shù)的應(yīng)用都有很大的差距。就國(guó)內(nèi)目前的脫硝技術(shù)而言，由于選用催化劑的脫硝技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、脫硝率高等特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)大多數(shù)燃煤機(jī)組都是選用催化劑進(jìn)行脫硝[1]。同時(shí)，該技術(shù)還在國(guó)外得到了廣泛的使用。就脫氮工藝和裝置而言，國(guó)內(nèi)大多數(shù)煤炭生產(chǎn)企業(yè)主要采用的是引進(jìn)國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，同時(shí)消化吸收、創(chuàng)新，并發(fā)展出了一套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的選擇性催化劑脫氮工藝。

2 建設(shè)脫硝產(chǎn)業(yè)中存在的主要問(wèn)題

2.1 脫硝技術(shù)掌握技術(shù)不足

目前，國(guó)內(nèi)煤炭脫硝行業(yè)的發(fā)展已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，但其關(guān)鍵技術(shù)仍然難以取得突破性進(jìn)展，脫硝工藝及裝備方面仍然依賴國(guó)外的技術(shù)，尚未建立起一套完整的脫硝技術(shù)體系。

2.2 催化劑實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化

在我國(guó)目前的脫硝技術(shù)中，脫硝用的主要是脫硝用的助燃劑，脫硝催化劑仍需從國(guó)外進(jìn)口，尚未形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈；因此，在中國(guó)，煤炭發(fā)電的成本很高。煤炭行業(yè)在采用脫硝催化劑時(shí)，脫硝催化劑的選用與設(shè)計(jì)均需由脫硝催化劑廠商來(lái)完成，這不僅增加了承包商與用戶之間的協(xié)調(diào)難度，而且存在著潛在的質(zhì)量隱患。流場(chǎng)的設(shè)計(jì)是影響脫硝系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的重要因素，也是影響整個(gè)機(jī)組正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要因素。若催化劑制造商不合理的流場(chǎng)設(shè)計(jì)，會(huì)造成催化劑表面氣流、溫度、氨濃度的變化，影響催化劑的運(yùn)行，導(dǎo)致催化劑積灰、堵塞等問(wèn)題。

2.3 脫硝催化劑行業(yè)缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)管

由于國(guó)內(nèi)不同煤炭企業(yè)使用的脫硝系統(tǒng)不同，有關(guān)部門(mén)在制訂技術(shù)規(guī)范時(shí)也沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的制度可供參照，導(dǎo)致對(duì)脫硝行業(yè)的整體規(guī)劃不夠全面，嚴(yán)重地制約了脫硝行業(yè)的健康發(fā)展。催化劑生產(chǎn)廠家根據(jù)國(guó)外的標(biāo)準(zhǔn)，將其作為企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗(yàn)。由于不同的催化劑產(chǎn)品不同，不同的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)也不同，所以催化劑的使用者不能準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)不同的催化劑，這是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

3 火電廠脫銷技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，最常見(jiàn)的是SCR、SNCR 以及兩者相結(jié)合的工藝，具有較低的環(huán)境污染和較高的凈化效果，技術(shù)成熟，脫硝率高達(dá)80%～90%。但是這樣會(huì)造成二次污染，而且產(chǎn)量不高，一般在30%～50%之間[2]。選擇性催化還原工藝的基本原理是：在燃煤電廠的節(jié)能裝置與預(yù)熱器之間，采用選擇性催化還原裝置，在裝置完全運(yùn)轉(zhuǎn)后，煙氣以豎向形式流入反應(yīng)器；在催化劑發(fā)生反應(yīng)后，將某些有害的氮化物氣體還原成水和氮。通常，在此反應(yīng)過(guò)程中，必須保證溫度在300～400℃；所謂的非選擇性催化還原工藝，就是在鍋爐的煙氣溫度達(dá)到900～1000℃的時(shí)候，在鍋爐里面添加一些還原劑，如尿素、氮?dú)獾取Ｍㄟ^(guò)這種方法，可以將某些有害的氮化物轉(zhuǎn)化成水和氮。這兩種技術(shù)的融合，就是為了將兩者的優(yōu)點(diǎn)融合在一起，達(dá)到相互補(bǔ)充的目的，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)份額。這兩項(xiàng)技術(shù)的結(jié)合，讓脫硝的過(guò)程更加的復(fù)雜。所以，這兩種技術(shù)的聯(lián)合使用，在某些需要高脫銷率的情況下被廣泛應(yīng)用。

脫硝技術(shù)是一種去除氮化物的工藝，防止燃煤電廠對(duì)環(huán)境的污染。由于受各種因素的影響，我國(guó)目前的發(fā)展水平較低，因此，脫氮技術(shù)在火力發(fā)電廠的應(yīng)用中具有很大的局限性。實(shí)際操作困難，運(yùn)行費(fèi)用較高等。這就導(dǎo)致了我國(guó)燃煤電廠在脫氮工藝上與國(guó)外先進(jìn)水平存在一定差距。近幾年來(lái)，由于各種工藝的改進(jìn)，脫硝技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，使其在某種程度上可以適應(yīng)火力發(fā)電廠的生產(chǎn)需要。

4 氮氧化物排放濃度不能達(dá)標(biāo)的主要原因

影響脫硝效率的因素較多，由于各地煤種的差異，導(dǎo)致煤的混合燒現(xiàn)象是統(tǒng)一的，某些低卡路煤的燃燒會(huì)產(chǎn)生大量的煙霧；相反，如果使用高熱量的煤炭，則會(huì)造成很小的煙霧排放。如果煤炭的熱量很低，那么它的含水量就會(huì)減少，而且它的燃燒會(huì)導(dǎo)致它的溫度很高，一般情況下，它的賣(mài)出率都會(huì)下降。由于煤炭質(zhì)量的改變，需要SCR 設(shè)備和催化劑。

煙塵的熱值。影響脫硝效率的因素是鍋爐煙氣的排放溫度。在燃煤電站SCR 法中，一般采用871～1038℃的煙道溫度，而以氮化物為主的還原劑會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變；未達(dá)871℃，則不能充分進(jìn)行反應(yīng)，導(dǎo)致脫銷速率下降，同時(shí)氮?dú)獗旧淼奶右菟俾试黾樱斐闪硕挝廴綶3]。SNCR 工藝也可以將尿素與水中的溶液進(jìn)行調(diào)配，然后將其添加到927～1093℃的煙氣中，保證其與氨氮的作用是一致的。

5 火電廠脫硝改造及對(duì)鍋爐系統(tǒng)影響

5.1 對(duì)鍋爐燃燒的影響

采用低氮燃燒技術(shù)與脫硝技術(shù)相結(jié)合，可以有效地控制煙氣中的氮化物，降低煙氣中的氮化物，達(dá)到降低煙氣中氮化物的目的。經(jīng)過(guò)這樣的改裝，總體上可以將氮化物的排放量控制在60mg/m3之內(nèi)。低氮燃燒的基本原理是：通過(guò)抑制氮化物，再利用二次燃燒，將氮化物減少到40%。比如，一個(gè)擁有兩個(gè)鍋爐系統(tǒng)的火力發(fā)電廠，其主要采用的是直流式燃燒爐；為了提高鍋爐的燃燒效率，火力發(fā)電廠的管理層和技術(shù)人員經(jīng)過(guò)研究，決定采用低氮燃燒技術(shù)。在主燃燒室的上部，采用高、低兩種方式分別進(jìn)行了充分空氣的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)氮化物的產(chǎn)生的抑制。在對(duì)燃燒室進(jìn)行改造時(shí)，在不影響鍋爐系統(tǒng)工作效率的前提下，對(duì)風(fēng)箱進(jìn)行了合理的改造，并增加了一個(gè)新的盡風(fēng)管；保證了煤粉管線在一定程度上保持了相應(yīng)的特性，不會(huì)對(duì)鍋爐燃燒系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)造成任何影響。

5.2 對(duì)引風(fēng)機(jī)的影響

某火力發(fā)電廠的鍋爐采用了可調(diào)節(jié)的靜葉軸流風(fēng)機(jī)，在進(jìn)行改造之前，對(duì)煙氣系統(tǒng)的阻力進(jìn)行了檢測(cè)，并對(duì)其進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)；但風(fēng)機(jī)本身的功率與有關(guān)的需求并不相符。為此，在實(shí)際改造過(guò)程中，對(duì)排煙裝置進(jìn)行了改進(jìn)。由于該廠在實(shí)際改造過(guò)程中，將引風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、風(fēng)壓設(shè)定為15%、30%。在BMCR的基礎(chǔ)上，改進(jìn)后的阻力達(dá)到了1.35kPa。經(jīng)過(guò)對(duì)煙氣脫硝改造后的相關(guān)計(jì)算，使排煙阻力提高至5.5kPa。由于該廠在實(shí)際改造前沒(méi)有充分考慮，導(dǎo)致引風(fēng)機(jī)的參數(shù)比較大，在操作過(guò)程中，煙氣系統(tǒng)的阻力比設(shè)計(jì)的要?。皇癸L(fēng)機(jī)難以有效地工作，影響到風(fēng)機(jī)的工作效率。

5.3 對(duì)空氣預(yù)熱器的影響

某火力發(fā)電廠在自己的鍋爐系統(tǒng)中，使用的空氣預(yù)熱器大部分都是國(guó)產(chǎn)的，以達(dá)到真正的脫硝效果。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的脫硝，選擇性還原催化劑的催化性能降低，在脫硝過(guò)程中，氮?dú)獾膰娚鋽?shù)量越來(lái)越多，逃逸率也越來(lái)越高。由此，在連續(xù)生產(chǎn)硫酸銨的同時(shí)，將其附著在空氣預(yù)熱器的傳熱構(gòu)件上；當(dāng)積灰層厚度超過(guò)一定程度后，熱交換通道將產(chǎn)生阻塞，增大了預(yù)熱器的工作阻力，導(dǎo)致傳熱效率下降。

在機(jī)組負(fù)載小于180MW 時(shí)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改造，使系統(tǒng)的稀缺性風(fēng)扇停止運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能效果。在機(jī)組負(fù)載小于180MW 的情況下，將冷氣吹入加熱一次風(fēng)能，能有效地改善反應(yīng)器的反應(yīng)過(guò)程，并能有效地改善脫硫效果和投運(yùn)速率。解決了因煙道溫度過(guò)高、氨流過(guò)高造成的空冷器阻塞等問(wèn)題，保證了設(shè)備的安全、可靠。

6 降低燃煤排放的主要方法及燃煤鍋爐脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化分析

低氮燃燒技術(shù)。在燃燒過(guò)程中，低氮燃燒技術(shù)可以有效抑制氧化劑的生成。低溫燃燒技術(shù)是一種適用于大容量燃煤鍋爐的節(jié)能技術(shù)，低氮燃燒技術(shù)可使NO 的排放量降低30%～50%，要想進(jìn)一步減少其排放量，就需要采取煙氣脫硝工藝。選擇性催化還原技術(shù)；這是我國(guó)煙氣脫硫工藝中應(yīng)用最為普遍的一種。選擇性非催化還原技術(shù)；該工藝技術(shù)較為成熟，但其優(yōu)點(diǎn)是：與傳統(tǒng)的催化脫氮相比，具有較低的生產(chǎn)效率、較小的投資和較短的建設(shè)時(shí)間。選擇性和非催化反應(yīng)的有機(jī)組合；主要用于大型燃煤鍋爐，由于其排放的低氮、場(chǎng)地條件有限，更適用于老鍋爐的改造。

7 脫硝系統(tǒng)的工藝原理

在國(guó)內(nèi)外，選擇性的無(wú)催化還原技術(shù)和選擇性催化劑脫產(chǎn)是當(dāng)前世界各國(guó)常用的一種技術(shù)。

7.1 選用合適的催化劑進(jìn)行脫氮工藝

在催化劑、氨和煙氣的催化作用下，發(fā)生了大量的反應(yīng)。通過(guò)催化，氣體與煙氣的混合，使其與廢氣一起流入脫硝裝置中。在310～410℃下進(jìn)行了脫氮。超過(guò)該溫度時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)，停止供應(yīng)氨氣，同時(shí)脫硝反應(yīng)生成的水和氮?dú)庖矔?huì)進(jìn)入空氣預(yù)熱器。氨作為還原劑可以將N2氧化還原為2NO，由于煙氣中的氧與氨氣幾乎沒(méi)有發(fā)生反應(yīng)，所以其排出熱量較低，脫氮效率高達(dá)90%，是目前最成熟、最可靠的脫硝工藝。

7.2 選擇性非催化還原脫硝工藝

選擇性非催化還原法是在850～1150℃的爐膛內(nèi)，用裝有氨氣、氨水、尿素等的還原劑，如氨氣、氨水、尿素等，經(jīng)設(shè)于屏式過(guò)熱器區(qū)的噴槍噴射，使氨氣、氨水、尿素等還原劑快速熱分解為氨氣和其他副產(chǎn)品[4]。由于煙氣中的氨氣與煙氣中的氧化氮發(fā)生反應(yīng)，所以在溫度較高且無(wú)催化劑時(shí)，其效率只有30%～50%。典型的非催化還原脫氮工藝是：通過(guò)還原劑，鍋爐/窯爐，除塵脫硝裝置，引風(fēng)機(jī)，煙氣分解。采用氨（尿素）作為非催化脫硝的主要原料是氨（尿素），20%的氨水（或需要添加生產(chǎn)單元的尿素溶液），經(jīng)化學(xué)輸送泵送到靜止攪拌機(jī)中，與由稀釋水模塊送來(lái)的軟化水按一定比例配制，由計(jì)量和分配裝置準(zhǔn)確地分配到各個(gè)噴嘴，再由噴槍將其噴入爐中，達(dá)到脫氮的目的[5]。

8 脫硝系統(tǒng)工藝技術(shù)的優(yōu)化方案

8.1 選擇催化劑脫硝的運(yùn)行情況分析及優(yōu)化方案

選擇性選擇性催化還原方法是一種高效、可靠的方法，在我國(guó)已得到了普遍的使用。但在現(xiàn)有的大型燃煤機(jī)中，由于噴氨不準(zhǔn)確、催化劑選擇性選擇的反應(yīng)釜內(nèi)分布不均勻以及催化劑層入口氣流的不均勻等因素，導(dǎo)致氨釋放過(guò)多，導(dǎo)致氨泄漏。氨的泄露不但造成了設(shè)備的經(jīng)濟(jì)上的損失，而且還會(huì)導(dǎo)致催化劑的壽命縮短。為了解決這一問(wèn)題，我國(guó)目前常用的催化劑脫氮方式是：①將入口煙道的流速和鍋爐負(fù)載信號(hào)用作氮?dú)獾膩?lái)源，然后應(yīng)用模糊控制律來(lái)進(jìn)行區(qū)域預(yù)報(bào)，從而得到氨氮的反饋控制[6]。②應(yīng)用多點(diǎn)面積法測(cè)定了出口煙氣中的氣體氮氧化物的含量，并對(duì)其進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析。該工藝以在出口端固定氮氧化物的量為目標(biāo)，通過(guò)調(diào)節(jié)氨的加入量、降低揮發(fā)氨的釋放來(lái)達(dá)到改善脫硝效率；而且能夠?qū)Ξa(chǎn)品的操作進(jìn)行控制。但是，該算法涉及多個(gè)變量的測(cè)量，使得邏輯的操作更加煩瑣[7]。

8.2 選擇性非催化還原脫硝的運(yùn)行情況分析及優(yōu)化方案

（1）因?yàn)橛羞x擇的無(wú)催化劑進(jìn)行的還原脫氮要求較高的反應(yīng)溫度，因此，在較低或較高的條件下，會(huì)使氨氣泄漏。①選擇合適的還原劑，因氨水脫氮的時(shí)間要低于50～100℃，低溫區(qū)對(duì)氨氮的脫除效果良好。②正確地選擇氨氣的位置。氨氣滯留時(shí)間延長(zhǎng)、混合效果良好，都能有效地解決氨氣滲漏問(wèn)題。③通過(guò)加入適量的增加劑，可以擴(kuò)大反應(yīng)的范圍，從而大大提高了非催化還原的脫硝效率[8]。

（2）脫硝效果差；導(dǎo)致非催化還原脫硝系統(tǒng)效率低下的主要原因和對(duì)策：還原劑配比不均勻，應(yīng)采取以下措施：調(diào)整噴嘴和各個(gè)閥的開(kāi)度，使還原劑和煙氣中的氧化氮充分混合，并檢查還原劑管路和閥門(mén)是否堵塞，鍋爐的燃燒系統(tǒng)等[9]。

（3）氨與SO3在低溫下發(fā)生反應(yīng)，造成空氣預(yù)熱器的傳熱表面阻塞或污染。在中溫、低溫兩個(gè)階段，空氣中的氨氣與煙氣中的SO3發(fā)生氧化，生成了硫酸氫氨。硫酸氫氨具有強(qiáng)腐蝕性和粘性，粘附于加熱部件的表面，容易吸收粉塵，阻塞空氣，增大系統(tǒng)的阻力，影響設(shè)備的運(yùn)行。解決辦法：采用搪瓷渡層式換熱器，可以有效地減少空氣中的硫酸氫氨的生成。

9 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)大氣環(huán)境問(wèn)題日益受到人們的關(guān)注，脫硝技術(shù)是煤炭企業(yè)降低尾氣排放的一項(xiàng)重要技術(shù)。當(dāng)前煤炭行業(yè)的脫硝技術(shù)和脫硝技術(shù)尚有較大差距，但是通過(guò)對(duì)脫硝技術(shù)的優(yōu)化，可以有效地解決現(xiàn)有的脫硝技術(shù)問(wèn)題，提高脫硝效率；從而推動(dòng)煤炭行業(yè)的有效發(fā)展。本文就脫硝技術(shù)的工藝流程、影響因素及優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，并提出了采用選擇性非催化脫硝和選擇性脫硝的方法，對(duì)煤炭企業(yè)和環(huán)保治理具有一定的參考價(jià)值。