燃煤鍋爐煙氣脫硝技術(shù)研究

蒲君彥

（甘肅省安裝建設(shè)集團(tuán)有限公司，甘肅蘭州 730050）

熱源廠在生產(chǎn)實踐中對于燃煤鍋爐的依賴性較強，但是在煤炭燃燒過程中產(chǎn)生的污染物也會造成環(huán)境污染的問題，不符合當(dāng)前綠色化發(fā)展的要求。隨著我國環(huán)境保護(hù)工作的深化推進(jìn)，對于煙氣排放的要求也越來越嚴(yán)格，需要嚴(yán)格控制其中污染物的含量及濃度，以創(chuàng)造安全舒適的環(huán)境，滿足社會的可持續(xù)發(fā)展要求。煙氣脫硝技術(shù)的成熟度相對較高，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于氮氧化合物的處理工作中，可以將化合物的濃度控制在標(biāo)準(zhǔn)要求以內(nèi)，滿足熱源廠的清潔生產(chǎn)要求。但是，該技術(shù)在實踐應(yīng)用中也會受到諸多因素的干擾，必須結(jié)合當(dāng)前生產(chǎn)特點及環(huán)保要求實施技術(shù)改造，為熱源廠的未來發(fā)展創(chuàng)造可靠條件，體現(xiàn)煙氣脫硝技術(shù)的優(yōu)勢與價值。

1 燃煤鍋爐煙氣脫硝技術(shù)概述

1.1 基本概念

燃煤鍋爐中產(chǎn)生的氮氧化合物濃度較高，主要包括熱力型氮氧化合物、燃料型氮氧化合物和快速型氮氧化合物，受到高溫環(huán)境的影響，氮氣被氧化后會生成較多的氮氧化合物，同時氮化合物的分解及氧化也會有氮氧化合物的生成，碳?xì)潆x子團(tuán)是燃料中的主要組成部分，通過與氮的反應(yīng)會產(chǎn)生大量氮氧化合物。采用煙氣脫硝技術(shù)可以針對上述氮氧化合物實施有效處理，最終產(chǎn)物是氣態(tài)單質(zhì)和液態(tài)物質(zhì)，以降低對環(huán)境的影響。

1.2 主要流程

1.2.1 燃燒前

燃煤在鍋爐燃燒前可以進(jìn)行特定處理，借助于脫氮工藝將其中氮元素含量控制在合理范圍之內(nèi)，以降低煙氣當(dāng)中氮氧化合物的濃度，在當(dāng)前煙氣脫硝處理工藝中是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。受到技術(shù)工藝及設(shè)備等因素的限制，燃燒前的脫硝處理技術(shù)難度較高，會加大脫硝處理中的經(jīng)濟投入。在未來發(fā)展中，需要進(jìn)一步提高技術(shù)水平，運用先進(jìn)設(shè)備及工藝降低整體能耗，以滿足節(jié)能降耗和綠色生產(chǎn)的要求。

1.2.2 燃燒中

在鍋爐運行中產(chǎn)生的氮氧化合物較多，在燃燒中采用相應(yīng)的脫硝處理技術(shù)，也可以避免在排放后造成嚴(yán)重污染。低氮脫硝技術(shù)是燃煤燃燒過程中處理氮氧化合物的有效措施，相較于其他技術(shù)工藝而言，能夠減少30%左右的氮氧化合物，處理效果相對較好。該技術(shù)的操作便捷且高效，工藝流程也不復(fù)雜，具有經(jīng)濟性特點，無需較大的空間環(huán)境，已經(jīng)成為當(dāng)前煙氣脫硝中的常用方法。然而，該技術(shù)對于氮氧化合物濃度的控制效果有效，在實踐中通常與其他方法聯(lián)合應(yīng)用，以提高煙氣脫硝效果。

1.2.3 燃燒后

燃燒后的脫硝技術(shù)主要分為選擇性催化還原技術(shù)即SCR 技術(shù)和選擇性非催化還原技術(shù)即SNCR 技術(shù)。在采用SCR 技術(shù)時，需要充分發(fā)揮尿素和金屬催化劑的作用，確保氮氧化合物的充分反應(yīng)，產(chǎn)物包括水和氮氣等，不會對自然環(huán)境造成危害，因為在此過程中無需借助于氧氣的氧化作用，因此被稱為選擇性催化還原技術(shù)。尿素法SCR 技術(shù)和氨法SCR 技術(shù)是該技術(shù)的兩種主要形式，氮氧化合物在氨的作用下實現(xiàn)快速還原，通常以NH3為主要還原劑，可以提高處理效率。在流化床的作用下，可以針對煙氣混合物和氨實施混合處理，進(jìn)而生成大量的水蒸氣和氮氣等。如果缺少相應(yīng)的催化劑，則對于溫度的要求十分嚴(yán)格，一般在980℃左右才能確保良好的反應(yīng)效果，而催化劑的應(yīng)用可以將溫度降低至200～450℃，有效降低了工藝難度。特別是當(dāng)溫度在350℃以上時，加快了NH3的分解，應(yīng)該針對NH3和氮氧化合物的用量實施控制，一般在1∶1左右，脫硝效率達(dá)到90%左右。借助于TiO2可以為催化劑的使用提供可靠保障，在活性成分V2O5-MoO3作用下提高反應(yīng)效率[1]。低溫催化劑、中溫催化劑和高溫催化劑，是當(dāng)前催化劑的主要類型，分別適用于80～300℃、260～380℃及345-590℃的環(huán)境下。催化劑的活性會受到溫度因素的影響，尤其是當(dāng)溫度難以達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)時，脫硝效率也會隨之下降。

SNCR 技術(shù)也十分成熟，以尿素或氨為主要還原劑對煙氣中的氮氧化合物實施處理，溫度一般在850～1 050℃，最終產(chǎn)物也是水和氮氣。運用氨對氮氧化合物實施還原處理時，溫度應(yīng)該控制在950℃左右，在小型燃煤鍋爐機組和大型燃煤鍋爐機組中，脫硝效率分別在80%和40%～60%。相較于傳統(tǒng)工藝而言，該技術(shù)可以有效提高脫硝效率，而且整體成本投入不高，不會對鍋爐的燃燒造成嚴(yán)重干擾，在改造工作中得到廣泛應(yīng)用。

2 燃煤鍋爐煙氣脫硝技術(shù)的影響因素

溫度是影響脫硝效果的主要因素，比如在采用SCR 技術(shù)和SNCR 技術(shù)時，其最佳溫度分別為340～400℃和850～1 100℃，溫度過低或者過高都會對脫硝處理系統(tǒng)的運行造成限制。在處理過程中需要保障燃煤鍋爐煙氣與還原劑的充分混合，包括尿素和氨等，因此其停留時間也會對最終的處理效果造成影響。應(yīng)該結(jié)合煙氣的流速和鍋爐氣路大小等確定最佳停留時間，以保障各類反應(yīng)充分進(jìn)行。比如在SCR 系統(tǒng)和SNCR 系統(tǒng)中，其最佳停留時間分別為0.19～0.86s 和0.001～10s[2]。此外，為了確保兩者的有效混合，一般要針對噴槍的噴射量實施控制。

3 燃煤鍋爐煙氣脫硝技術(shù)改造策略

3.1 低氮燃燒技術(shù)改造

針對當(dāng)前低氮燃燒技術(shù)實施全面化改造，是提高煙氣脫硝整體成效的關(guān)鍵途徑。首先，應(yīng)該針對燃燒裝置實施全面優(yōu)化。在傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝下，風(fēng)口位置的設(shè)計缺乏合理性，這會對脫硝效率產(chǎn)生影響，因此在改造工作中應(yīng)該以低氮燃燒裝置改造為主。同時，以鈍體燃燒裝置替代原有的一次風(fēng)輸送口結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮設(shè)備的卷吸作用，使煤粉燃料在燃燒過程中獲得足夠的空氣，防止對低氮燃燒造成嚴(yán)重影響。對于二次風(fēng)輸送口結(jié)構(gòu)的全面改造，也是當(dāng)前低氮燃燒技術(shù)改造的關(guān)鍵點，通過窗口和導(dǎo)向葉片設(shè)置，解決了水冷壁的結(jié)焦問題，不僅能夠達(dá)到清潔生產(chǎn)的要求，而且輻射換熱作用也更加顯著，可以有效提高資源利用率，避免在生產(chǎn)作業(yè)中造成資源浪費的狀況[3]。其次，應(yīng)該針對燃盡風(fēng)系統(tǒng)實施全面優(yōu)化。運用孔洞對主燃燒裝置實施處理后設(shè)置燃盡風(fēng)噴嘴，實現(xiàn)對主燃燒裝置風(fēng)量的有效控制，改善低氮燃燒狀況，煙氣當(dāng)中的氮氧化合物在經(jīng)過處理后生成氮氣和水等，不會對空氣環(huán)境產(chǎn)生危害。

3.2 SNCR技術(shù)改造

針對選擇性非催化還原技術(shù)實施改造，是當(dāng)前煙氣脫硝技術(shù)改造的核心內(nèi)容，應(yīng)該在明確其各組成部分運行情況的基礎(chǔ)上，制定切實有效的改造方案，在改善脫硝效果的同時，降低系統(tǒng)設(shè)備的運行能耗，創(chuàng)造良好的生態(tài)效益及經(jīng)濟效益。首先，應(yīng)該合理改造蒸汽系統(tǒng)。在脫硝處理中，氨的均勻分布是保障煙氣中氮氧化合物與其充分反應(yīng)的關(guān)鍵，但是從實際情況來看分布效果卻難以達(dá)到預(yù)期要求。為此，應(yīng)該發(fā)揮蒸汽擾動裝置的作用，通過開孔處理的方式改善過熱裝置的運行狀況，煙氣在蒸汽噴嘴裝置的作用下可以更加均勻地與氨混合，提高脫硝處理效率，避免造成資源浪費的狀況[4]。其次，應(yīng)該合理改造噴槍結(jié)構(gòu)。噴槍混合裝置可以改善鍋爐的運行條件，也可以通過優(yōu)化噴槍霧化裝置實施改造，可以防止在脫硝處理過程中造成嚴(yán)重的泄漏狀況。為了改善爐膛和噴槍的位置關(guān)系，可以合理設(shè)置噴槍和水冷壁結(jié)構(gòu)的夾角，同時避免受到高溫環(huán)境的影響，提高噴槍工作效率?？梢詫?支噴槍設(shè)置在爐膛，另外2支噴槍設(shè)置在外側(cè)，當(dāng)鍋爐處于低負(fù)荷運行狀態(tài)和高負(fù)荷運行狀態(tài)時，分別使用下層噴槍和上層噴槍，可以有效改善鍋爐運行狀態(tài)，避免造成能耗增大的狀況，改善煙氣脫硝的環(huán)境。霧化頭、本體、噴嘴罩和噴嘴座等是噴槍的主要組成部分，運用氣動推進(jìn)氣缸和控制器對噴槍實施改造，可以達(dá)到自動化操作的目的，以減輕工作人員的負(fù)擔(dān)，增強煙氣脫硝系統(tǒng)的控制效果。運用DCS 控制系統(tǒng)可以快速獲取推進(jìn)器位置，從而實現(xiàn)對稀氨水閥門及霧化空氣閥門的有效控制，系統(tǒng)運轉(zhuǎn)也更加可靠與便捷[5]。再其次，應(yīng)該合理改造水冷壁彎管。在噴孔下部設(shè)置水冷壁彎管，為了避免在長期脫硝工作中對其造成嚴(yán)重的破壞，應(yīng)該采用不銹鋼護(hù)板實施防護(hù)處理。同時，還應(yīng)該采用耐火材料優(yōu)化設(shè)備運行狀況，防止出現(xiàn)較大的火災(zāi)隱患，保障設(shè)備及人員安全。通過針對性改造，可以降低漏流液體對水冷壁結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重?fù)p壞，降低銹蝕出現(xiàn)的幾率，延長設(shè)備使用壽命。最后，應(yīng)該合理改造稀氨水輸送系統(tǒng)。稀氨水泵、噴槍、稀氨水儲罐、測量儀表和調(diào)節(jié)閥門等共同組成稀氨水輸送系統(tǒng)，運用自動調(diào)節(jié)閥對稀氨水泵實施優(yōu)化，可以降低泵的故障率，同時設(shè)置循環(huán)回路，借助于DCS 系統(tǒng)針對各項參數(shù)實施調(diào)節(jié)，維持系統(tǒng)的良好運行狀態(tài)，包括流量值和壓力值等，使其始終處于規(guī)定范圍之內(nèi)。此外，在信息化時代背景下，如何實現(xiàn)煙氣脫硝裝置的數(shù)字化及自動化控制，也成了當(dāng)前工作中面臨的主要問題，因此在技術(shù)改造過程中應(yīng)該充分融合自動化控制技術(shù)，提高運行實效性。比如運用氨水濃度顯示儀、儲罐液位顯示儀等可以為氨水的制備工作提供保障，在儲存過程中更加直觀地看到液位情況。借助于變頻控制器對稀氨水泵實施改造后，可以充分發(fā)揮DCS 控制系統(tǒng)的作用，幫助工作人員及時了解設(shè)備運行情況，通過流量分析及時預(yù)測可能出現(xiàn)的故障問題，采取有效的預(yù)防及控制措施，避免釀成嚴(yán)重后果，同時變頻控制的方式也可以改善設(shè)備的運行效率，降低設(shè)備能耗。DCS 控制系統(tǒng)的設(shè)置，也可以自動化操作空氣噴射系統(tǒng)噴槍，在退出和推進(jìn)中更加詳細(xì)地分析其工作情況，為狀態(tài)檢修和運行維護(hù)提供支持。通過對SNCR 技術(shù)的全面改造，可以確保系統(tǒng)運行參數(shù)達(dá)到環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)要求，比如煙塵濃度控制在60mg/m3以內(nèi)，達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中不超過80mg/m3的要求；二氧化硫濃度控制在350mg/m3以內(nèi)，達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中不超過400mg/m3的要求；氮氧化合物濃度控制在350mg/m3業(yè)內(nèi)，達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中不超過400mg/m3的要求[6]。此外，氨的逃逸率也極大降低，在10mg/m3以內(nèi)，可以提高資源利用率。

3.3 SCR技術(shù)改造

首先，需要對煙氣流程加以完善。SCR 系統(tǒng)運行中對于溫度的要求較高，只有確保煙氣溫度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值，才能提高煙氣脫硝的效率，一般在300～400℃，通過改造反應(yīng)器裝置的方式，能夠強化對煙氣溫度的控制效果?？梢栽谑∶浩餮b置和預(yù)熱裝置當(dāng)中安裝反應(yīng)器，其溫度可以快速超過350℃，為脫硝處理創(chuàng)造良好的溫度條件。預(yù)熱裝置還能夠?qū)μ幚砗蟮臒煔鈱嵤┦占ㄟ^脫硫處理后可以達(dá)到國家相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)，對于煙氣流程的優(yōu)化是提升反應(yīng)效率的關(guān)鍵。其次，需要對反應(yīng)裝置加以改造[7]。反應(yīng)裝置中的催化劑往往會受到飛灰的影響，造成資源浪費的問題，無法達(dá)到預(yù)期處理效果，因此可以運用耐磨層改善反應(yīng)裝置的運行狀況，脫硝效率也會更高，在系統(tǒng)的長期運行過程中，煙塵負(fù)荷和壓力負(fù)荷等會對反應(yīng)裝置的運行安全造成威脅，為了避免造成變形或者破壞的情況，需要通過支撐裝置對其實施固定，防止在運行過程中出現(xiàn)嚴(yán)重的故障問題。最后，需要對氨噴射裝置加以改造[8]?？諝馀c氨混合的過程中，對于管道和混合裝置的要求較高，這是決定脫硝效果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，應(yīng)該充分發(fā)揮流體動力的作用，提高混合均勻性。噴孔部件、供應(yīng)箱部件和噴霧格柵結(jié)構(gòu)等是氨噴射裝置的主要組成部分，應(yīng)該以自動化改造為重點，實現(xiàn)對各類構(gòu)件的自動化調(diào)節(jié)，幫助工作人員及時了解氮氧化合物的濃度情況，以便確定最佳的氨水用量，在保障良好混合效果的同時，避免用量過大而出現(xiàn)資源浪費、成本升高的情況。通過對SCR 系統(tǒng)的有效改造，在氮氧化合物濃度為350mg/m3時，其處理效率在85%左右，可以達(dá)到相關(guān)要求。

4 結(jié)束語

燃煤鍋爐煙氣脫硝技術(shù)在熱源廠中得到廣泛應(yīng)用，可以有效去除煙氣中的污染物，以保障良好的大氣環(huán)境，防止產(chǎn)生嚴(yán)重的污染問題。煙氣脫硝技術(shù)主要分為燃燒前、燃燒中和燃燒后的脫硝技術(shù)，只有確保每個環(huán)節(jié)的良好銜接關(guān)系，才能提高脫硝工作效率與質(zhì)量，確保煙氣達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。要通過技術(shù)改造的方式，拓展脫硝系統(tǒng)功能，包括低氮燃燒技術(shù)改造、SNCR 技術(shù)改造和SCR 技術(shù)改造等，以解決當(dāng)前技術(shù)應(yīng)用中的不足，為企業(yè)創(chuàng)造更高的綜合效益。