某循環(huán)流化床鍋爐脫硝工程設(shè)計

1 某循環(huán)流化床鍋爐概況

北方某縣城440 t/h 循環(huán)流化床鍋爐，數(shù)量為2 臺。2 臺鍋爐均為超高壓單爐膛、膜式水冷壁結(jié)構(gòu)。 鍋爐為全鋼架結(jié)構(gòu)，通風模式采用自然循環(huán)、平衡通風，鍋爐系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置采用離心力分離爐內(nèi)氣體成分的旋風分離器和和干式排渣系統(tǒng)。 兩臺鍋爐的運行參數(shù)和初始煙氣特征基本一致，詳見表1。

表1 鍋爐運行參數(shù)及初始煙氣特征值

該單位兩臺循化流化床鍋爐初始煙氣中的氮氧化合物含量為350 mg/m3，不符合國家現(xiàn)行規(guī)定的燃煤鍋爐氮氧化合物排放標準。 此外， 當?shù)卣畬ξ廴疚锱欧帕恐笜艘灿休^高要求，氮氧化合物的含量指標也不符合政府控制要求。 對當?shù)乜諝赓|(zhì)量進行檢測發(fā)現(xiàn)，氮氧化合物含量處于臨界值，偶爾還會出現(xiàn)超過限值的情形。 因此，對該集中供熱系統(tǒng)中的循化流化床鍋爐進行脫硝工程設(shè)計是必須的，也是迫切的。

2 循環(huán)流化床鍋爐脫硝工藝比選

SNCR 脫硝工藝和SCR 脫硝工藝是鍋爐脫硝較為成熟的技術(shù)，具體哪種工藝適合該鍋爐脫硝工藝，要從技術(shù)因素和經(jīng)濟因素兩方面進行對比分析，擇優(yōu)選擇。SCR 技術(shù)的脫硝效率比SNCR 高，但SCR 技術(shù)的還原劑要根據(jù)鍋爐煙氣初始溫度和初始特征進行判斷，而且SCR 技術(shù)的催化反應器所占空間較大， 再加上案例項目鍋爐初始煙氣中氮氧化合物的含量并不算太高，所以SCR 技術(shù)并不是適合案例項目中鍋爐脫硝的要求。 SCR 技術(shù)工藝復雜，催化劑和反應器的價格較高，工藝造價大概400 元/kW。

SNCR 技術(shù)中的氨參與了脫硝反應， 但是對溫度要求較高，溫度過高會產(chǎn)生附加的氮氧化合物，溫度過低會影響化學反應效率，最適宜的溫度范圍為850~1 100 ℃。 而循環(huán)流化床鍋爐運行過程中，是通過固體分離器來噴入還原劑，可以將還原劑和煙氣進行充分混合； 并且鍋爐的溫度通常設(shè)置在800~1 100 ℃，不會產(chǎn)生額外的氮氧化合物。 SNCR 無須反應器的參與，模塊設(shè)計相對簡單，工藝造價大概80 元/kW。

基于此，SNCR 技術(shù)更適合本項目75 t/h 小型循環(huán)流化床鍋爐脫硝工程。 還原劑選擇方面重點考慮脫硝效率、脫硝安全性以及經(jīng)濟性。 效率最高的還原劑肯定是液態(tài)氨，但是安全性不足，氨水效率和安全性都可以，但是氨水購買和配置存在一定的限制措施，最后考慮尿素作為還原劑[1]。

3 SNCR脫硝系統(tǒng)設(shè)計

3.1 還原劑（尿素）各個相關(guān)模塊設(shè)計

3.1.1 尿素溶解模塊設(shè)計

循化流化床鍋爐脫硝第一步是要將固體尿素在溶解罐中溶解成溶液并進行配置工作。溶解模塊需要用到的設(shè)備主要有溶解罐、攪拌設(shè)備、加熱器、輸送設(shè)備以及各類配套控制設(shè)備和儀器。溶解罐的設(shè)計壓力值≤0.049 MPa，固體尿素通過人工破除外包裝袋后放入螺旋上料機進行自動上料，并送入溶解罐中進行尿素容易配置。 為更加精確控制加注水量，將加注水系統(tǒng)設(shè)定為遠程自動控制，只需按動加注水按鈕，除鹽水便自動加入。 當溶解罐中加注水高度達到2 m 后，觸發(fā)罐體自動停止加水信號器，立即停止加水，并遠程操控攪拌器進行攪拌。

3.1.2 尿素溶液的儲存和還原劑的輸送模塊設(shè)計

固體尿素攪拌成液體后需要存儲在脫硝系統(tǒng)的一個公用儲存系統(tǒng)內(nèi)，儲存系統(tǒng)包含一個標有不同液位的立式儲罐、溫度和壓力顯示器以及各類配套管網(wǎng)和操作閥門。 儲存系統(tǒng)中的PLC 控制器可以根據(jù)立式儲存罐中液位指示器和罐體內(nèi)溫度感應器傳遞的信號來控制尿素溶液存儲模塊， 當液位計在高位時發(fā)送報警信號，PLC 控制器便控制供料設(shè)備自動停止；當液位計在地位時發(fā)送的報警信號，PLC 控制器便控制供料設(shè)備自動啟動。 由于尿素溶液在16 ℃以下會析出晶體，為了抑制尿素溶液的晶體析出， 尿素溶液存儲系統(tǒng)中安裝自動加熱設(shè)備，保證尿素溶液溫度始終處于30 ℃左右。 為了確保尿素溶液存儲罐體內(nèi)的壓力處在設(shè)計壓力范圍內(nèi)， 脫硝系統(tǒng)特意設(shè)計一個可根據(jù)罐內(nèi)壓力變化自動控制開啟或者關(guān)閉的呼吸閥，保證了脫硝系統(tǒng)的正常平穩(wěn)運行，尿素液體存儲罐體側(cè)面安裝手扶爬梯，便于罐體后續(xù)的檢查和維修。

脫硝系統(tǒng)中的還原劑輸送指的是將還原劑從尿素溶液存儲罐輸送到計量混合模塊，其控制路徑是輸送泵運行時發(fā)出信號到PLC 控制器，PLC 控制系統(tǒng)再綜合循化流化床鍋爐和鍋爐脫硝系統(tǒng)的綜合運行情況，來控制輸送泵的關(guān)閉或者啟動。 由于輸送泵的重要性，在脫硝系統(tǒng)中采用一用一備的原則來設(shè)計輸送泵，還原劑的最大輸送壓力為1.5 MPa。為了確保對泵送壓力的動態(tài)實時監(jiān)測，在每個泵上設(shè)計安裝壓力表。

3.2 稀釋水模塊設(shè)計

脫硝系統(tǒng)的稀釋水系統(tǒng)主要作業(yè)是增加整個脫硝系統(tǒng)的抗沖擊能力， 即保證脫硝系統(tǒng)運行工況發(fā)生變化時噴嘴處的溶液流量保持不變。 循化流化床鍋爐運行過程中氮氧化合物濃度發(fā)生變化時， 系統(tǒng)所需要的氨氣量也隨著氮氧化合物濃度變化而發(fā)生變化， 繼而導致噴射器中尿素流量也發(fā)生變化，當單位時間內(nèi)噴出的尿素流量較大時，鍋爐爐膛內(nèi)的霧化效果將受到不利影響，影響脫硝效果。 通過電動閥門來控制稀釋罐內(nèi)除鹽水的加入， 將稀釋水模塊的最高水位設(shè)定為2.6 m，當高出設(shè)定水位高度后自動停止除鹽水的加入。 稀釋水系統(tǒng)設(shè)計包括稀釋水箱、稀釋泵、操作閥門、輸送系統(tǒng)和安全儀表。

3.3 計量混合模塊設(shè)計

計量混合模塊設(shè)計的基本原理是在還原劑運輸管路和稀釋水流動管路上設(shè)置性能可靠的流量計和調(diào)節(jié)閥門來配置其進入混合器中的流量，為其配置濃度匹配的尿素溶液。PLC 控制器在脫硝系統(tǒng)中起到了動態(tài)監(jiān)測的作用，對尿素溶液壓力、稀釋水壓力、 稀釋水流量以及混合后管路壓力進行動態(tài)實時監(jiān)測。 此外，PLC 控制器還可以靈敏地監(jiān)測到系統(tǒng)高低壓力變化信號，對信號采取預設(shè)動作指令。 計量混合模塊設(shè)計主要是在尿素溶液輸送路徑上設(shè)置電磁流量計來監(jiān)測其流量大小，并通過電動調(diào)節(jié)閥來對尿素溶液流動的管路進行控制； 稀釋水管上安設(shè)渦街流量計，來控制稀釋水流動管路。 當?shù)趸衔餄舛劝l(fā)生變化時， 可以采取調(diào)節(jié)尿素溶液流量大小和調(diào)節(jié)稀釋水流量大小來調(diào)節(jié)混合液濃度， 確保脫硝工程各個反應滿足預設(shè)要求。 此外，為了防止尿素溶液或者稀釋水在壓力變化下發(fā)生回流現(xiàn)象，在管路上需要安設(shè)止回閥。

3.4 溶液噴射模塊設(shè)計

在SNCR 脫硝系統(tǒng)設(shè)計中， 尿素溶液的霧化程度在很大程度上決定了鍋爐的脫硝效果。 對該循化流化床鍋爐各個組成結(jié)構(gòu)進行系統(tǒng)分析后， 按照煙氣和還原劑充分混合接觸的基本原則，對噴槍位置進行了微調(diào)。 噴槍噴出的溶液進入反應區(qū)，在適宜溫度下形成霧化液珠，霧化液珠加速將尿素分解成氨，提升了氨水和氮氧化合物的反應速率，提升了脫硝效率。為此，脫硝系統(tǒng)中噴射模塊的噴槍設(shè)計為墻式噴槍，安裝示意圖，如圖1 所示。

圖1 墻式噴槍安裝示意圖

根據(jù)脫硝系統(tǒng)溫度要求，選擇熱涂碳化鎢作為噴槍材質(zhì)，噴槍套筒內(nèi)設(shè)計自動通冷風裝置，保護噴槍。 噴槍噴射溶液過程中，利用計量混合模塊PLC 控制系統(tǒng)，實時動態(tài)監(jiān)測氮氧化合物濃度變化信號、 鍋爐負荷變化信號以及鍋爐爐膛燃燒情況信號，來動態(tài)控制還原劑噴入量，保證脫硝系統(tǒng)運行的安全性和經(jīng)濟性。 此外，為了確保煙道整個截面都在霧化的有效范圍內(nèi)，除了科學合理布設(shè)噴射點位外，采用高壓高速的噴射策略可以防止噴槍長期噴射作業(yè)發(fā)生局部堵塞， 提升尿素溶液的噴射質(zhì)量。

3.5 控制單元模塊設(shè)計

SNCR 脫硝系統(tǒng)中控制單元的主要功能就是對尿素稀釋作業(yè)進行實時動態(tài)調(diào)整， 控制系統(tǒng)做出反應的信號來源主要來自系統(tǒng)溫度和GMSE 信息。 當設(shè)定的數(shù)值與鍋爐脫硝系統(tǒng)實際運行過程中的數(shù)值存在差異時， 系統(tǒng)會自動發(fā)出報警信號。 循化流化床鍋爐DCS 控制系統(tǒng)可以顯示SNCR 脫硝系統(tǒng)正常運行下的出口處氮氧化合物濃度信號、 噴槍所在位置溫度信號、 出口處的氨濃度信號以及鍋爐運行過程中的負荷情況等。 SNCR 脫硝系統(tǒng)控制系統(tǒng)可遠程操作也可就地操作，除了固體尿素外包裝需要人工破除外， 其他環(huán)節(jié)均為全自動操控模式，控制系統(tǒng)除了可以精確計算尿素溶液的噴加量，還可以對稀釋模塊進行實時動態(tài)控制。

4 結(jié)語