75t/h煤粉锅炉烟气脱硝技术改造

黎子锋

(珠江啤酒股份有限公司热电厂，广东 广州 510315）

75t/h煤粉锅炉烟气脱硝技术改造

黎子锋

(珠江啤酒股份有限公司热电厂，广东 广州 510315）

广州珠江啤酒股份公司热电厂两台75t/h锅炉，采用低氮燃烧技术和炉内选择性非催化还原（SNCR）脱硝技术相结合，对锅炉排放的烟气进行脱硝治理。脱硝效率为60%，达到预期效果。

烟气脱硝；低氮燃烧；SNCR

一、锅炉情况

热电厂2台B&WB75-5.3-M锅炉型自然循环锅炉，额定蒸发量为75t/h，炉膛的深度×宽度为5 810mm×5 810mm。制粉系统为中速磨直吹式，锅炉采用正四角直流式煤粉燃烧器，燃烧器排列方式为(从下往上排列)2、1、2、2、1、2，切圆直径为450mm。锅炉设计燃煤为山西大同烟煤。锅炉原燃烧器尚未采用低氮燃烧技术，锅炉的NOX排放浓度700～1 000mg/m3。

二、改造方案

经对锅炉的设计资料及图纸研究分析，并经改造前的锅炉性能实验得出如下几个原因造成NOX排放浓度不达标。

1.一次风率过高

一次风率偏高时，在燃烧的过程中，煤粉着火和挥发份燃烧阶段氧浓度较高，挥发份NOX大量生成，对于燃用烟煤燃烧器，若不加控制，挥发份NOX会大量生成，成为NOX的主要来源。一次风率过高同时会推迟煤粉着火，导致锅炉稳燃性差，飞灰含碳量升高。改造前，锅炉燃烧器一次风率设计值为38%，远大于低氮燃烧器设计一次风率值，煤粉中挥发份N将大部分转化为NOX，对NOX和着火稳燃极为不利。

2.均等配风

改造前，锅炉燃烧器采用传统均等配风方式，将所有的煤粉和空气都通过燃烧器送入炉膛燃烧，这样煤粉与空气充分混合，燃烧强度大，燃烧温度高，但由此产生的NOX排放量也高。

3.未采取烟气脱硝技术

考虑到以上实际情况，本着节约和高效的原则，锅炉的脱硝改造综合利用了低氮燃烧技术和尾部加装烟气脱硝技术。

三、低氮燃烧技术改造

锅炉低NOX燃烧改造方案采用上下浓淡燃烧技术，将一次风分为浓淡2股，低NOX燃烧器的特点是在燃烧器出口实现分级送风与燃料合理配比，达到抑制NOX生成的目的。它的设计用于控制燃烧器附近燃料与空气的混合，可以阻止燃料氮向NOX的转化和热力NOX的生成，同时兼具低负荷稳燃的作用。解决改前燃烧器一次风率设计值偏高的问题，抑制挥发份NOX生成；同时采用空气分级燃烧技术，设2层SOFA风，抑制燃烧后期NOX生成。通过低氮燃烧技术改造，达到NOX排放水平不高于400mg/m3的目标。

1.上下浓淡燃烧

燃烧器一次风喷口前安装可调式煤粉浓淡分离器，将一次风分成上下浓淡2股气流，在不显著增大一次风道阻力的前提下，浓淡比可达7:1。其基本设计思想是利用扇形挡块对煤粉颗粒的惯性导向作用，实现

煤粉气流的浓缩和分流，达到煤粉浓淡分离目的。

如图1所示，分离装置由原一次风管道、挡块、弯曲板及隔板组成。挡块安装在一次风管道壁面上，当煤粉气流流经时，由于挡块的导向作用，一部分煤粉气流改变流动方向，在这部分气流中，由于煤粒颗粒的运动惯性远大于空气的惯性，经与挡块碰撞后大部分反弹至浓侧气流通道，同时，由于导流作用在挡块后形成一个低压区，小部分煤粉颗粒随空气在压差作用下绕流挡块进入淡侧气流通道。这样，在挡块作用下，煤粉气流被浓缩，形成了浓淡分离。在挡块后面还设置了分离隔板，把这两股浓淡偏差气流保持到燃烧器出口。

图1 上下浓淡分离器原理图

浓度的连续可调是通过改变挡块高度来实现的。当挡块转动使高度发生变化时，浓淡分离效果是不同的，这样达到煤粉浓度连续可调目的。

一次风浓、淡侧喷口均设波形钝体，在钝体后形成一回流区回流高温烟气，强化着火，使得煤粉更多燃烧过程在与周围二次风混合前燃烧，抑制燃烧初期挥发份NOX生成。同时强化着火可以提高燃烧效率。

原一次风冷却风仍保留，以便在燃烧器停用时起到保护喷口作用。

2.空气分级燃烧

SOFA空气分级燃烧技术，将炉膛燃烧区域分成两部分，减少下部一次燃烧区域配风，使得煤粉燃烧初期处于欠氧条件，NOX生成得到抑制，在燃烧器上部一定高度处布置分离式火上风(SOFA)，保证煤粉燃尽。

SOFA空气分级燃烧技术是目前主流的煤粉低NOX燃烧技术，其原理主要是控制煤粉燃烧前期的氧量，使得煤中大部分N元素转化为N2，SOFA的补入提供焦炭燃尽所需氧量，保证锅炉燃烧效率。

SOFA喷口设摆动机构，可以上下摆动以适应燃料煤种变化。正常运行时，投运一层SOFA风，另一层保留一定的冷却风量即可保证炉膛送风，当燃用难燃尽煤时，投运下层SOFA风，及早补入燃烧用风，保证燃尽；当燃用煤种容易燃尽时，投上层SOFA，保证燃尽的同时可以将NOX控制得更低。

3. 改造方案

由于此次改造不改动现有制粉系统和送粉系统，燃烧器设计方案维持一次风量、风速、风温不变，二次风速和风温也维持不变，SOFA引自热风管，其风速和风温与二次风相同。改造方案燃烧器配风参数见表1。

表1 改造配风方案

改造方案中主燃烧器喷口布置方式：取消一层二次风，喷口布置从下到上依次为2、1、2、1、2，主燃烧器上部设2层SOFA喷口，即上SOFA和下SOFA。各喷口特点如下。

(1)一次风。一次风喷口布置标高略有变动，下一次风风管往上移132mm，上一次风风管往下移100mm。

一次风喷口设水平波形钝体，钝体迎风面设耐磨陶瓷片。运行时在钝体后形成回流区，强化燃烧，保证稳定燃烧，降低着火初期NOX排放。

(2)二次风。保持上、下二次风标高不变，喷口尺寸也不变，原先中间的两层二次风取代为一层中二次风。

(3)SOFA。要获得好的低NOX排放效果，SOFA应布置在距离主燃烧区越远越好的位置，但其布置高度另一方面也受到碳燃尽的影响，进而影响锅炉效率。SOFA喷口设上、下两层，并可在此基础上上下手动摆动15°，以适应燃料煤种变化。

(4)让管安装。为配合两层SOFA管道的安装，需要对这两层水冷壁管进行6根管道让管改动。而燃烧器长度与改前的燃烧器长度相等，故不需要进行让管工作。

4.低氮燃烧技术改造效果

由于改造方案采用了SOFA技术，使得SOFA喷入前的一次燃烧区域供氧不足，火焰被拉长，燃料在喷入炉膛后不能迅速完全燃烧，热量也没有得到充分释放。热力型NOX的生成量在1 500℃以上时其生成量迅速增长，而该区域温度大都在1 500℃以下，有效抑制热力型NOX的生成。

随着OFA风的大量补入，未燃尽的焦炭将迅速燃烧，释放热量，炉膛温度也与改前燃烧器趋于一致。到炉膛出口，改造方案温度与改前燃烧器趋于相同，不会对过热器的受热产生影响。由于采用了空气分级燃烧技术，在燃烧初期NOX浓度即维持在较低水平，随着OFA风的补入，NOX浓度有所升高，但此时煤粉中的N元素大部分已转化为N2，NOX浓度升高幅度不大。到炉膛出口，NOX排放浓度控制在400mg/m3以下。

四、SNCR改造

选择性非催化还原(SNCR)是一种不用催化剂，在900～1 100℃范围内还原NOX的方法。还原剂常用氨或尿素，还原剂迅速热分解，和烟气中的NOX反应，迅速生成N2和H2O。最主要的化学反应方程式如下。

当温度过高，超过反应温度窗时，氨就会被氧化成NOX。

方案中，SNCR脱硝技术利用尿素做还原剂，将干尿素溶解为40%浓度的溶液后泵送至炉前，经稀释水系统稀释并经压缩空气雾化后送至炉内，与烟气充分混合反应脱除炉内NOX。

1.影响SNCR的性能参数

(1)温度窗口。温度窗口是脱硝反应最佳的炉膛温度区间。若反应温度过低，还原剂与NOX没有足够活化能使脱硝反应快速进行，导致脱硝效率降低。温度过高，尿素本身也会被氧化成NOX，反而会增加NOX的排放。以尿素为还原剂的SNCR温度窗口为900～1 100℃。

(2)停留时间。在还原剂离开窗口前SNCR整个反应过程必须完成，这样才能达到理想的脱硝效果。若想获得良好的脱硝效果，还原剂的停留时间至少要0.5s。

(3)适当的NH3/NOX的摩尔比。根据反应方程式，NH3/NOX的理论摩尔比应该为1，但实际上都要比1大才能达到较好的NOX还原率。NH3的量加大有利于还原剂与烟气的混合。但过高的NH3量也会增加氨的逃逸。

2.具体工艺过程

本次 改造方案采用尿素为还原剂。如图2所示，作为还原剂的固体尿素在溶解罐内，被制备成浓度为40%的尿素溶液，尿素溶液经输送泵送至尿素溶液罐，尿素溶液罐中的尿素溶液通过循环模块输送至计量分配模块，与稀释水混合，稀释成5%～10%的尿素溶液。配制稀释好的尿素溶液将送到2个喷射区喷射器。尿素溶液经由喷射器喷入炉内与烟气混合进行脱除NOX的氧化还原反应。达到SNCR系统入口NOX浓度400mg/m3时，保证NOX排放浓度≤300mg/m3的效果。

根据锅炉热态性能测试数据及CFD数值模拟计算结果，定出SNCR喷枪布置，确保脱硝反应发生在最佳的温度窗口。每台锅炉喷枪设置2层：A层在锅炉侧墙各设置2根喷枪；B层在锅炉前墙设置4根喷枪，两侧墙各设置1根喷枪。其中2#锅炉A层在15.5m层，B层在18m层；3#锅炉A层在15.8m层，B层在18.3m层。根据锅炉运行时负荷的情况、温度场变化以及NOX含量等决定投运喷射区喷射量。

当锅炉负荷和炉膛出口的NOX浓度变化时，送入炉膛的尿素量也应随之变化，这将导致送入喷枪的流量发生变化。若喷枪的流量变化太大，将会影响到雾化喷射效果，从而影响脱硝率和氨残余。因此设计了稀释系统，用来保证在运行工况变化时喷嘴中流体流量不变。特定浓度的尿素溶液从储罐输出后，在炉前与稀释水混合，通过监测在线稀释水流量来调节最终的尿素浓度。

配制稀释好的尿素溶液将送到2个喷射区的喷射器。各喷射区设有流量调节阀门和流量计量设备，用以计量和控制本区喷入炉膛的尿素流量。喷射所需的雾化介质采用压缩空气，其作用主要是提高还原剂喷射速度、增加喷射动量，以加强尿素溶液颗粒与炉内烟气混合，保证脱硝效果、提高尿素利用率减少尿素用量，并且减少尾部氨残余。

3.运行试验最佳参数

通过对锅炉的试验及对数据比较，按以下参数运行时可取得较佳的运行效果：50t/h负荷，设定流量为0.56m3/h，浓度为8%～10%。50～70t/h负荷，设定流量0.56m3/h，浓度为8%～10% ，70t/h以上负荷设定流量0.56m3/h，设定浓度为5%。

图2 SNCR工艺示意图

五、系统技术改造后实际运行效果

通过比较改造前后2台锅炉运行实际情况，从表2可见，2台锅炉脱硝效率均能达到大于60%的目标和氮氧化物排放浓度不大于400 mg/m3的要求。2台锅炉氮氧化物排放量每小时分别减少56.15kg和68.4kg。按每年运行330d计算，分别可减排氮氧化物444.71t和541.73t，年总削减量为986.44t，达到环保部门要求公司年总减排776.17t的目标。

表2 脱硝改造后氮氧化物数据对比

[1] 孙克勤，钟泰.火电厂烟气脱硝技术及工程应用[M].化学工业出版社.2006.

[2] 钟泰.燃煤烟气脱硫脱硝技术及工程实例[M]. 化学工业出版社.2004.

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