陈海杰
摘 要:介绍了以氨水为还原剂,利用选择性非催化还原法(SNCR)的高效烟气脱硝技术在某电厂650 MW级W火焰炉上的应用实例。常规SNCR技术脱硝效率比较低,一般情况下,中小型机组的脱硝效率在40%左右,大型机组的脱硝效率在30%左右,而W型火焰炉的脱硝效率在25%以下。对于大型机组W型火焰炉来说,炉膛面积比较大,温度场复杂,烟气量大,低氮后NOx含量高,更是给SNCR脱硝技术的实施增加了难度。目前,国内尚无大型机组W型火焰炉SNCR脱硝技术高效率的项目业绩。因此,在大型机组W型火焰炉上,要达到高效的SNCR,关键在于选择适宜的温度区间,并尽可能使烟气与还原剂充分均匀混合。为了满足以上关键条件,对锅炉进行CKM&CFD模拟,合理设计,使高效SNCR技术在650 MW级W型火焰炉上取得了良好的脱硝效果,综合脱硝效率在62.5%左右,且氨逃逸比较低。高效SNCR技术,总体投资费用低,效率一般在38%~75%,不仅能成功运用在大型机组W型火焰炉上,还能作为其他炉型的大型机组超低排放的最佳联合手段。
关键词:W型火焰炉;烟气脱硝;SNCR;氨水
中图分类号:X701.3 文獻标识码:A DOI:10.15913/j.cnki.kjycx.2016.24.020
随着我国电力行业的不断发展,燃煤电厂对煤的需求量不断增加。在能源日趋紧张的情况下,低挥发分煤和低热值煤逐渐被广泛应用于大型电站。由于W型火焰锅炉采取了煤粉浓缩、分级送风燃烧、长火焰、敷设卫燃带等技术措施,有效提高了锅炉的燃煤适应性、低负荷稳态燃烧能力和飞灰燃尽率,在燃料的着火、火焰的稳定和燃料的燃尽方面也有显著的优势,所以,它被广泛应用于我国电站中。
目前,我国引进的各流派W型火焰炉共计100台左右,锅炉形势均为π型炉结构。由于W火焰炉在煤质、炉型和燃烧方式上比较特殊,导致NOx排放浓度较高。现阶段,国内现役的大型机组W型火焰炉未进行低氮燃烧器改造的NOx排放量基本在1 000~1 500 mg/Nm3之间,经低氮燃烧器改造后的NOx排放量基本都在800~1 200 mg/Nm3。由此可见,W型火焰炉NOx排放浓度远高于常规燃烧方式锅炉的NOx排放水平。为了达到国家超低排放标准,除了采用低氮燃烧器改造外,还可以联合SCR增容来提高脱硝效率。但是,SCR技术不仅投资比较高,后期更换催化剂费用也高,而且长期稳定在95%以上的脱硝效率难度比较大,仍不能满足长期超低排放要求。
与SCR增容方法相比,在大型机组W型火焰炉上,在不对锅炉进行SCR增容的情况下,采用高效SNCR技术,装置结构简单,运行可靠,便于维护,且投资费用低,锅炉整体脱硝效率可达95%以上,实现超低排放。
1 项目概述
某电厂机组为650 MW超临界燃煤发电机组,锅炉为北京B&W公司生产的超临界参数、垂直炉膛、一次中间再热、平衡通风、固态排渣、全钢构架、露天布置的∏型锅炉,采用W型火焰燃烧方式。
经现场考察,电厂原设置有氨区,可以将氨水作为脱硝还原剂,减少初期投资成本。另外,电厂脱硝用氨水含氨量不超过25%,划分为丙类物质,危险性低,可以制备一定量氨水存储使用。该工程锅炉已经过低氮燃烧器改造,改造后产生的氮氧化合物浓度在800 mg/Nm3以内,增设高效SNCR脱硝系统,设计在锅炉40%~100%BMCR负荷范围内。当氨逃逸率小于1×10-5时,长期稳定脱硝效率为35%;当氨逃逸率小于9×10-5时,长期稳定脱硝效率大于50%.
2 高效SNCR工艺流程
SNCR法,即选择性非催化还原法,在适宜温度范围内,在无催化剂的条件下,将氨水、尿素等还原剂喷入炉膛与烟气中氮氧化合物混合,最终生成N2。
不同还原剂的最佳反应温度区间不同,以氨水为还原剂的最佳反应温度区间在850~1 175 ℃。
以氨水为还原剂的主要反应如下:
将氨水作为还原剂的SNCR系统,是由氨水制备系统、氨水存储系统、氨水升压输送泵模块、稀释水升压输送泵模块、计量稀释模块、计量喷射模块、喷枪等组成的。液氨由厂区管道输送进氨水制备器中,与混合水在制备器中,制成质量分数为20%的氨水溶液后输送到氨水储罐存储;氨水罐中的质量分数为20%的氨水再通过氨水升压输送泵模块输送到计量稀释模块,稀释水由厂区水罐通过稀释水升压输送泵同时输送到计量稀释模块,质量分数为20%的氨水和稀释水在计量稀释模块内混合为质量分数为5%~10%的稀氨水。稀释后的氨水经过计量喷射模块的精确计量后,分配至每支喷枪。还原剂氨水由喷枪雾化后喷入炉膛,进行脱硝反应。
3 系统设计参数
3.1 锅炉主要运行参数
锅炉的主要运行参数如表1所示。
注:表中参数除注明外,均为设计煤种BMCR工况
3.2 锅炉设计煤种资料
锅炉设计煤种资料如表2所示。
3.3 锅炉热力计算参数(设计煤种)
锅炉热力计算参数参如表3所示。
3.4 SNCR系统设计参数
SNCR系统设计参数如表4所示。
4 SNCR脱硝系统CKM&CFD模拟
实施高效SNCR技术的关键是:①精确选取合适的温度反应区间;②在这个反应区间找出还原剂合适的喷射浓度和喷射液滴直径;③使还原剂喷射的覆盖面积相对大,与烟气充分混合均匀。这3点都做得比较好,脱硝效率就会非常高。
对于本工程650 MW的W型火焰炉来说,炉膛面积大,温度场复杂,NOx含量分布不均匀,所以,要精确锁定最佳温度反应窗口,选择合理的插枪位置,需进行CKM&CFD模拟。在模拟过程中,先要手动测量锅炉关键位置的温度;测温后,对比和分析实测温度与热力计算参数、现场DCS数据,为CKM&CFD模拟提供相对精确的温度场数据。
CKM&CFD模拟模型入口NOx含量按800 mg/Nm3设置,其他烟气成分按照经验分布设置,除了氧气水分等,并不影響脱硝反应的进行。在此设置条件下,分别在100%,75%,50%的负荷情况下进行CKM&CFD温度场模拟。SNCR系统出口采用压力出口边界条件。
模拟结果如图1、图2、图3所示。
100%负荷时,温度场分布如图1所示。
75%负荷时,温度场分布如图2所示。
50%负荷时,温度场分布如图3所示。
5 高效SNCR脱硝系统关键因素
高效SNCR系统与常规SNCR系统相比,在设计大型机组W型火焰炉上,除了要精确锁定最佳反应温度窗口外,还有几个关键因素对脱硝效率有重要的影响。由于W型火焰炉炉膛面积比较大,且最佳反应温度区间不同于常规锅炉,所以,喷射量、喷射浓度、喷射雾化颗粒大小、反应停留时间、还原剂覆盖面积等关键因素同样起着至关重要的作用。
在不同负荷下,还原剂喷射量不同,浓度不同,反应停留时间不同,与烟气的混合程度也不同。同样,雾化颗粒粒径也不能过大过小,过大,不仅不能在短时间内完全反应,还会产生液滴,引起过热器爆管;过小,穿透性差,不利于与烟气的充分混合。
因此,在设计高效SNCR系统时,如何使用少量的还原剂达到高脱硝效率,是系统的重要环节,是系统关键设计部分,而且设计时要充分考虑工程经验、项目实际情况等,不可忽略。
6 高效SNCR脱硝系统运行结果
本工程SNCR脱硝装置委托湖南电科院测试,测试项目主要包括SNCR进出口O2含量、SNCR进出口NOx浓度分布和SNCR出口氨逃逸浓度。
测点布置情况如图4所示。
测试点选取在低温省煤器出口与SCR入口之间。当SNCR不喷氨时,测点处所测NOx浓度和O2含量默认为SNCR入口NOx浓度和O2含量;当SNCR系统开始运行喷氨系统并运行稳定时,测点处所测NOx浓度和O2含量默认为SNCR出口NOx浓度和O2含量。与此同时,SNCR运行时,测点处的NH3浓度即为SNCR氨逃逸浓度。
现场测试数据如表5所示。
由表5所述结果可知,SNCR投运后,A侧脱硝效率为58.7%,B侧脱硝效率为66.3%,SNCR系统平均脱硝效率为62.5%.
氨逃逸和氨耗如表6所示。
由表6所述数据可知,SNCR系统平均氨逃逸为4.9×10-5,系统总氨耗为533.6 kg/h。
7 结论
该电厂机组650 MW级W型火焰炉测试运行时,由于水冷壁超温,A,B两侧配风比不同,导致两侧NOx含量有一定的差距。如果后期电厂可以将A,B两侧NOx调平,那么,会对SNCR脱硝系统效率有积极的影响。
总体来说,在650 MW级W型火焰炉运行的过程中,根据现场实际情况,以设计值为基础进行调试。待锅炉运行稳定后,还原剂耗量远远低于设计值,脱硝效率远远高于设计值,氨逃逸在要求范围内。高效SNCR系统在该项目的运用取得了良好的效果。
作为国内首个完成大机组W型火焰炉SNCR系统成功运行的案例,为我国未来大型机组W型火焰炉超低排放提供了宝贵的经验和有效运行数据,对国内SNCR脱硝技术在不久将来取代SCR技术起到了积极的推动作用,使超低排放工艺更加经济,为电力行业开辟了新的发展思路,具有十分重要的战略意义。
〔编辑:白洁〕