CFB锅炉脱硝系统运行优化调整

李季 刘泽斌 赵德明

摘 要：目前#24CFB鍋炉在低氮燃烧的基础上增设SNCR脱硝系统，由于#24炉运行工况限制以及执行超低排放标准，造成尿素使用量较大。为了有效降低尿素用量，控制排放风险，提高脱硝效率，拟对当前运行工况和现有脱硝设备进行运行优化调整。进一步的改进优化措施有：控制一次脱硫和二次脱硫的比例；调节喷枪分组投入情况；调整稀释水压力；优化尿素流量调节门控制模块自动调节逻辑。针对现有设备经过理论分析，优化调整的手段是可行的。经过优化调整后，提高了尿素利用率，增加了经济效益，实施新的调整措施后每年可节约脱硝成本38余万元。

关键词：尿素；脱硝；影响因素；反应效率

1 项目背景

2012年1月1日国家开始实施新的《火电厂大气污染物排放标准》，氮氧化物排放限值调整为100mg/m3。河北华电石家庄热电有限公司八期四台410t/h循环流化床锅炉，脱硝技改工程在锅炉本体已有的低氮燃烧基础之上，增设SNCR脱硝系统。系统最初设定：（1）脱硝装置NOx脱除率不小于60%。（2）氨逃逸不大于10ppm。（3）尿素耗量：在BMCR负荷时，且出口烟气NOx排放值小于100mg/m3时，系统尿素耗量≤150 L/h（单台炉）。2014年由于京、津、冀地区受雾霾严重的影响，提出了超低排放的要求，氮氧化物的排放限值下调到50mg/m3，环保压力异常严峻。

在燃烧过程中由于#24炉床温较高，运行中尿素溶液消耗量大，增加了公司环保投入成本，同时尿素溶液的喷入量过多，导致氨逃逸上升甚至超标，同时加重了尾部受热面积灰，造成排烟温度上升，对锅炉尾部烟道受热面和布袋除尘器的安全运行构成了威胁。技术攻关小组成员经过深入调查和分析，希望可以通过运行优化调整使当前运行状况得以改善，尿素溶液用量有所降低。

2 设备概况

2.1 锅炉概况

石热公司#21至#24锅炉为4台410t/h循环流化床锅炉（#21-#22机组采用两炉对一机的运行方式），石热公司#21至#24循环流化床锅炉是东方锅炉厂生产的DG410/9.81-9 型循环流化床锅炉。该锅炉是高温高压、单汽包、自然循环锅炉，采用循环流化床燃烧方式、高温分离物料、固态排渣、干式输送、平衡通风、半露天布置。锅炉主要由一个膜式水冷壁炉膛、两台旋风分离器、自平衡“J”型回料阀，水冷滚筒冷渣器和尾部对流烟道组成。锅炉脱硫分为炉内喷入石灰石粉干法脱硫和引风机出口烟气引至吸收塔进行湿法脱硫，烟气两级除尘（电除尘和布袋除尘）后经烟囱排入大气。

2.2 SNCR脱硝装置概况

2.2.1工艺流程

脱硝系统主要分为喷射区和还原剂储存制备区两个区域。喷射区主要包括尿素喷射装置、稀释水泵和喷射区辅助系统。尿素喷射装置安装在旋风分离器入口水平烟道，尿素溶液依靠高温烟气分解成有效NH3，使烟气中NOx和还原剂分解的有效成分NH3充分接触、反应，从而达到降低排烟中NOx含量的目的。

脱硝还原剂储存、制备、供应系统包括尿素仓库、尿素溶液制备罐、加热蒸汽及疏水回收系统、尿素溶液供应泵、尿素溶液存储罐、尿素溶液循环泵、计量分配装置、稀释水系统、水冲洗系统等。此套系统提供5%-10%浓度的尿素溶液供脱硝反应使用。

2.2.2反应原理

3 脱硝现状及优化目标

3.1 现状调查

根据表1所示2016年前五个月尿素消耗量以及氨逃逸超标次数和时间的统计，可见运行中尿素用量大尤为明显。尿素溶液的喷入量过多，导致氨逃逸上升甚至超標，同时会加重尾部受热面积灰，造成排烟温度上升，对设备的安全运行构成了威胁。

3.2 目标设定

目标设定分析：1）在投运以来的几个月中#24炉尿素溶液用量曾多日出现过低至100L/h甚至更低的情况。因此经过分析，认为通过合理调整可以将其变为常态。2）根据循环流化床的特性，其燃烧温度较低，相应产生的NOx相对较少，目前尿素液量明显偏大，有较大的降低空间。3）我们小组成员均为技术骨干，都有着较强的理论知识和解决实际问题能力。

基于以上几点，我们希望在保持固有燃烧的基础上通过优化调整来降低运行当中尿素溶液使用量。

4 技术方案、路线及因素分析

4.1 技术方案、路线

4.2 循环流化床锅炉运行中影响NOx生成的主要因素

4.2.1燃煤成分的影响

锅炉燃烧生成的NOx主要来自燃煤中的氮，燃煤中氮含量越高，则生成的NOx就越高。燃煤里挥发分中的各种元素比也会影响到NOx的排放量，其中，O、H含量越高，生成NOx排放量越高，同时NO越难于被还原；另外，因为S和N氧化时会相互争夺氧，所以SO2排放提高，则NOx排放会降低。

4.2.2氧量的影响

降低氧量，在一定程度上可减弱热力型NOx和燃料型NOx的生成，然而过低的氧量会使CO浓度增加，燃烧效率下降，锅炉热效率降低。一二次风合理的配比，也会降低NOx生成。适当降低一次风量、增加二次风量，N被氧化的速度减弱，NOx生成量就会下降，但是前提一定要保证锅炉流化质量。二次风从燃烧密相区不同高度分层送入，通过调节各分管阀门控制层间风量比，有望控制NOx排放量达到最低水平。

4.2.3床温的影响

床温对NOx的排放量的影响很大，即随着床层温度的提高，NOx的排放量将升高，因此，可以通过降低床温来控制NOx的生成量。但是，床温的降低会使燃烧效率下降，负荷受限；同时不利于N2O的分解，会使得N2O的排放浓度增加。

4.2.4石灰石的影响

在循环流化床锅炉炉内脱硫中，加入石灰石是为降低SO2的排放量，同时，对NOx的排放量也会产生明显上升影响。石灰石的影响主要体现在两个方面，一个是过多的CaO作为强催化剂会强化燃煤中氮的氧化速度，使NO的生成量增加；另一个是过多的CaO和CaS作为催化剂对燃煤中生成NO的贡献大于其对还原性气体还原NO的贡献，所以，会使NOx生成量增加。为了保证脱硫效率，应采用品质较好的石灰石，同时控制石灰石粒度，保证最佳的Ca/S，减少富余CaO和CaS的生成。

5 创新方案实施

所谓创新就是在固有燃烧调整的基础上增加新的有效的调整手段，通过原因分析有针对性的进行运行调整。

常规手段主要是根据现有运行要求：通过值长协调掺配煤比例，及时反馈配煤指标变化，提前预判，合理调节一、二风配比，适当降低氧量，控制床温烟温的变化，减少系统漏风。

针对#24炉当前运行状况我们提出四点创新调节手段。

5.1 调节两级脱硫比例

根据配煤指标变化，尤其是挥发分、硫分变化较大时，适当调节两级脱硫比例。

根据图1中石灰石用量与尿素溶液用量之间的关系，针对煤质当中挥发分对NOx排放的影响我们得出：（1）煤质当中挥发分≤28%时，正常控制锅炉出口二氧化硫排放值控制在800-900mg/m3。（2）煤质当中挥发分>28%时，适当提高湿法脱硫出力，降低本炉脱硫出力，二氧化硫排放至控制在900-1000mg/m3。（3）煤质当中挥发分>35%时，进一步提高湿法脱硫出力，二氧化硫排放至控制在1000-1100mg/m3。

根据煤质当中挥发分含量对NOx排放的影响及时调节一、二次脱硫比例可以达到提高脱硝效率，降低系统尿素溶液用量，减少氨逃逸值的目的。

5.2 喷枪投入情况

因为目前#24炉运行工况达不到原脱硝系统设计，并且长时间运行后发现返料有结块现象，所以决定对喷枪的组合形式进行试验。尿素喷枪不同组合投入。不同负荷下尿素喷枪不同组合方式，对氨逃逸及尿素流量的影响。

根据图2、图3、图4所示实验结果我们发现下层喷枪受水平烟道下部烟气流速及积灰影响，降低了尿素对氮氧化物的还原效率，所以我们根据当前设备具体运行状况对喷枪投入数量及组合情况进行调整，以便达到更好的脱硝效果，投入上层和中上层喷枪尿素溶液使用量最少、脱硝效率最高、氨逃逸值最低。

5.3 调节稀释水压力

如图2、图3、图4所示稀释水压力变化对脱硝的影响。在锅炉负荷较低时，由于烟气流速较低，尿素溶液和烟气的混合相对较差，这时适当提高稀释水压力，提高雾化效果，尿素溶液可以和烟气更好的进行混合，提高脱硝效率。但随着锅炉负荷升高，通过提高稀释水压力来提高脱硝效率的效果会越来越弱。所以综合来看，在锅炉负荷小于310t/h时，稀释水压力不低于0.7MPa，锅炉负荷大于310t/h时，稀释水压力维持在0.5-0.7MPa之间。通过不同负荷时对稀释水压力的调整可以提高脱硝效率，降低尿素溶液用量和减少氨逃逸的排放。

5.4 优化尿素溶液调整门自动控制逻辑

原脱硝系统尿素溶液调整门自动控制逻辑只有NOx排放测量值作为反馈信号，当锅炉负荷、氧量、煤量出现扰动时，PID调节时扰动较大，调节时间长，稳定性差。

综合考虑，建议将锅炉负荷、氧量、煤量等能影响NOx排放的因素作为前馈信号（直接反应锅炉燃烧变化）。将单台炉NOx排放值和吸收塔出口NOx排放值对比，同时提高NOx测量仪测量精度，降低故障率，减少对自动调节的调节扰动。此方案已和热工车间共同提出并上报，等公司批准后进行技改。

现阶段，主要是运行人员要及时切为手动进行操作，尿素溶液用量波动明显减小，降低了尿素溶液用量，减少了氨逃逸的排放。

6 优化调整后效果及对比

6.1 优化调整后效果

6.2 效果对比

如图5对比所示，对脱硝系统进行运行优化调整后2016年7-11月尿素溶液用量和氨逃逸值较2016年1-5月有了显著的降低，尿素用量较1-5月份减少0.082kg/t，降幅为42.7%；氨逃逸超标时间较1-5月份减少4.14h/天，降幅为90.6%，氨逃逸超标次数较1-5月份减少0.5次/天，降幅为71.4%。大大的降低了尿素投入成本以及减小了氨逃逸方面的环保压力。

7 效益分析

7.1 經济效益及计算依据〔单位：万元（人民币）〕

#24炉的尿素节约量：（0.192-0.11）*1071355/1000=87.85吨。按每吨尿素1700元计算，7-11月运行优化后节约成本约为14.93万元。

7.2 安全效益

尿素溶液使用量的降低，减少了锅炉尾部受热面积灰，使排烟温度有所下降，锅炉运行潜在的尾部受热面泄露、布袋除尘器损坏等问题得到有效控制，为机组的安全运行提供了可靠保证。

7.3 社會效益

在此次优化调整中，青年员工积极参与，充分发挥主观能动性，解决了生产实际问题，激发了他们创新创效活力，相关技能水平得到提高，锻炼了青年员工解决技术问题的能力，为公司技术人才的培育奠定了基础；同时，大家意识到在运行调整控制方面还有很大的拓展空间，良好的活动氛围为班组今后的创新创效活动打下了坚实的基础，为公司提效增盈，安全生产提供了有力保证。

7.4 环境效益

此次优化调整，确保锅炉烟气氮氧化物达标排放，实现了机组的超低排放；同时尿素溶液投入量的降低，减少了环保投入成本，氨逃逸值也因为优化调整有了显著的下降，减少了刺激性气体（NH3）的排放，为公司节能减排工作做出了相应的贡献和提供了有力保障。

8 创新性及推广前景

本次脱硝系统运行优化紧紧围绕清洁生产和污染物生产过程控制的理念，从氮氧化物的产生原理入手，达到了降低尿素溶液用量的目标。

脱硝系统运行优化调整方案有较强的可操作性和推广性，我厂八期四台同类型锅炉均根据此优化调整方案进行具体实施，且效果显著。此优化调整方案在全国范围内大型CFB锅炉中有着很高的借鉴意义，均可根据各自燃烧特性进行运行优化调整，降低尿素溶液消耗量。为公司的提质增效和节能降耗提供技术保障！

（注：此论文为产学研合作大学生创新项目研究成果）

作者简介：

李季（1980-），男，助理工程师，主要从事电厂锅炉运行工作；刘泽斌（1999-），男，北京师范大学第二附属中学。