煤粉锅炉低氮燃烧及SNCR联合脱硝技术研究

张 攀范祥子

(煤科集团杭州环保研究院有限公司,浙江杭州 311200)

0 引 言

NOx是大气主要污染物之一,其与碳氢化合物在强光下易造成光化学污染;NOx还是酸雨、臭氧、灰霾等污染形成的主要因素,对人类健康和生存环境造成严重危害。为贯彻落实GB 13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》,2003年12月31日前建成投产的煤粉炉NOx排放质量浓度必须低于200 mg/Nm3,之后建成的煤粉锅炉NOx排放质量浓度必须低于100 mg/Nm3。目前早期建成的煤粉锅炉NOx产生浓度在500～800 mg/Nm3,环保改造势在必行。

燃煤电厂的NOx控制技术,根据其在燃煤过程中所处的位置可分为3类:燃烧前控制技术、燃烧中控制技术和燃烧后控制技术。①燃烧前控制技术是降低燃料中的氮含量,如采用选煤、配煤等方法减少煤中氮含量,该技术投资和运行费用一般较高,而且对热力型NOx无明显效果,应用有限[1]。②燃烧中控制技术是指改进燃烧系统减少NOx的生成量,即低氮燃烧技术,但脱硝效率只有40%左右。在钢铁厂等具有焦炉煤气气源的情况下,可以采用气体再燃技术降低NOx原始排放,但对锅炉的运行造成一定影响,例如导致炉膛内局部还原性气氛增强,影响灰渣的结渣,使SO2还原生成腐蚀性的H2S,影响水冷壁寿命[2]。③燃烧后控制技术是采用非燃烧的方法把烟气中已经生成的NOx还原成N2。燃烧后控制技术主要有选择性催化还原法(SCR)[3]、选择性非催化还原法(SNCR)、SNCR+SCR联合脱硝[4]和氧化脱硝[5]等;其中SCR技术脱除效率最高(＞90%),但需要安装催化剂,占地大,改造投入高,且SCR脱硝装置催化剂运行有严格的温度范围,偏离该范围不能投运。因此,必须对现有机组进行技改,以提高低负荷时SCR脱硝装置进口烟温,满足SCR脱硝装置运行的最低温度限值[6]。此外,SCR催化剂对使用工况较为严格,遇到高温、高灰、高钙的工况会出现催化剂烧结、堵塞、失活的现象[7]。SNCR技术工艺简单,在循环流化床锅炉上应用良好,但应用于煤粉锅炉上脱硝效率较低,只有30% ～50%。吕洪坤等[8]研究提出,高负荷条件下SNCR脱硝效果较差,吸收剂难以均布在炉膛截面。

煤粉炉的燃烧温度一般为1 200～1 500℃,由于炉内燃烧温度过高,导致NOx排放浓度较高,为500～800 mg/Nm3。煤粉炉内水冷壁的炉墙围成一个较大空间即为炉膛,炉膛尺寸大,SNCR喷出的溶液很难深入到炉膛中心,无法均匀覆盖整个炉膛截面。与循环流化床锅炉相比,煤粉锅炉的出口没有旋风分离器,难以实现烟气和氨气的良好混合。对于环保标准出台以前建造的锅炉,设计时未预留脱硝改造的位置,改造难度大。目前新建的煤粉炉多采用低氮燃烧+SCR工艺,效率可达90%;但对年代久远的锅炉采用SCR难度较大,因SCR占地空间大,需要布置在尾部烟道与布袋除尘器之间,很多电厂不具备这样的条件。针对各种脱硝技术或者组合工艺技术,脱硝路线的选择综合考虑了锅炉现状、要求目标、经济效益等多方面的因素。首先选择低氮燃烧工艺投资成本低、且后期运行成本较低,脱硝效率在40%左右,为后期SNCR的脱硝打好基础。同时锅炉燃烧后选用SNCR工艺,工艺简单,不改变锅炉结构,脱硝效率可以达到30% ～50%,不增加锅炉阻力,不需要安装脱硝反应器。燃烧过程脱硝最基本的思想是使炉内形成一个缺氧富燃料区域和一个富氧低燃料区域[9]。在缺氧富燃料区,因为缺氧火焰温度较低,热力型NOx的生成就少,而且燃料热解产生的还原性物质能将燃料型的NOx还原。在富氧区,因为空气量很大,同样火焰温度不高,热力型生成量减小[10]。

SNCR的工艺流程如图1所示。SNCR工艺是一个燃烧后的脱硝过程,通过在锅炉中喷入适量的尿素/氨水等脱硝还原剂去除NOx。脱硝还原剂喷入炉膛温度为850～1 250℃的区域,无催化剂作用下,NH3或尿素等氨基还原剂可选择性地还原烟气中的NOx[11],反应公式为

图1 SNCR工艺流程Fig.1 Process of SNCR

1 系统脱硝的工艺设计

1.1 设计参数

以包钢热电厂130 t/h煤粉锅炉脱硝工程为例说明“低氮燃烧+SNCR”联合脱硝工艺在煤粉锅炉的应用。包钢热电厂1号锅炉是WGZ-130/39-1型煤粉炉,由武汉锅炉厂设计制造,中温中压、自然循环、四角切向燃烧,锅炉整体采用“∏”型布置;制粉系统为钢球磨中储仓热风送粉系统。改造前NOx排放质量浓度为500～600 mg/Nm3。改造目标:在100%负荷不投用SNCR的情况下,NOx排放质量浓度≤380 mg/Nm3(干基、6%O2);投入 SNCR时,出口NOx质量浓度≤180 mg/Nm3(设计值);氨的逃逸＜10×10-6。

1.2 改造难点

首先煤粉炉的燃烧温度达1 300℃,锅炉改造前NOx排放浓度较高,为500～600 mg/Nm3;其次本项目锅炉炉膛尺寸为6.2 m×7 m,SNCR喷出的喷枪很难深入到炉膛中心,均匀覆盖整个炉膛截面;与循环流化床锅炉相比,煤粉锅炉的出口没有旋风分离器,难以实现烟气和氨气的良好混合[12];锅炉设计时未预留脱硝改造的位置,锅炉尾部受热面与布袋除尘器距离近,使得脱硝反应器无法布置;本项目锅炉引风机选型余量不大,正常运行时引风机前挡板开度在70%左右,脱硝系统的改造阻力不能增加很多。

1.3 脱硝技术路线的选择

经过对锅炉的现状(燃料特性、NOx浓度、烟气特性、引风机、炉膛温度场、场地空间)充分评估,最终选择了“低氮燃烧+SNCR”的脱硝工艺路线,还原剂选用尿素。

1.4 低氮燃烧设计及选型

1)低氮燃烧改造措施

为了改善炉内烟气的混合,强化煤粉在主燃烧区的燃尽,在确保锅炉安全、稳定运行的前提下进行低氮改造。改造后的主燃烧器如图2所示。主燃烧器更换,高炉煤气和焦炉煤气喷口不变,主燃烧器的标高降低,改造后主燃烧器区域喷口布置从下到上为2-1-3-1-2。

图2 主燃烧器布置Fig.2 Layout of main burner

2)SOFA燃尽风

在主燃烧上部增加2层燃尽风。燃尽风喷口与燃烧器的距离决定了烟气在还原区域内的停留时间与燃尽时间。还原气氛程度越深,停留时间越长,越有利于控制NOx的生成和煤粉的充分燃烧[13]。改造在主燃烧器上部布置了2层燃尽风,燃尽风布置在约13.5 m标高;2层燃尽风共8只喷口,燃尽风喷口在锅炉四角水冷壁让管。每层均等配风,燃尽风量占总空气量约24%,燃尽风喷口风速约45 m/s。改造中燃尽风喷口可以实现垂直20°的摆动,摆动为手动控制。通过燃尽风的补充,增强炉内气流扰动,促进未燃尽碳的燃烧。

1.5 SNCR设计及选型

SNCR技术关键在于炉膛温度区域的选择,其最佳反应温度在850～1 100℃,并保证足够的喷枪数量、均匀的混合、足够的停留反应时间、尿素喷射深度和与烟气混合的均匀度,其决定了SNCR的最终效果。由于受负荷、煤种、燃烧方式的变化,炉膛温度场也随之变化,因此在布置喷枪时采用多层布置,上下交错覆盖截面,以便运行时进行调整,使SNCR能够适应不同的负荷工况。

经过测量锅炉炉膛温度场,设置3层喷射区(A、B、C区)(图3)。均布置墙式喷射器组件。每台炉各设置3层喷射层。通过切换不同层的喷枪,减少不同负荷下烟气温度变化对脱硝效率的影响。

图3 喷枪立面布置Fig.3 Facade layout of spray gun

喷枪多层布置(图4),上下错落,可以适应不同的负荷工况,使得还原剂与烟气的混合更加均匀。选用尿素作还原剂,不易燃烧和爆炸,无色无味,运输、储存、使用比较简单安全,对场地小的电厂有优势;挥发性比氨水小,在炉膛中的穿透性好;效果相对较好,比较适合于煤粉锅炉设备的 SNCR脱硝工艺。喷枪选用大流量单孔喷嘴,流量达到110 L/h,单孔喷枪喷出的溶液颗粒更大,在炉膛中穿透时可以有更长的停留时间,更有利于将尿素喷射到炉膛的中心区域。

图4 喷枪平面布置Fig.4 Plane layout of spray gun

2 脱硝系统运行调试优化

运行调试自2016-11-26 T 9:00—2016-11-29 T 9:00,分别进行 85(65%)、110(85%)、130(100%)t/h负荷的12个工况运行调试,得到了单磨、双磨、高煤投用及各种负荷、各种氧含量运行时的运行方案及改造效果。

2.1 低氮燃烧系统调试

低氮燃烧技术实施改造后,锅炉NOx原始浓度显著降低,经过合理调整,各负荷都能够在设计的锅炉效率及固体未完全燃烧损失下达到＜380 mg/Nm3排放量,某些工况甚至达到＜250 mg/Nm3。结果见表1。

表1 NOx控制结果Table 1 Results of NOxcontrol

正常情况下的低氮燃烧原理:锅炉负荷越高NOx排放越高,负荷越低NOx排放越低,根据此原理及满调试结果可判断:中低负荷的NOx控制还有很大的潜力空间,之所以没有进一步降低,是因为炉膛及制粉系统尤其是炉底漏风严重,运行氧含量很大,调试初期运行氧含量达11%以上,经过局部堵漏处理,运行氧含量下降至9%左右,NOx质量浓度相比调试初期下降100 mg/Nm3以上,效果明显,但漏风点很多没有封堵,现阶段9%运行氧含量仍偏大,抑制了NOx进一步降低。

2.2 SNCR系统运行调试

1)130 t/h负荷运行调试

调试主要包括单双磨运行调试、ABC层喷枪投运调试和压缩空气压力调试,调试结果见表2。

投用高炉煤气,氧含量从6%降到5.1%,NOx质量浓度从168 mg/Nm3降至154 mg/Nm3。未投尿素时,从双磨调整为单磨运行,NOx质量浓度从275 mg/Nm3降至230 mg/Nm3。因而氧含量的波动对实际工程项目一般影响不大。投用尿素后,在设计尿素投用量下,脱硝出口NOx达标,无氨逃逸。负荷在130 t/h,投用ABC层喷枪,效果好于BC层、AB层喷枪。尿素为还原剂时温度窗口855～1 055℃。高负荷下,A层喷枪位置烟温过高,BC两层温度在1 055℃以下,反应温度较为适合。分配柜内调节压缩空气在0.1～0.2 MPa,脱硝效果较好。喷嘴的流量特性依然满足普遍的变化规律,即当液压一定时,喷嘴流量、喷射距离和雾化角随气压的降低而增大。压缩空气压力低时,还原剂液滴的粒径大,有利于增长反应时间,使还原剂更好地深入炉膛中心。较大的流量和较大颗粒的液滴有利于还原剂均匀覆盖整个炉膛截面。

2)110 t/h负荷运行调试

110 t/h负荷运行调试结果见表3。单双磨运行调试:未投尿素情况下,未投用高炉煤气,单磨运行时NOx质量浓度为325 mg/Nm3,双磨运行时为360 mg/Nm3,氧含量从7.4%增至 7.9%;投用尿素后,在设计尿素投用量下,脱硝出口NOx质量浓度稳定达标,无氨逃逸。分配柜内调节压缩空气为0.1 MPa时,出口 NOx质量浓度为166 mg/Nm3;压缩空气调至 0.3 MPa时,出口 NOx质量浓度为200 mg/Nm3,因此压缩空气调节至0.1 MPa,脱硝效率更高。

表2 130 t/h负荷调试数据Table 2 Debug data in 130 t/h

表3 110 t/h负荷调试数据Table 3 Debug data in 110 t/h

3)85 t/h负荷运行调试

85 t/h负荷运行调试结果见表4。高炉煤气投用调试:投用高炉煤气时,氧含量从10.7%降低到9.6%,NOx质量浓度从 234 mg/Nm3降至128 mg/Nm3;投用AB层喷枪,投用少量尿素时,出现氨逃逸。增加尿素投用量,NOx质量浓度在维持160 mg/Nm3左右,但氨逃逸增加很快;投用A层喷枪,在NOx下降的同时,氨逃逸也随之下降。稳定后NOx质量浓度为155 mg/Nm3,氨逃逸为4.4×10-6。由于负荷的下降,锅炉的烟气量也随之减少,烟气量的减少使得烟气向上的速度也下降,在合适温度区域的还原剂的停留时间增加,还原剂与烟气之间的混合变好,从而提高了脱硝效率。分配柜内调节压缩空气调节为0.2 MPa时,出口NOx质量浓度为166 mg/Nm3,低于压缩空气在0.3 MPa时的出口NOx质量浓度。

表4 85 t/h负荷调试数据Table 4 Debug data in 85 t/h

3 结 论

1)从实际工程运行效果看,“低氮燃烧+SNCR”联合脱硝技术综合脱硝率大于70%,NOx排放浓度小于180 mg/Nm3(6%O2,干基),解决了单独使用低氮燃烧或SNCR脱硝效率不高的问题,适应了环保要求。

2)锅炉高负荷时投用3层喷枪,效果好于单独1层或2层喷枪。锅炉低负荷下,投用最下层喷枪效率最高,而投用上层喷枪,会产生较多氨逃逸。

3)对于煤粉炉脱硝,喷枪压缩空气调节在0.1～0.2 MPa,脱硝效率更高。较大的流量和较大颗粒的液滴有利于还原剂均匀覆盖整个炉膛截面。

4)喷枪多层布置,上下错落,喷嘴选用大流量单孔喷嘴,可以适应不同的负荷工况,使得还原剂与烟气的混合更加均匀。

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