郭艷軍

(晉控金石化工集團(tuán)有限公司 ， 河北 石家莊 050099)

0 前言

氮氧化物是城市空氣主要污染物，能夠引起光化學(xué)煙霧和酸雨，對人體、土壤和建筑物均能造成巨大危害，平流層的氮氧化物還能對臭氧層產(chǎn)生影響。

2018年6月河北省發(fā)布通知要求具備改造條件的電廠燃煤鍋爐顆粒物、二氧化硫、氮氧化物排放濃度全部達(dá)到嚴(yán)于《燃煤電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB13/2209—2015)的標(biāo)準(zhǔn)，NOx濃度不得高于30 mg/m3(干基，氧含量6%)。

煙氣脫硝技術(shù)分為干法和濕法。濕法脫硝技術(shù)根據(jù)反應(yīng)原理有氧化法和還原法，氧化法是利用氧化劑與難溶于水的氮氧化物反應(yīng)生成易溶于水的NOx，再利用溶液吸收；還原法則是通過還原劑與氮氧化物反應(yīng)，生成氮?dú)庵苯与S煙氣排放。濕法脫硝技術(shù)有堿液吸收法、酸吸收法、絡(luò)合吸收法、液相吸收還原法等[1]。干法脫硝技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用的主要有選擇性非催化還原法(SNCR)、選擇性催化還原法(SCR)和SNCR+SCR聯(lián)合法。

某化工企業(yè)260 t/h熱電鍋爐為循環(huán)流化床，循環(huán)流化床具有低溫燃燒、分級送風(fēng)的低氮氧化物生成特點(diǎn)，但面對嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，需進(jìn)行技術(shù)改造。

1 熱電鍋爐系統(tǒng)介紹

1.1 循化流化床鍋爐主要參數(shù)

鍋爐主要參數(shù)：型號，UG-260/9.8-M5；額定蒸發(fā)量260 t/h，額定蒸發(fā)溫度540 ℃，額定蒸發(fā)壓力9.8 MPa，給水溫度193 ℃，排煙溫度約140 ℃，空氣預(yù)熱器進(jìn)風(fēng)溫度20 ℃，計(jì)算熱效率88.6%，燃料消耗43.8 t/h，一次熱風(fēng)溫度180 ℃，二次熱風(fēng)溫度為160 ℃，循環(huán)倍率25～30，飛灰份額65%。

1.2 循環(huán)流化床典型工藝流程

燃料煤經(jīng)給煤機(jī)通過落煤管進(jìn)入爐膛，與經(jīng)布風(fēng)板進(jìn)入爐膛的一次風(fēng)和經(jīng)爐膛前后墻進(jìn)入爐膛的二次風(fēng)進(jìn)行摻混燃燒，放出大量熱。與爐膛受熱面進(jìn)行熱交換后，夾帶大量顆粒的煙氣離開爐膛進(jìn)入蝸殼式旋風(fēng)分離器。分離下來的物料經(jīng)返料器返回爐膛循環(huán)燃燒，分離后的煙氣經(jīng)轉(zhuǎn)向室、高溫過熱器、低溫過熱器、省煤器、一二次風(fēng)空氣預(yù)熱器等由尾部煙道排出。

2015年，某化工企業(yè)鍋爐系統(tǒng)實(shí)施脫硝改造，采用SNCR技術(shù)，脫硝劑為稀氨水。在旋風(fēng)分離器入口煙道處布置12臺雙流體SNCR氨水噴射器，氨水噴射器圍繞鍋爐煙道周向?qū)ΨQ均布，噴出霧化氨水與煙氣中NOx進(jìn)行反應(yīng)以達(dá)到脫除NOx的目的。NOx和氨的氧化還原反應(yīng)，反應(yīng)溫度過高，會使氨分解而降低氮氧化物的還原率；反應(yīng)溫度過低，會增加氨逃逸而降低氮氧化物的還原率。噴頭設(shè)在水平煙道，既可以滿足SNCR技術(shù)850～1 050 ℃的反應(yīng)溫度要求，也可以滿足0.5 s的煙氣停留時(shí)間，以保證脫硝效率[2-3]。

(1)

(2)

實(shí)際運(yùn)行中，鍋爐煙氣經(jīng)脫硝處理后，NOx濃度可降低至90 mg/m3以下。80%生產(chǎn)負(fù)荷時(shí)，排放煙氣NOx折算濃度(干基，氧含量為6%)為40～65 mg/m3。

2 低氮燃燒改造

影響NOx生成最主要的因素是燃燒方式，即燃燒條件。當(dāng)燃燒條件發(fā)生變化時(shí)，NOx的排放也隨之發(fā)生變化。因此，通過改變?nèi)紵龡l件來抑制NOx的生成或破壞已生成的NOx，達(dá)到減少NOx排放的措施，稱為低氮燃燒技術(shù)。低氮燃燒改造應(yīng)以不影響燃燒穩(wěn)定性、不降低鍋爐效率、不會導(dǎo)致還原性氣氛對受熱面的腐蝕為前提，降低NOx的原始排放量。NOx生成主要集中在鍋爐的密相區(qū)，溫度和氧化還原氣氛是影響循環(huán)流化床鍋爐中NOx生成的最主要因素[4-5]。氧化氣氛濃，床溫高，NOx原始排放濃度隨之升高。NOx在密相區(qū)中上部是控制NOx生成的最佳時(shí)機(jī)，創(chuàng)造富燃料區(qū)，降低局部氧濃度，抑制NOx的生成。

2.1 問題分析

①布風(fēng)流化裝置風(fēng)帽類型單一，未充分考慮到布風(fēng)板上部物料阻力不均的實(shí)際情況，一次流化風(fēng)的布風(fēng)均勻性和流化質(zhì)量欠佳，密相區(qū)燃燒份額偏大引起床溫偏高。②合理的循環(huán)灰量不僅可以讓鍋爐具有優(yōu)良的帶負(fù)荷能力，還能控制爐內(nèi)溫度場，保證爐內(nèi)碳濃度的合理分布。旋風(fēng)分離器效率偏低，沒有足夠返料與密相區(qū)燃燒釋放的熱量進(jìn)行熱量交換，引起鍋爐的床溫偏高。③鍋爐受熱面積偏小，熱交換量不足，熱量無法轉(zhuǎn)移導(dǎo)致床溫偏高。④下排二次風(fēng)管距離布風(fēng)板較近，而落煤口幾乎與上排二次風(fēng)口等高，距離布風(fēng)板較遠(yuǎn)，密相區(qū)不能形成有效的還原性氣氛，燃燒生成的NOx難以還原成N2，導(dǎo)致鍋爐的NOx原始排放濃度較高。

2.2 改造措施

①靠近布風(fēng)板處爐墻加厚，減小布風(fēng)板面積，布風(fēng)板重新開孔布置低氮型鐘罩式風(fēng)帽，按設(shè)計(jì)安裝兩種不同規(guī)格的風(fēng)帽接管，提高布風(fēng)均勻性。②汽冷旋風(fēng)分離裝置不做改動，僅將分離器進(jìn)口煙道進(jìn)行改造，適當(dāng)增加進(jìn)口煙氣速度，減小進(jìn)口側(cè)邊和爐膛側(cè)墻夾角，減少渦流，提高分離器分離效率。為了兼顧靶區(qū)磨損，速度適當(dāng)增加至約25 m/s，分離效率提高0.5%。返料裝置改為新型返料風(fēng)室結(jié)構(gòu)，小風(fēng)量，高壓頭，防止煙氣反竄和返料噎塞，保證返料順暢。爐膛灰濃度增加，可有效降低床溫。③增加兩片水冷屏，提高爐膛受熱面積，轉(zhuǎn)移爐膛熱量，防止床溫過高。同時(shí)增加下降管與水冷屏截面比，相應(yīng)連接管母管擴(kuò)徑，保證鍋爐水動力。④一次風(fēng)量由136 000 Nm3/h降至118 000 Nm3/h，二次風(fēng)量由111 300 Nm3/h增至118 000 Nm3/h，總風(fēng)量減少，改變一、二次風(fēng)比例，降低出口空氣過剩系數(shù)至1.16，強(qiáng)化分級燃燒。

通過以上措施，提高分離效率，強(qiáng)化分級燃燒，降低過?？諝饬?，降低床溫，創(chuàng)造出有利于NOx還原的煙氣流場，實(shí)現(xiàn)低氮燃燒。鍋爐原始排放NOx濃度降低至150 mg/m3以下。

3 SCR脫硝改造

3.1 SCR技術(shù)特點(diǎn)

SCR選擇性催化還原脫硝技術(shù)是在O2和非均相催化劑存在條件下，用還原劑煙氣中NOx還原為N2和H2O。SCR的窗口溫度低于SNCR，而脫硝效率一般高于SNCR。SCR與SNCR工藝特點(diǎn)比較見表1。

表1 SCR與SNCR工藝特點(diǎn)比較

3.2 改造內(nèi)容

考慮到鍋爐實(shí)施低氮燃燒，且有SNCR脫硝裝置對NOx進(jìn)行初次脫除，SCR裝置的脫硝效率不低于55%即可滿足煙氣排放要求。SCR反應(yīng)器的最佳反應(yīng)溫度區(qū)在尾部煙道的省煤器區(qū)域，原煙道布置3組省煤器，未預(yù)留SCR反應(yīng)器位置，故需對省煤器進(jìn)行改造。改造后在第一組和第二組省煤器中間留出位置，布置1個(gè)SCR反應(yīng)器，高度3.0～3.5 m，催化劑設(shè)置1層，單個(gè)模塊高度1.2 m，采用蜂窩式釩鈦鎢鉬系(TiO2作為主要載體，V2O5為主要活性成分)。在汽冷旋風(fēng)分離器出口煙道增設(shè)2組氨水噴槍，逃逸氨作為SNCR脫硝裝置的還原劑，通過合理調(diào)節(jié)氨水噴射量，使煙氣中余氨濃度滿足SCR脫硝使用要求。低溫段空氣預(yù)熱器換熱管改為搪瓷管，防止低溫環(huán)境下產(chǎn)生的液態(tài)硫酸氫銨從金屬換熱管表面氣孔進(jìn)入產(chǎn)生的低溫腐蝕。

4 實(shí)施效果

改造實(shí)施后，爐內(nèi)實(shí)現(xiàn)低氮燃燒，NOx原始濃度降至150 mg/m3以下，經(jīng)SNCR脫硝處理后，煙氣中NOx濃度降低，逃逸氨作為SCR的還原劑，在SCR反應(yīng)器中300～380 ℃和催化劑存在的條件下，發(fā)生還原反應(yīng)生成N2和H2O。

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行效果看，NOx排放濃度大大降低,滿足低于30 mg/m3的排放要求。煙氣中氨濃度也有明顯的下降趨勢，滿足SNCR+SCR耦合技術(shù)下，氨逃逸濃度低于2.3 mg/m3的排放要求。

圖1 改造后鍋爐系統(tǒng)流程圖

表2 改造前后NOx排放和氨逃逸濃度對比

5 結(jié)束語

熱電鍋爐在原有SNCR煙氣脫硝的基礎(chǔ)上，進(jìn)行爐內(nèi)低氮燃燒和煙氣SCR的聯(lián)合改造，使煙氣中NOx和氨逃逸濃度滿足了嚴(yán)于《燃煤電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB13/2209—2015)的排放標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到了NOx≤30 mg/m3的排放要求。

在實(shí)際運(yùn)行中，仍需注意：①SCR催化劑堵塞失活。②SCR催化劑中毒失活。③尾部煙道積灰問題，生產(chǎn)中嚴(yán)格控制，確保安全生產(chǎn)。