CFB鍋爐煙氣再循環(huán)與SNCR聯(lián)合脫硝技術(shù)

1、CFB鍋爐煙氣再循環(huán)與SNCR聯(lián)合脫硝技術(shù)0引言自20世紀(jì)80年代以來，針對(duì)CFB鍋爐內(nèi)NOx的生成機(jī)理，許多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究并取得了不少有益的結(jié)論。在燃煤鍋爐產(chǎn)生的NOx中，NO具有更高的熱力學(xué)穩(wěn)定性，占整個(gè)NOx生成量的比例超過90%。宏觀而言，燃煤過程中NOx的生成途徑主要有熱力型、燃料型和快速型3種。由于CFB鍋爐燃燒溫度較低（通常小于1000C）,不具備熱力型NOx生成的高溫條件（約1300C）,因此幾乎沒有熱力型NOx生成，這也是CFB鍋爐原始NOx排放水平偏低的主要原因。而快速型NOx一般只在CHi基團(tuán)濃度較高且較為貧氧的環(huán)境中生成。因此，CFB鍋爐中生成的NOx主要為煤中所

2、含的氮元素經(jīng)過復(fù)雜的化學(xué)過程轉(zhuǎn)化而來的燃料型NOx。NOx生成過程主要集中在CFB鍋爐密相區(qū)，尤其是在給煤口附近。NOx隨煙氣沿CFB鍋爐爐膛高度方向向上流動(dòng)，直至爐膛出口，質(zhì)量濃度沿高度呈下降趨勢(shì)。一方面，二次風(fēng)的加入稀釋了NOx質(zhì)量濃度；同時(shí)，爐內(nèi)高體積分?jǐn)?shù)的CO和未燃盡焦炭都對(duì)NOx起到顯著的還原作用。國內(nèi)CFB鍋爐多燃用無煙煤、石油焦、貧煤等低反應(yīng)活性燃料，單位時(shí)間燃燒速率低，因此需要更多的反應(yīng)表面，造成物料中碳存量較高，所以爐膛內(nèi)還原性較強(qiáng)，爐膛出口CO體積分?jǐn)?shù)可達(dá)10000。已有研究表明，CO和NOx在焦炭表面發(fā)生的氣固異相反應(yīng)是NOx還原的最重要反應(yīng)，該結(jié)論已在小型熱態(tài)CFB試驗(yàn)

3、臺(tái)上得以驗(yàn)證。綜上所述，溫度和氧化還原氣氛是影響CFB鍋爐中NOx生成及還原的主要因素。通過調(diào)整CFB鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)，改變以上各因素，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐NOx排放的控制。當(dāng)CFB鍋爐溫度控制在900C,且當(dāng)煤種含氮量不高時(shí)（如低于0.7%）,可自然實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。1工程概況本項(xiàng)目為某電廠三臺(tái)循環(huán)流化床鍋爐，其中兩臺(tái)為75t/h,一臺(tái)為40t/h。根據(jù)目前的煤質(zhì)，1#爐NOx排放濃度為380-430mg/Nm3,2#爐為400-500mg/Nm3,4#爐為400-500mg/Nm3,煙氣匯合后煙囪中NOx排放濃度為400mg/Nm3左右，最高可超過500mg/Nm3。根據(jù)各臺(tái)鍋爐的燃燒工況和氮氧化物

4、實(shí)際排放濃度等多項(xiàng)因素進(jìn)行綜合分析，分別對(duì)1#、2#、4#鍋爐進(jìn)行低氮燃燒優(yōu)化研究，實(shí)施配風(fēng)、調(diào)控等多方面的優(yōu)化改造，指導(dǎo)低氮燃燒調(diào)整，以達(dá)到第一階段NOx控制目標(biāo)，實(shí)施低氮調(diào)整燃燒配風(fēng)調(diào)整后使鍋爐出口NOx濃度降低到300mg/Nm3以下；同時(shí)建設(shè)一套SNCR煙氣脫硝系統(tǒng)，采用10%濃度氨水為還原劑進(jìn)行第二階段脫硝，經(jīng)過兩個(gè)階段的脫硝調(diào)控，最終將NOx濃度降低到100mg/Nm3以下，滿足電廠長期達(dá)標(biāo)排放需要。2煙氣再循環(huán)描述2.1 煙氣再循環(huán)的機(jī)理煙氣再循環(huán)是采用較多的控制NOx的有效方法之一，其原理是是在鍋爐排煙前抽取一部分低溫?zé)煔庵苯铀腿霠t內(nèi)，或與一次風(fēng)或二次風(fēng)混合后送入爐內(nèi)，這樣不但

5、可降低燃燒溫度，而且也降低了氧氣濃度，進(jìn)而降低了NOx的排放濃度。再循環(huán)煙氣量與不采用煙氣再循環(huán)時(shí)的煙氣量之比，稱為煙氣再循環(huán)率。煙氣再循環(huán)法降低NOx排放的效果與燃料品種和煙氣再循環(huán)量有關(guān)。經(jīng)驗(yàn)表明，煙氣再循環(huán)率為15-20%時(shí)，煤粉爐的NOx排放濃度可降低25%左右。NOx的降低率隨著煙氣再循環(huán)率的增加而增加，而且與燃料種類和燃燒溫度有關(guān)，燃燒溫度越高，煙氣再循環(huán)率對(duì)NOx降低率的影響越大。煙氣再循環(huán)率一般控制在10-20%。當(dāng)采用更高的煙氣再循環(huán)率時(shí)，燃燒會(huì)不穩(wěn)定，未完全燃燒熱損失會(huì)增加。2.2 目前存在問題a,煙氣中含氧量過大從三臺(tái)鍋爐的運(yùn)行數(shù)據(jù)來看：1#爐負(fù)荷為50%-70%，煙氣含

6、氧量大部分位于7%-9%之間,甚至有時(shí)出現(xiàn)超過10%的工況;2#爐負(fù)荷為50%-65%,含氧量的數(shù)據(jù)為6.5%-9%之間，部分時(shí)段超過10%;4#爐負(fù)荷在54%-60%之間時(shí)，煙氣含氧量甚至高達(dá)18%左右。在一定范圍內(nèi)，含氧量增高，可提高過量空氣系數(shù)改善燃燒效率，因?yàn)槿紵齾^(qū)域氧濃度的提高增加了燃燒效率及燃盡度，但過量空氣系數(shù)超過1.15(2.5%)后繼續(xù)增加對(duì)燃燒效率影響不大。同時(shí)，對(duì)于燃料型NOx,燃料氮的轉(zhuǎn)變率隨著過量空氣系數(shù)的升高而升高，從而造成了燃料型NOx較高。b.一次風(fēng)風(fēng)率過高一、二次風(fēng)的配比因不同形式的CFB鍋爐的設(shè)計(jì)工況而不同，一般一次風(fēng)率為50-60%之間，一次風(fēng)經(jīng)空預(yù)器預(yù)熱

7、后進(jìn)入風(fēng)室，經(jīng)布風(fēng)板、風(fēng)帽進(jìn)入鍋爐密相區(qū)，保證燃燒需要。為減少NOx生成，密相區(qū)的實(shí)際過量空氣系數(shù)為1%左右，在運(yùn)行中，使密相區(qū)主要處于還原性氣氛。二次風(fēng)的作用是調(diào)節(jié)床壓，保證燃燒完全所需的氧氣。三臺(tái)鍋爐中，4#爐負(fù)荷在54%-60%之間時(shí)，一次風(fēng)風(fēng)率高達(dá)80-90%之間。一次風(fēng)率較高，使密相區(qū)的過量空氣系數(shù)過高，床溫偏高，從而使NOx大量生成。c.分離器分離效率較低從前期與電廠人員的交流中得到CFB鍋爐旋風(fēng)分離器的分離效率低下，返料量下降，返料對(duì)于床料的冷卻能力降低，從而導(dǎo)致原有的熱平衡打破，造成流化床的床溫較高，為降低床溫，需要加大風(fēng)量，從而進(jìn)一步導(dǎo)致過量空氣系數(shù)增大，能耗上升。d.爐膛中

8、心區(qū)缺氧三臺(tái)CFB鍋爐存在著爐膛中心區(qū)缺氧的問題，究其原因除了高密度物料顆粒群對(duì)二次風(fēng)射流的阻擋作用外，也存在貼壁流垂直下瀉覆蓋水冷壁、每個(gè)層面顆粒水平移動(dòng)不夠均勻、各轉(zhuǎn)彎變化區(qū)域渦流干擾和垂直上移速度的不均勻影響。這種中心區(qū)缺氧會(huì)降低燃料燃盡效果和脫硫劑化學(xué)反應(yīng)的效率，直接導(dǎo)致De-NOx爐內(nèi)過程的優(yōu)化受到限制，不能有效實(shí)現(xiàn)低溫燃燒時(shí)的高效低氮。e,床溫不均勻性由于三臺(tái)鍋爐的燃料為煤泥，煤泥的加入點(diǎn)集中在鍋爐上部，造成新鮮燃料和分布相對(duì)集中、從而會(huì)導(dǎo)致床溫偏差較大。事實(shí)上，整個(gè)床面上各個(gè)床溫測(cè)點(diǎn)偏差較大是普遍存在的CFB鍋爐共有問題，一般的CFB鍋爐床溫偏差都在70C以上，最大的可以達(dá)到15

9、0C以上，這也造成了物料燃盡和石灰石脫硫，以及低氮燃燒的困難。床溫的不均勻性，肯定會(huì)造成局部溫度峰值，局部超高床溫是產(chǎn)生NOx急劇增加的元兇，其生成能力是合理床溫下的數(shù)倍甚至數(shù)量級(jí)增加。2.3改造方案根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀況表明，二次風(fēng)量加大或者投運(yùn)情況下，鍋爐出口氧量反而降低，說明密相區(qū)床料（床壓）分布極其不均勻，為保證燃燒效果就必然增大一次風(fēng)量，煙氣再循環(huán)的設(shè)計(jì)初衷是為了打破密相區(qū)上不快速喘流床的狀態(tài)，使床料具有橫向移動(dòng)，打破現(xiàn)有流場(chǎng)不均勻狀態(tài)，使一次風(fēng)中的氧量得以充分利用，在滿足硫化的前提下，進(jìn)步降低整個(gè)鍋爐的含氧量降低總的一次風(fēng)率，進(jìn)而降低總風(fēng)量，使進(jìn)入分離器的床料粒子動(dòng)能降低，能將更多的床料

10、經(jīng)分離器分離下來，增大循環(huán)物料量，改善爐內(nèi)床料平衡。本項(xiàng)目煙氣再循環(huán)系統(tǒng)采用3臺(tái)風(fēng)機(jī)（2用1備）對(duì)現(xiàn)有3臺(tái)鍋爐新增煙氣再循環(huán)管路，煙氣引自靜電除塵器與引風(fēng)機(jī)之間管道，新增煙氣再循環(huán)煙氣經(jīng)現(xiàn)有上部二次風(fēng)噴口噴入。其中1#風(fēng)機(jī)同時(shí)給1#爐供風(fēng)，3#風(fēng)機(jī)同時(shí)給2#鍋爐及4#爐供風(fēng)，2#風(fēng)機(jī)作為備用風(fēng)機(jī)，當(dāng)1#或3#風(fēng)機(jī)故障時(shí)，能夠通過布置在風(fēng)機(jī)聯(lián)絡(luò)風(fēng)道上的手動(dòng)關(guān)斷門切換由2#風(fēng)機(jī)供風(fēng)，二次風(fēng)噴口流速約4050m/s。圖1煙氣再循環(huán)系統(tǒng)圖煙氣再循環(huán)的風(fēng)量選為煙氣量的15%-20%,按照鍋爐滿負(fù)荷運(yùn)行的時(shí)的煙氣作為煙氣量的基準(zhǔn)，根據(jù)在3臺(tái)爐二次風(fēng)煙氣循環(huán)管路上安裝的二次風(fēng)流量測(cè)量裝置，通過電動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)門實(shí)

11、現(xiàn)供風(fēng)量的控制。表1每臺(tái)爐的煙氣循環(huán)量供風(fēng)量調(diào)節(jié)范圍（Nm3/h）供風(fēng)壓力（KPa）溫度（C）備注1#爐020000（23000m3/h）81402#爐05500（7000m3/h）81404#爐020000（23000m3/h）81403SNCR脫硝系統(tǒng)描述3.1 工藝描述該脫硝系統(tǒng)的工藝流程如圖2所示。SNCR系統(tǒng)主要由氨水卸載及存儲(chǔ)模塊，氨水供應(yīng)模塊、噴射模塊、霧化空氣供應(yīng)及計(jì)量分配模塊、控制系模塊組成。圖2SNCR工藝流程圖圖3SNCR脫硝氨站圖(1)氨水卸載及存儲(chǔ)系統(tǒng)作為還原劑的氨水通過氨水梢罐車運(yùn)輸至氨水儲(chǔ)罐區(qū)后，通過氨水卸載泵將梢車內(nèi)的氨水輸送至氨水儲(chǔ)罐，儲(chǔ)罐的容積足夠儲(chǔ)存脫硝系

12、統(tǒng)運(yùn)行七天內(nèi)所需要的氨水的量。氨水儲(chǔ)罐內(nèi)的氨蒸氣通過管道連接至氨吸收罐，氨蒸氣可被吸收罐中的稀釋水吸收，以防止氨氣泄漏。(2)氨水供應(yīng)模塊氨水供應(yīng)模塊含供應(yīng)泵、過濾器、用于遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測(cè)循環(huán)系統(tǒng)的壓力、溫度、流量以及濃度的儀表等。另外還設(shè)有一套背壓控制閥(自力式壓力調(diào)節(jié)閥)，背壓控制回路用于調(diào)節(jié)供應(yīng)泵為計(jì)量裝置供應(yīng)氨水所需的穩(wěn)定流量和壓力。(3)氨水計(jì)量分配模塊噴射區(qū)計(jì)量模塊為一級(jí)模塊，用于精確計(jì)量和獨(dú)立控制到鍋爐每個(gè)噴射區(qū)的反應(yīng)劑濃度。該模塊連接NOx和氧監(jiān)視器的控制信號(hào)，自動(dòng)調(diào)節(jié)反應(yīng)劑流量，對(duì)NOx水平、鍋爐負(fù)荷、燃料的變化做出響應(yīng)，打開或關(guān)閉噴射區(qū)或控制其質(zhì)量流量。每一個(gè)區(qū)子模塊可相互獨(dú)

13、立地運(yùn)行和控制，該特性允許隔離每個(gè)子模塊進(jìn)行維修且不會(huì)嚴(yán)重影響工藝性能或總體的NOx還原效果。(4)氨水噴射模塊氨水噴射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能適應(yīng)水泥窯系統(tǒng)的安全運(yùn)行，并能適應(yīng)鍋爐的負(fù)荷變化和啟停的要求。氨水溶液在通過噴嘴噴出時(shí)被充分霧化后以一定的角度噴入爐膛內(nèi)。該系統(tǒng)用于氨水流動(dòng)時(shí)的流量和壓力控制，通過氨水噴射系統(tǒng)把氨水調(diào)節(jié)到一定的壓強(qiáng)并向每個(gè)噴槍分配，同時(shí)把壓縮空氣流量和壓力也調(diào)節(jié)到與其匹配的程度。(5)霧化空氣供應(yīng)及計(jì)量分配模塊本裝置的霧化空氣由廠用壓縮空氣供給，可滿足噴槍入口空氣壓力0.40.6MPa的要求，廠用壓縮空氣先進(jìn)入空氣緩沖罐再通過空氣計(jì)量分配模塊進(jìn)入噴槍，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。壓

14、縮空氣總管上的在線流量計(jì)對(duì)來自壓縮空氣緩沖罐的壓縮空氣進(jìn)行流量測(cè)量，將流量信號(hào)傳至DCS,實(shí)現(xiàn)對(duì)霧化空氣總流量的實(shí)時(shí)監(jiān)控?？偣芤约案鱾€(gè)支路上的壓力表可以監(jiān)測(cè)空氣管路是否暢通，確保霧化空氣進(jìn)入噴槍。(6)控制模塊自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠根據(jù)鍋爐內(nèi)煙氣負(fù)荷及排放煙氣中NOx、氨氣的在線監(jiān)測(cè)情況，經(jīng)過內(nèi)在程序的計(jì)算，調(diào)整傳輸、噴射系統(tǒng)的運(yùn)行，進(jìn)而控制氨水、壓縮空氣的流量及其控制參數(shù)，使脫硝系統(tǒng)能夠根據(jù)負(fù)荷變化自動(dòng)調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)脫硝系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，并保證脫硝效率。3.2 反應(yīng)溫度區(qū)間SNCR具有一個(gè)最佳的反應(yīng)溫度窗口。溫度過低，反應(yīng)速率很慢，使大量反應(yīng)劑來不及參與反應(yīng)，因而降低了脫硝效率，并且增加反應(yīng)劑逃逸量。反應(yīng)產(chǎn)物中的NO和NH3的濃度都比較高，轉(zhuǎn)化率低；溫度過高，NH3的氧化反應(yīng)速度超過還原反應(yīng)，并有可能生成更多的NO,造成NO轉(zhuǎn)化率降低。根據(jù)鍋爐溫度測(cè)點(diǎn)選擇810950C的反應(yīng)溫度范圍。3.3 氨氮比氨氮摩爾比增加時(shí)，鍋爐煙氣中NOx排放量減少，與此同時(shí)，氨的逃逸率增加。CFB鍋爐采用SNCR噴氨時(shí)，氨氮摩爾比達(dá)到1左右，脫硝反應(yīng)正好可以反應(yīng)完全，但實(shí)際情況一般需要氨氮摩爾比大于1。當(dāng)摩爾比大于1且小于2時(shí)，脫硝效率升高；當(dāng)摩爾比大于2.0后，脫硝效率增幅變緩，而此時(shí)氨的逃逸量卻增加了。根據(jù)不同的氨氮比調(diào)整噴氨量，在實(shí)際工況下，氨氮比達(dá)1.4時(shí)，出口氮氧化物的含量小于100