本文結(jié)合牡丹江熱電有限公司鍋爐脫硝改造實例,闡述了220t/h煤粉鍋爐采用低氮燃燒器、SNCR和SCR聯(lián)合脫硝過程中遇到的問題和解決方法。
1、概述
牡丹江熱電有限公司是股份制的熱電聯(lián)產(chǎn)企業(yè),公司位于牡丹江市東南角,廠區(qū)毗鄰牡丹江畔,占地面積22萬平方米。與西城供熱公司共同組成15臺鍋爐總?cè)萘?155t/h的環(huán)型供熱管網(wǎng),供熱面積現(xiàn)已達(dá)到2千多萬平方米,占牡丹江市集中供熱面積65%以上。
牡丹江熱電有限公司現(xiàn)有3臺220t/h高溫高壓煤粉鍋爐,#1、#2、#3鍋爐均由哈爾濱鍋爐廠設(shè)計制造,爐型為HG-220/9.8-YM10鍋爐,蒸發(fā)量均為220t/h。#1、#2鍋爐于1991年投入正式運行,#3鍋爐于2003年投入運行。目前新建設(shè)1臺240t/h高溫高壓煤粉鍋爐,2018年正式投入運行。
為滿足“十二五”期間對火電行業(yè)的NOx控制要求,牡丹江熱電有限公司首先對3臺220t/h高溫高壓煤粉鍋爐進(jìn)行煙氣脫硝改造(SNCR+SCR);對1臺新建240t/h高溫高壓煤粉鍋爐設(shè)置SCR煙氣脫硝裝置。4臺鍋爐脫硝系統(tǒng)均以尿素作為還原劑。
為了進(jìn)一步降低鍋爐燃燒氮氧化物生成,對現(xiàn)有鍋爐進(jìn)行了低氮燃燒器改造。由于鍋爐為熱風(fēng)送粉,中間儲倉室制粉系統(tǒng),三次風(fēng)對低氮燃燒器的降氮效果影響較大,故將鍋爐熱風(fēng)送粉改成乏汽送粉形式。最終形成“鍋爐低氮燃燒器+SNCR+SCR”聯(lián)合脫硝系統(tǒng)。
1.1、低氮燃燒器改造
我公司低氮燃燒技術(shù)結(jié)合了分級燃燒和燃料再燃的優(yōu)點,同時吸收了ALSTOM雙級SOFA分級布置理念和國內(nèi)非常成熟的一次風(fēng)濃淡分離燃燒理念,形成了多煤種低氮燃燒裝置及控制方法。
一次風(fēng)采用水平濃淡煤粉燃燒技術(shù),垂直空氣分級燃燒結(jié)合分量偏置二次風(fēng)技術(shù),在燃燒器的中部和上部均布置了一層反切二次風(fēng),將燃盡風(fēng)分為高位燃盡SOFA和低位混合SOFA雙級燃盡風(fēng)。
1.2、乏汽送粉改造
原#1、#2、#3鍋爐采用中間煤粉倉、乏汽三次風(fēng)、熱風(fēng)送粉系統(tǒng)。三次風(fēng)布置在最上層,其下有三級二次風(fēng)噴嘴。三次風(fēng)的風(fēng)量約為總風(fēng)量的15%,其中含有10%~5%的煤粉。三次風(fēng)的過量空氣系數(shù)高,常在2.0以上。雖然三次風(fēng)的引入,有某種程度上的空氣分級燃燒的效果,使主燃區(qū)的空氣系數(shù)降低,增強還原性氣氛,有利于NOX的抑制和還原。
然而由于三次風(fēng)風(fēng)量有限,爐內(nèi)空氣分級基本上由一次風(fēng)、二次風(fēng)配合完成,三次風(fēng)對主燃區(qū)欠氧燃燒的程度和時間的作用有限。相反,三次風(fēng)帶粉,這些煤粉被噴入一個高溫氧化性氣氛燃燒,增加相對數(shù)量的NOX,抵消了分級燃燒的效果。三次風(fēng)對NOX的綜合效果,是使NOX排放明顯增加,而不是下降。
磨煤機(jī)工作時,投三次風(fēng)時的鍋爐尾氣NOX值顯著增大,主要就是三次風(fēng)細(xì)粉中的燃料氮在大過剩空氣系數(shù)下氧化造成的。因此,為了降低鍋爐出口煙氣中NOX的濃度,將原熱風(fēng)送粉系統(tǒng)取消,改為乏汽送粉系統(tǒng)。
1.3、SNCR和SCR煙氣脫硝系統(tǒng)
由于我公司鍋爐尾部煙道是兩級省煤器與兩級管式空氣預(yù)熱器交錯布置,且爐后沒有空間引出煙道布置多層催化劑,因此選擇了SNCR和SCR協(xié)同脫硝系統(tǒng)。以尿素作為還原劑,我們采用爐內(nèi)熱解工藝。
脫硝改造的3臺鍋爐均為熱電聯(lián)產(chǎn)鍋爐,采暖期3臺爐滿負(fù)荷運行;非采暖期一般僅1臺鍋爐半負(fù)荷運行。因此,#1~#3鍋爐布置二層噴槍。
#1~#3鍋爐SCR反應(yīng)器,在高溫省煤器和高溫空預(yù)器之間的尾部煙道內(nèi),各增設(shè)一層催化劑,布置20個催化劑模塊,截面為5m×8m。
由于高溫省煤器出口溫度在420℃左右,不能滿足催化劑的安全運行。為了滿足反應(yīng)器的溫度和空間的需求,將#1、#2鍋爐原光管高溫省煤器更換為H型鰭片管,并調(diào)整高溫省煤器及預(yù)熱器之間的布置空間,降低高溫省煤器出口煙氣溫度至380℃左右,且為SCR反應(yīng)器留出3m左右的布置空間。#3鍋爐高溫省煤器出口溫度在380℃左右,滿足催化劑安全運行溫度要求,且高溫省煤器與空預(yù)器之間的空間滿足1層催化劑布置要求。因此#3爐沒有進(jìn)行高溫省煤器進(jìn)行改造。
2、存在的的問題及解決方法
鍋爐脫硝系統(tǒng)改造后,經(jīng)過數(shù)月的運行,在不斷地調(diào)試與消缺過程中,發(fā)現(xiàn)了一些問題,也是同類技術(shù)路線中較為普遍且具有代表性的問題。
2.1、低溫省煤器堵塞,壓差大
脫硝改造后鍋爐運行半月,低溫省煤器前后壓差開始增大,換熱效率降低。采暖期停爐后檢查發(fā)現(xiàn)低省堵塞嚴(yán)重。
2.1.1、堵塞物成分判斷
根據(jù)相關(guān)研究,安裝脫硝的鍋爐尾部垢樣的典型成分分析,陰離子主要為硫酸根和氯根,陽離子主要為銨根離子和鈣離子,其中:硫酸銨的沉積區(qū)域溫度在260℃以上,且為松散灰結(jié)構(gòu);硫酸氫銨的沉積區(qū)域溫度在160℃~120℃,且為粘稠結(jié)構(gòu);氯化銨的沉積區(qū)域溫度在80℃~100℃,且為板結(jié)結(jié)構(gòu);煙氣水露點溫度在45℃~50℃,酸露點溫度90℃~100℃。因此,從結(jié)垢部位所處溫度段分析,低溫省煤器表面結(jié)垢是CaSO4、NH4HSO4、NH4CL和飛灰組成的復(fù)合灰垢(從灰垢的表觀特性、水浸泡、溶解后溶液pH值及灼燒,可間接證明判斷)。
2.1.2、堵塞物形成機(jī)理判斷
1)SCR+SNCR反應(yīng)生成的SO3和逃逸的氨,在煙溫低于200℃后,形成硫酸氫銨;
2)煙氣中氯化氫氣體和逃逸的氨反應(yīng),生成氯化銨氣溶膠;
3)換熱器壁面溫度≤80℃~100℃時,煙氣中水的飽和度達(dá)到了硫酸氫銨和氯化銨的吸濕點濕度,產(chǎn)生吸潮現(xiàn)象;
4)飛灰附著在吸濕后的氯化銨、硫酸氫銨表面產(chǎn)生了結(jié)塊板結(jié)現(xiàn)象。
2.1.3、堵塞物去除具體措施
基于以上分析,我們采取了如下措施:
1)調(diào)整鍋爐的噴尿素溶液量,嚴(yán)格控制氨逃逸量≤3PPm;
2)測量煤中的S和CL含量,在實際允許情況下,降低煤中的S和CL離子含量;
3)在阻力快速增加時,定期提高煙溫到170℃,確保換熱器壁溫≥100℃,時間維持6h,使得生成的硫酸氫銨自然分解;
4)加強吹灰,改為蒸汽吹灰;
5)提高低溫省煤器的水側(cè)進(jìn)水溫度,降低煙氣濕飽和度,減緩氯化銨的吸濕板結(jié);
6)進(jìn)行離線清洗:離線低壓水大流量沖洗,沖洗水加堿,沖洗水溫采用60℃~70℃高溫水,以提高溶解度;
7)設(shè)置低溫省煤器煙氣旁路。在低溫省煤器阻力增加失控時,為確保主機(jī)維持運行,增設(shè)煙氣旁路。
旁路煙道截面,按照總煙道截面的15%考慮,在大壓差下,其通流量可達(dá)總煙氣量的30%以上。由于旁路分流,流經(jīng)低溫省煤器的煙量降為70%,阻力降為50%,從而臨時緩解其阻力增加問題。
2.2、飛灰含碳量升高及改善措施
低氮燃燒器改造后,由于主燃燒區(qū)過量空氣系數(shù)降低,使得主燃燒區(qū)燃盡率降低,而燃盡區(qū)距離屏底距離較近,燃盡區(qū)的燃盡率不足以彌補主燃燒區(qū)燃盡率的減少,從而引起飛回針對低氮燃燒器的飛回含碳量升高的情況,一般可以采取以下措施治理:
1)將煤粉細(xì)度調(diào)低,提高煤粉均勻性指數(shù)
煤粉細(xì)度越細(xì),燃盡時間越短,燃盡率越高,飛灰含碳量越低;在煤粉細(xì)度相同的情況下,煤粉均勻性指數(shù)越高,粗顆粒越少,飛灰含碳量越低。不同煤種低氮改造前后煤粉細(xì)度的控制策略如表1所示。
2)不同煤種的低氮燃燒器出口NOX的最佳控制范圍
由于低氮燃燒器控制的出口NOX控制和飛灰含碳量控制,是相互矛盾的,因此必須互相兼顧,一般不同煤種建議不同的出口NOX控制范圍。表2給出的是在兼顧飛灰含碳量的情況下建議的燃燒器出口NOx控制范圍。
3)不同煤種飛灰含碳量和爐渣含碳量的升高情況
低氮燃燒器改造后,同一煤質(zhì)相同工況下燃燒后的飛灰含碳量會較改造前有所升高,且飛灰含碳量本身也受煤質(zhì)的揮發(fā)分含碳量升高。
(Vdaf)含量高低影響。表3給出了煤質(zhì)揮發(fā)分對飛灰含碳量和機(jī)械不完全燃燒熱損失(q4)的一般影響范圍。
我們購進(jìn)的煤質(zhì)大概情況是:揮發(fā)分Vdaf=30%~35%,灰分Aar=33.5%~37.5%;按照以上原則,確定低氮燃燒器的合理取值范圍及建議為:
(1)煤粉細(xì)度R90≤18~19;
(2)低氮燃燒器出口NOx控制范圍300mg/Nm3~350mg/Nm3;
(3)由此產(chǎn)生的飛灰含碳量升高1%~1.5%;
(4)改造并調(diào)整粗粉分離器,提高煤粉均勻性指數(shù),減少粗顆粒煤粉含量。
由圖1可以看出,經(jīng)過優(yōu)化調(diào)整,飛灰含碳量得到有效控制。低氮燃燒器改造前飛灰含碳量平均值2.49%,改造后飛灰含碳量平均值4.13%;優(yōu)化調(diào)整后飛灰含碳量平均值3.12%,較改造前飛灰含碳量平均值升高0.63%。比對表3,改造優(yōu)化后飛灰含碳量控制在較合理的范圍內(nèi)。
2.3、SNCR脫硝運行情況
2.3.1、溫度場改變,反應(yīng)窗口后移
低氮燃燒器改造后,通常會導(dǎo)致爐膛出口排煙溫度上升,具體表現(xiàn)在過熱器容易超溫、噴水減溫水量增大等現(xiàn)象。應(yīng)重新校對鍋爐溫度場,在滿足尿素?zé)峤獾暮线m位置增加噴槍,以提高該溫度區(qū)域尿素平面充滿度和爐膛穿透深度,減輕煙氣中氨濃度偏斜偏流情況。
具體方案為:在鍋爐標(biāo)高26140mm處的前墻增開5個孔,布置5個110°扇形噴槍。根據(jù)原SNCR噴槍廠家提供的資料、噴槍(流量范圍為60L/h~250L/h)模擬的速度場與溫度場,新增5個噴槍與下層噴槍并聯(lián)布置。新增噴槍投運后,SNCR總的噴氨量應(yīng)保持不變,并嚴(yán)格控制新增5個噴槍的壓縮空氣壓力和尿素溶液壓力,壓縮空氣壓力不應(yīng)超過0.3MPa,尿素溶液壓力不應(yīng)超過0.35MPa~0.45MPa,噴槍流量不應(yīng)超過250L/h,防止噴射距離過長導(dǎo)致屏式過熱器腐蝕。
在運行調(diào)試中,逐步調(diào)整5個新增噴槍的流量,新增每個噴槍流量從120L/h開始調(diào)整,并同步減少原6個噴槍的流量,以總噴尿素溶液量保持不變?yōu)樵瓌t。在新增5個噴槍投運后,如果NOX濃度下降,可逐步增加5個噴槍的流量,繼續(xù)減少原6個噴槍的流量。在調(diào)整過程中,壓縮空氣壓力不應(yīng)超過0.3MPa,尿素溶液壓力不應(yīng)超過0.35MPa~0.45MPa,噴槍流量不應(yīng)超過250L/h。
在保持稀釋水量不變的情況下,減少原噴槍噴尿素溶液量,采用低濃度噴氨,提高氨在煙氣中分散度.
2.3.2、SCR的效率較低
導(dǎo)致SCR脫硝效率降低的原因如下:
1)低氮燃燒器投運后,爐膛斷面煙氣溫度場發(fā)生較大變化,爐膛斷面NOX濃度分布有較大差異。而尿素噴槍設(shè)計按照均布方式設(shè)計,使得局部區(qū)域氨過量,其它區(qū)域氨欠量。這種不均勻性一直延伸到SCR反應(yīng)區(qū),最終導(dǎo)致脫硝效率較低。
解決方法:優(yōu)化流場,增加蒸汽擾動器或氣流均布器,根據(jù)NOX分布合理調(diào)整各個噴嘴的尿素溶液供給量。
由于僅依靠墻式噴槍,很難達(dá)到還原劑與煙氣中的NOX均勻混合,因此在水平煙道出口的右側(cè)布置4個蒸汽擾動孔,通過高速噴入的蒸汽對煙氣進(jìn)行擾動,或采用噴氨格柵,提高噴氨均勻性,促進(jìn)煙氣中NH3和NOX的混合。
在鍋爐水平煙道到垂直煙道段的轉(zhuǎn)折室,增設(shè)蒸汽擾動裝置,以提高煙氣流暢的均勻性;根據(jù)NOX濃度斷面分布特性,合理調(diào)整各個噴槍的流量,以達(dá)到較小尿素耗量條件下較高的SNCR和SCR脫硝效率。
2)催化劑性能下降。
解決方法:更換催化劑。在采取其他措施后,如果氨耗量仍然高于理論氨耗量,或脫硝指標(biāo)達(dá)不到設(shè)計值,需采取更換催化劑的措施,以增加催化劑活性,并適當(dāng)增加催化劑體積,提高SCR段的脫硝效率。
2.3.3、脫硝系統(tǒng)分配計量裝置精度低
尿素溶液調(diào)節(jié)門設(shè)計過大,在小流量調(diào)節(jié)過程中精度低,使尿素溶液用量波動大,NOX出口值波動較大。解決方法:更換合適的調(diào)節(jié)門,使尿素溶液的流量處于調(diào)節(jié)門的主調(diào)節(jié)區(qū)范圍內(nèi),提高調(diào)節(jié)精度。
2.4、CEMS的NOX、氨逃逸等測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確
2.4.1、NOX的測點后移
原有CEMS的測點布置在鍋爐出口的混合煙道上,該處氣流較為混亂,不滿足CEMS測點布置要求,將測點后移5m~6m,布置于分叉管道上;采用笛型管多點取樣,可提高測量準(zhǔn)確性。
2.4.2、氨逃逸的測點前移
由于受布置條件限制,原氨逃逸測點遠(yuǎn)離SCR裝置出口。又由于飛灰對NH3有較強的吸附作用,使得實際測得的氨逃逸數(shù)據(jù)失真,將氨逃逸測點上移至靠近SCR出口的附近。采用笛型管多點取樣,可提高測試準(zhǔn)確性。
2.4.3、進(jìn)行灰分中氨濃度的化驗,確保氨濃度≤50μg/g
根據(jù)已運行脫硝項目的經(jīng)驗,氨逃逸量和飛灰中氨含量有一定對應(yīng)規(guī)律,因此可以通過定期檢測飛灰中氨濃度,間接判斷實際氨逃逸量。
3、效果
如圖2所示,2017年12月份完成改造前后對比,尿素噸負(fù)荷耗量呈下降趨勢,且降低明顯。NOX排放日均值相對穩(wěn)定,且略有降低。
牡丹江熱電有限公司鍋爐脫硝系統(tǒng)經(jīng)過一系列的優(yōu)化和技術(shù)改造,在保證NOX排放達(dá)標(biāo)的條件下,當(dāng)鍋爐負(fù)荷達(dá)到90%以上時,氨逃逸量控制在≤3ppm,尿素溶液耗量明顯降低。空預(yù)器、除塵器、低省等的積灰、堵塞現(xiàn)象明顯的改善。
來源:環(huán)保之家