临沂生物质发电厂锅炉脱硝技术初步方案.doc

编号：SD1116F临沂生物质发电厂130t/h锅炉脱硝技术初步方案山东山大能源环境有限公司2011年10月20日目 录1 设计基础参数11.1 1130t/h炉设计基础参数11.2烟气分析12 130t/h锅炉的脱硝技术初步方案22.1氮氧化物的形成机理分析22.2 改造实施总体方案42.2.1低氮分段调整燃烧技术42.2.2 SNCR脱硝技术53 系统的改造实施及主要设备说明103.1 锅炉系统的改造103.2 主要设备说明103.2.1 SNCR的设备及供货范围103.2.2主要设备说明11131 设计基础参数1.1 1130t/h炉设计基础参数设计煤种备注锅炉蒸发量（t/h）130机组耗秸秆量（t/h）23.793机械不完全燃烧损失（%）2.2秸秆含硫量（%）0.18脱硫装置进口烟气温度（）132脱硫装置处理烟气量 （湿态，Nm3/h）159937脱硫装置进口SO2浓度（6%O2，mg/Nm3、干态）455.272.8kg/h脱硫装置出口SO2浓度（6%O2，mg/Nm3）100脱硫装置进口烟尘浓度（6%O2，mg/Nm3）18060.2脱硫装置进口NOx（6%O2，mg/Nm3）228.836.6kg/h脱硫装置出口NOx（6%O2，mg/Nm3）100需要脱硫装置的脱硫效率90%需要脱硝装置的脱硝效率80%1.2烟气分析锅炉负荷%110.7100.076.950.040.0CO2kg/kg0.20420.20150.18920.16940.1614SO2kg/kg0.00040.00040.00040.00030.0003N2kg/kg0.64930.65060.65670.66650.6705H2Okg/kg0.08910.08800.08290.07490.0716O2kg/kg0.04600.04840.05970.07760.0848Arkg/kg0.01100.01110.01120.01130.0114烟气含尘量kg/kg0.00150.00150.00140.00120.0012过量空气系数-1.301.321.421.611.70湿烟气密度kg/Nm31.2991.2991.2981.2971.297干烟气密度kg/Nm31.3781.3771.3711.3621.358大气压bar1.01321.01321.01321.01321.01322 130t/h锅炉的脱硝技术初步方案2.1氮氧化物的形成机理分析2.1.1 NOx的形成煤燃烧时所形成的NOx可分为三种，即热力型NOx、燃料型和在火焰边缘形成的快速型NOx。快速型NOx可用Fenimore机理解释，一般只在燃用不含氮的碳氢燃料时才予考虑，它的生成也比前两种少得多。热力型NOx的形成速率可根据Zeldovich机理进行估算，其简化方程： （1）其中：B=5.741011m3/2/(mol1/2s)，E/R=66900K，根据流化床的运行温度范围和氧浓度水平，热力型形成速率很低，即使不考虑各种分解还原过程，其平衡浓度也很低，故一般也可以不予考虑。燃料氮形成的NO占流化床燃烧方式NOx总排放的95%以上。无论是挥发燃烧中还是焦炭燃烧阶段都形成了大量的NO，燃烧过程的燃料氮平衡可用图1表示。燃料氮的转化率主要受温度、过量空气系数（富余氧浓度）和燃料含氮量的影响。一般在10%-45%的范围内。图1 燃料型NOx的形成途径2.1.2 N2O的形成N2O是一种有毒的无色气体，俗称笑气，也是一种温室气体。1988年，大气层中的N2O体积分数已达到3. 0710-7，并还在以710-10/a的速度增长。N2O 可与游离氧原子反应(N2O+ O2NO)，该反应也是大气平流层中NO的主要来源，因此，N2O对平流层臭氧的破坏作用是巨大的。流化床中N2O的生成机理受化学和热力学环境影响较大，从图1可以看出， N2O的生成一般为均相(挥发分) 燃烧和多相(焦炭)燃烧2个系统。图2给出了运行温度对N2O排放的影响。图2 运行温度对N2O排放的影响无论是NO还是N2O的生成机理分析，其最突出的特性都可归纳为：1）、对温度的敏感性，温度升高，则N2O明显降低，而NO明显升高；2）、对燃料性质的依赖性；3）、均相和多相反应都起着重要作用，尽管均相反应生产的N2O看起来更多一些，而多相反应则产生了更多的NO。2.2 改造实施总体方案针对临沂生物质发电厂130t/h锅炉Nox的排放浓度（最高按228.8mg/m3），提出了低氮分段调整燃烧+SNCR（Selective Non-catalytic Reductive）脱硝技术的方案，可以实现锅炉NOx的65%-70%脱除效率。2.2.1低氮分段调整燃烧技术分段燃烧技术是一次风从炉底风室送入，通过布风板上的风帽流化床料进入炉膛；二次风从炉膛布风板上部一定高度送入（见图3）。锅炉一次风的作用：、为了满足锅炉物料流化和布风均匀；、确保燃烧室下部形成还原性气氛，实现分段燃烧以降低NOx的排放。图3锅炉炉膛分段燃烧技术示意图改造实施技术的核心思想是调整流化床锅炉燃料粒径，同时提高一次风率，降低二次风，通过调整一、二次风的比率来调节炉膛燃烧工况， 随二次风率的提高，NOx 的生成量也随之下降，并在某值下达到最低，如图4所示。其原因为：在二次风喷口以下，由于O2浓度低，燃料氧的氧化反应速率很慢，同时，由于还原性气体的存在，即使在此区域有NO产生，也会发生还原性热分解，重新生成N2；在二次风喷口以上，O2浓度高，但由于二次风的加入，床温会相应降低，这又阻止了热力型NOx的生成。分段燃烧时，N2O的变化比较小。因此，二次风从床面以上一定距离给入为好，若给入位置过低，对限制NOx排放的作用较小。对于该锅炉的二次风（三层布置）调整，可以适当关闭底层的二次风风门，实现明显分段燃烧效果，达到低NOx的目的（NO降低20%-30%左右）。同时，当然煤粉粒径变小，炉膛内流化区的一次风压可降低2%-4%左右，又可以实现系统的节能运行。 图4 分段燃烧时，一次风的过量空气系数1对NO及N2O排放的影响2.2.2 SNCR脱硝技术SNCR脱硝的原理是把还原剂如氨气、尿素稀溶液等喷入炉膛温度为800-1250的区域，还原剂迅速热分解出NH3并与烟气中的NOx进行反应生成N2和H2O。2.2.2.1 工艺说明SNCR脱硝过程是一个燃烧后的脱硝过程，通过在火力发电锅炉，垃圾燃烧炉、窑炉或其他燃烧炉的烟道中喷入适量的氨气、尿素或其他脱硝剂来去除NOx的化学反应过程。该技术采用50的尿素溶液配少量防腐蚀的添加剂作为还原剂。其工艺流程如图5所示。这种脱硝剂的优点是容易配置，而且不需特殊的安全法规来处理。 图5 SNCR工艺示意图研究发现，在炉膛8001250这一狭窄的温度范围内、在无催化剂作用下，NH3或尿素等氨基还原剂可选择性地还原烟气中的NOx，基本上不与烟气中的O2作用，据此发展了SNCR法。在8001250范围内，NH3或尿素还原NOx的主要反应为： NH3为还原剂4NH3 + 4NO +O2 4N2 + 6H2O （2） 尿素为还原剂2NO+CO（NH2）2+O22N2+CO2+2H2O （3）不同还原剂有不同的反应温度范围，此温度范围称为温度窗。NH3的反应最佳温度区为8501100。当反应温度过高时，由于氨的分解会使NOx还原率降低；另一方面，反应温度过低时，氨的逃逸增加，也会使NOx还原率降低。反应剂利用率是衡量反应剂利用程度的指标，它与NOx脱除效率可用一个称为标准化化学计量比率(NSR)的参数联系在一起。NSR定义如下： （4）反应剂利用率、NSR和NOx脱除效率之间的关系如下： （5）通过性能试验关联的SNCR 工艺和设计变量有： NOx 还原（减排）率，从设计基线值或以下降到目标水平； 反应剂与 NOx的摩尔比 (NSR)； 达到NOx 还原（减排）率所需的最大反应剂流量； 最大 NH3 逃逸； 对于多层喷射方式，控制系统适当的负荷跟随能力。采用SNCR 工艺必须具备以下必要条件： 能够使用计算流体力学(CFD)和化学动力学模型(CKM)进行工程设计能力，即将先进的虚拟现实设计技术与特定燃烧装置的尺寸、燃料类型和特性、锅炉负荷范围、燃烧方式、烟气再循环（如果采用）、炉膛过剩空气、初始或基线NOx 浓度、炉膛烟气温度分布、炉膛烟气流速分布等相结合进行工程设计； 机械系统，包括设计合理的设备，例如反应剂储存、计量、分配装置、喷射组件、监视和控制装置等； 特定性质的化学反应剂尿素； 应用工程包括合理的安装、调试和维护。（1）设计条件CFD模型模拟特定燃烧装置内烟气流动和温度，而CKM模型根据CFD计算的流动和温度数据来计算尿素与NOx的反应，这两个模型结合在一起确定最优温度区域和最佳反应剂喷射模式。模型研究能够对NOx还原率进行估计，所以可以确定合理的工艺方案。SNCR的设计利用几十年积累的技术诀窍和现场经验，系统安装、操作和维护简单。（2）设备条件与SCR工艺不同，燃料类型（例如煤、生物质和垃圾等）对SNCR性能影响很小。经验表明，只要存在“SNCR反应温度窗”，SNCR工艺可应用于燃烧各种燃料的各种型式的锅炉。因为SNCR是燃烧后烟气处理工艺，燃烧装置的尺寸、类型和燃料类型对SNCR工艺没有较大影响。该工艺在以煤、油、天然气、木质废料、城市固态垃圾或危险垃圾为燃料的燃烧装置上得到成功验证。这些燃烧装置的尺寸和型式各不相同，包括快装锅炉、工艺加热器、焚化炉、循环或鼓泡流化床、废热锅炉和电站锅炉等。因此，SNCR能应用于几乎所有的燃烧装置，使其NOx排放满足或超过大多数NOx排放要求。使用无毒尿素溶液的关键喷入方式，SNCR工艺采用无毒的尿素溶液作为反应剂，将其喷入高温烟气中，从而减少NOx排放，其副产物是水、氮气、二氧化碳、其它无毒气体和通常的烟道气成分。（3）化学药剂条件尿素溶液的储存、运输和处理不需要特殊的安全防护措施。当使用高硬度的水稀释时，推荐使用混合处理溶液（它是浓度为50%的尿素溶液，添加少量的特殊化学物质进行稳定），以加强尿素雾化，将由于时间、温度和水中杂质造成的尿素沉淀减小到最低程度。为了取得高的NOx还原效率并将氨逃逸降到最低，应该满足下述条件：1. 具有强的穿透能力和合理液滴尺寸的还原反应剂充分分布，与烟气中的NOx混合良好。2. 在反应区内可维持适当温度范围的右方原则。3. 在反应区内可获得足够的停留时间。4. 具有良好响应特性的对负荷变化敏感能跟随的自控系统。从SNCR系统逃逸的氨可能来自两种情况，一是由于喷入点烟气温度低影响了氨与NOx的反应；另一种可能是喷入的还原剂过量或还原剂分布不均匀。还原剂喷入系统必须能将还原剂喷入到炉内最有效的部位，因为NOx的分布在炉膛对流断面上是经常变化的，如果喷入控制点太少或喷到炉内某个断面上的氨不均匀，则会出现分布较高的氨逃逸量。在较大的燃煤锅炉中，还原剂的均匀分布则更困难，因为较长的喷入距离需要覆盖相当大的炉内截面。为保证脱硝反应能充分地进行，以最少的喷入NH3量达到最好的还原效果，必须设法使喷入的NH3与烟气良好地混合。若喷入的NH3不充分反应，则逃逸的NH3与SNCR工艺一样不仅会使烟气中的飞灰容易沉积在锅炉尾部的受热面上，而且烟气中NH3遇到SO3会产生NH4HSO4易造成空气预热器堵塞，并有腐蚀的危险。但是，由于SNCR工艺中没有催化剂，不会使烟气中SO3浓度增加2-6倍。在相同的逃逸氨浓度时，形成（NH4）2SO4和NH4HSO4的可能性较SCR低2-6倍。因此，SNCR工艺的逃逸氨一般控制在515ppm以下，而SCR工艺则必须控制在15ppm。SNCR烟气脱硝技术的脱硝效率一般为50%60%，受锅炉结构尺寸影响很大，可用作低NOx燃烧技术的补充处理。美国的SNCR技术在燃煤电厂的工业应用是在80年代开始的，目前世界上SNCR工艺在燃煤电厂的总装机容量在25GW和100台机组以上。图6为一个典型的SNCR工艺布置图，它由还原储槽、多层还原剂喷入装置和与之相匹配的控制仪表等组成。图6 SNCR工艺流程示意图SNCR系统烟气脱硝过程是由下面四个基本过程完成： 接收和储存还原剂； 还原剂的计量输出、与水混合稀释； 在锅炉合适位置注入稀释后的还原剂； 还原剂与烟气混合进行脱硝反应。2.2.2.2 工艺设计SNCR烟气脱硝工艺设计参数机组参数单台机组机组容量, T/H130燃料秸秆处理烟气量, Nm3/h159937机组负荷75100%处理前的NOx浓度mg/Nm3 (6% O2)228.8处理后的NOx浓度, mg/Nm3 (6% O2)100脱硝效率, % 60炉膛出口温度(业主提供), 910平均氨逃逸 NH3, ppm, (6% O2, 测点在催化剂出口)15炉膛出口CO限定浓度，ppm200尿素溶液(50%) 预期流量, kg/h125（1）机组运行的NOx参数由业主确认，根据业主提供的技术参数来设计。（2）本设计可能因机组的技术参数变化而变化。（3）预期的性能指标应基于机组稳定运行状态下，符合上述参数的情况下。3 系统的改造实施及主要设备说明3.1 锅炉系统的改造为了控制锅炉NOx的排放，对锅炉实现分段燃烧。即首先原煤经环锤式破碎机破碎后，将原来的筛分装置进行更换（由13mm变为8mm）。根据实际运行调整一次风/二次风风门的比值；同时，必要的情况考虑关掉底层部分或全部的二次风喷口，以达到良好的燃烧效果。3.2 主要设备说明3.2.1 SNCR的设备及供货范围供货范围包括尿素制备和储存设备、稀释/计量装置、墙式喷射器分配装置、墙式喷射器、控制设备等。1套尿素制备和储存设备设备数量(供2台机组)规格干尿素储存斗1配套：尿素输送系统等尿素溶解罐1配套搅拌器，加热装置等 溶解装置1配套：计量泵，循环系统，控制系统等高流量循环装置1供尿素循环系统用背压控制阀150%尿素溶液储罐1设计按实际用量的57天储备来设计，包括人孔，液位计，加热装置等3.2.2主要设备说明1）、高流量循环装置该装置是包括完整自行的高流量、高压输送、并包括过滤化学还原剂的设备， 把还原剂输送到墙式喷射层与MNL层计量站装置。 此装置在工业锅炉和点站锅炉上是有多功能的，这些功能包括： 供给化学还原剂需要输送的压力到墙式喷射层与MNL层 计量站装置； 过滤还原剂以防止阻塞； 供给溶液水需要的热量以防还原剂结晶； 保持还原剂溶液循环； 为近程或远程控制和监测系统； 供给作内函的重复系统，以保持联续操作。此装置有两个多级离心泵，在线过滤器、在线加热器及所有的压力、温度、流速、高度仪表/远程控制循环及还原剂溶液的储存系统。2）、喷射区稀释/计量装置喷射区计量装置是一级装置，用于精确计量和独立控制到锅炉内每个喷射区的尿素反应剂浓度。该装置采用独立的化学剂流量控制，通过区域压力控制阀与就地PLC控制器的结合，为复杂的应用情况提供所需的高水平的控制。该装置连接并响应来自于机组燃烧控制系统、NOx和氧监视器的控制信号，自动调节反应剂流量，对NOx水平、锅炉负荷、燃料或燃烧方式的变化做出响应，打开或关闭喷射区或控制其质量流量。每一个区子装置可相互独立地进行运行和控制，该特性允许隔离每个子装置进行维修且不会严重影响工艺性能或总体的NOx还原效果。喷射区计量装置标准的单元包括一个不锈钢自由基座、主连锁跳闸盘、仪表和雾化空气压力开及仪表空气调节器。每一个区装置包括：带有就地/远方选择器的就地控制盘、化学剂和水的磁流量表、手动和自动喷射区隔绝阀、化学剂和水的控制阀以及嵌入式静态混合器。3）、墙式喷射器分配装置墙式喷射器分配装置是放在喷射器前（通常在同一高度），引导并检查喷射器性能的分配化学还原剂装置。雾化空气和冷却空气由此一装置注入。它们是为了安装方便已组成好并是及多管型的。另外，此分配装置还包括需要的面