煤粉锅炉降氮脱硝技术比选及应用_张燕

1、- 34 - 氮氧化物（NOx）不仅是主要一次污染物,而且是生成臭氧（O3）等二次污染物的重要前体物之一。珠江三角洲地区氮氧化物排放量逐年增大,其排放总量已经超过二氧化硫排放量,是造成该地区光化学烟雾和灰霾污染的重要原因。氮氧化物排放量的增加还使得硝酸根离子在酸雨中所占的比例逐年上升,造成广东省酸雨污染类型由硫酸污染型向硫酸与硝酸复合污染型转变,增强大气氧化性,危害群众身体健康。为改善区域大气环境质量,公司积极开展了火电锅炉降氮脱硝工作。1 技术比选1. 1 当前成熟的降氮脱硝技术煤燃烧产生的氮氧化物主要来自两个方面：一是燃烧时空气中带进来的氮，在高温下与氧气反应生成NO，它被称为“热力型NO

2、x ”；二是来自燃料中固有的氮化合物，经过复杂的化学反应所生成的氮的氧化物，称为“燃料型NOx ”；煤粉锅炉两者兼有。煤粉锅炉降氮脱硝措施可以分为两大类，即低氮燃烧技术及烟气脱硝技术。其中低氮燃烧技术包括：低过量空气燃烧、低氮燃烧器（LNB）、煤粉再燃、空气分级燃烧等技术；烟气脱硝技术可分为选择性非催化还原反应（SNCR）法、选择性催化还原反应（SCR）法及SNCRSCR综合法1。1. 1. 1 低氮燃烧技术低氮燃烧技术不需要任何脱硝剂，长期运行费用低，一般是降氮脱硝工程的首选技术。对于已经建成的没有低氮燃烧装置的锅炉，通过进行低氮燃烧改造，具有较大的降氮潜力。对于切圆燃烧锅炉，主流低氮燃烧技

3、术包括低过量空气燃烧技术、低氮燃烧器（LNB）技术、空气分级燃烧技术（OFA）、燃料分级燃烧技术等。低氮燃烧技术可以是单项技术也可是多种技术的组合。1. 1. 2 烟气脱硝技术烟气脱硝是一种在燃料基本燃烧完毕后通过还原剂把烟气中的NOx还原成N2的一种技术。依据反应的温度不同及是否需要催化剂，烟气脱硝技术主要包括选择性催化还原法（SCR）、选择性非催化还原法（SNCR）及综合法（SNCRSCR）。烟气脱硝通常是利用脱硝剂的还原性来还原烟气中的NO x ，还原剂一般是一些含氮的氨基物质，常用还原剂包括液氨、氨水和尿素2-3。（）选择性催化还原法（SCR）选择性催化还原法（SCR）是指在催化剂的作

4、用下，利用还原剂（如NH3或尿素）“有选择性”地与烟气中的NOx 反应并生成无毒无污染的N2和H 2O。SCR脱硝技术适应性强，特别适合我国机组负荷变动频繁的特点；对新建机组有较好的适用性；对于老机组改造，要视锅炉尾部有无适当地改造空间而定，比如省煤器和空气预热器之间是否有煤粉锅炉降氮脱硝技术比选及应用张 燕， 仵 忠（广州石化动力事业部，广州 510726）摘要：介绍了几种降氮脱硝技术。从技术的成熟度、经济性和改造内容等方面进行了比较，选择出适用于某热电厂220 t/h煤粉锅炉降氮脱硝的技术。通过锅炉降氮脱硝改造后的运行和性能测试情况说明，所选用技术较适合旧锅炉脱硝改造，为其他锅炉进行降氮脱

5、硝技术选择和应用提供参考。关键词：煤粉锅炉 降氮脱硝 烟气脱硝技术 低氮燃烧 选择性非催化还原反应法收稿日期：2011-05-26作者简介: 张燕，女，高级工程师，广州石化动力事业部，从事环保管理工作。 - 35 -足够的烟道等；对烟气NOx 排放浓度要求很高的区域比较适用。SCR脱硝技术脱硝效率高，最高可达90%，NOx 排放浓度可降至100 mg/m3（标准状态）左右；该技术较成熟，应用广泛。NH3/NOx 比在0.81.2 之间，NH3泄漏在 5×10-6 以下。一次性投资较高。（） 选择性非催化还原法（SNCR）选择性非催化还原法（SNCR）技术是一种不用催化剂，在 8501

6、 150 范围内还原NOx 的方法，还原剂常用氨或尿素。该方法是把含有NHx 基的还原剂喷入炉膛温度为 8501 100 的区域后，迅速热分解成NH3和其他副产物，随后NH3与烟气中的NOx 进行反应而生成N2。SNCR脱硝技术对反应温度要求十分严格，对机组燃料变化适应性稍差，但SNCR脱硝系统简单，只需在现有的燃煤锅炉的基础上增加氨或尿素储槽以及氨或尿素喷射装置及其喷射口即可，更适用于老机组的改造，具有一次投资成本低，不需要催化剂，运行成本相对较低的特点。SNCR脱硝技术脱硝效率较SCR法低，一般在30%50%；NH3/NOx 在 0.82.5 之间。影响SNCR还原NOx 的化学反应效率的

7、主要因素是：温度、还原剂停留时间、还原剂类型。运行状态正常时的氨逃逸在 3×10-65×10-6，若运行状态不佳，则氨逃逸显著增加，NH3泄漏可达 5×10-620×10-6。（） 组合法（SNCRSCR）SNCR/SCR组合工艺是SNCR的还原剂直喷炉膛技术与SCR利用逸出氨进行催化反应结合起来后进行两级脱硝。利用组合法装置的脱硝率最高可达80 以上。但同样由于SCR的存在，需要在锅炉尾部有一定的布置空间，并消耗一定的催化剂，故投资及运行费用均高于SNCR。1. 2 脱硝工艺技术路线的选择烟气降氮脱硝技术种类多，但各种技术的使用独立性强，实际改造过程中

8、通常把多种技术组合联用，以达到降氮脱硝的要求。1. 2. 1 工艺技术路线对比220 t/h煤粉锅炉降氮脱硝改造要求锅炉实际运行工况下降氮脱硝率>60；烟气NOx含量240 mg/m3（标准状态）；且两个指标必须同时满足。通过技术必选，从降氮脱硝要求及技术的成熟度考虑，待选的技术路线如下：路线 1：低氮燃烧技术SNCR路线 2：综合法（SNCRSCR）路线 3：SCR3种技术路线的概略对比见表。 1. 2. 2 技术路线选择原则脱硝改造技术路线的选择应遵循的原则：（） NOx 排放浓度、排放量均能满足国家、地方的环保排放标准要求。- 36 - （） 技术成熟，运行可靠，有良好的运行业绩，

9、可用率达95以上。（） 脱硝剂有可靠稳定的来源，贮存输送方便、安全，质优价廉。（）能源消耗少，资源消耗少，运行费用低。（） 脱硝过程不对环境产生二次污染。（） 工艺系统对煤种适应性强，能够适应燃煤含氮量在一定范围内的变化。降氮脱硝装置的负荷变化范围与锅炉负荷变化范围相协调，有良好的适宜的调节特征。能满足锅炉安全、可靠、长周期运行的要求，原则上尽可能不影响锅炉的燃烧工况，其连续稳定运行时间与锅炉燃烧系统相协调。（）装置工艺简单，布置合理，占地面积小，对电厂原有各系统影响小。（） 降氮脱硝的主要装置和设备为国产化或能逐步实现国产化。1. 2. 3 技术路线的确定结合锅炉实际情况对三种技术路线进行对

10、比，其中综合法及SCR法均需要对锅炉尾部竖井烟道做一定改造。改造的锅炉由于没有所需要的空间及荷载，改造难度大，系统复杂，投资高，除脱硝剂运行耗费外，还需考虑催化剂更换所增加的运行费用。经过对比，综合考虑降氮脱硝工艺路线选择的一般原则，选择了脱硝率能够达到60及以上的“低氮燃烧SNCR”技术组合作为改造项目的技术路线。对于将来更加严格的污染物排放要求，预留了综合法（SNCRSCR）的改造条件，可进一步降低NOx的排放值。1. 3 工艺方案的选择在选定技术路线为“低氮燃烧SNCR”后，提出个改造方案进行详细的对比，各方案均涵盖低氮燃烧的各种常用技术。方案1：ROFA（旋转对冲燃烬风）SNCR方案2

11、：LNBSOFA（分离式燃烬风）偏转二次风SNCR方案3：LNBSOFASNCR将低氮燃烧技术部分各方案进行比对见表 2。 1. 4 脱硝剂的选择（1） 安全性比较液氨危险性最高，氨水次之，尿素没有危险。如从安全性角度考虑，该工程脱硝剂宜优先选用尿素。（2） 经济性比较因有现成粗液氨可使用，该工程氨水经济性占优。（3） 确定脱硝剂在确保安全前提下，主要从运行经济性角度考 - 37 -虑，当时优先选用了氨水作为脱硝剂。1. 5 技术方案比选结果通过对比，实施脱硝改造方案即：在选定技术路线为“低氮燃烧SNCR”的基础上，选择“LNBSOFASNCR（氨水）”。2 锅炉脱硝装置运行情况及减排效果2.

12、 1 低氮燃烧装置的运行及初期存在问题两台煤粉炉分别利用 12 天完成所有需停炉的脱硝改造项目，LNB和SOFA系统顺利投入运行，氮氧化物排放浓度自 700 mg/m3（标准状态）大幅度下降，锅炉出口氮氧化物平均值基本可以保持在 320 mg/m3（标准状态）以下。但运行初期氮氧化物排放值时有波动，同时在LNB和SOFA系统的试运行期间发现几个主要问题：（1） 制粉电耗升高。改造的锅炉为乏汽送粉形式，由于在一次风口管加装了煤粉分布盘和稳燃钝体，导致流通截面积减小，锅炉一次风压升高而流量减少，制粉通风出力下降，使制粉电耗大幅度上升。从改造前后的对比来看，改造后制粉吨煤电耗比改造前升高了约 7 k

13、W·h/t。（2）排烟温度升高为了降低NOx的生成量，一部分的二次风经置于燃烧器上方的SOFA喷口送入炉内燃烧，可能造成炉膛火焰中心高度上升，排烟温度有所上升（35）。（3）飞灰含碳量升高将燃烬风（OFA）开度调整在 40% 左右后，锅炉飞灰可燃物大幅度升高，由平均 1.5% 上升至3.8。（4）对锅炉燃烧影响较大当燃烬风开度大于 60 时，锅炉燃烧波动较大，主蒸汽温度、压力等不稳定。2. 2 问题处理情况通过一段时间的运行调整，排烟温度升高、飞灰含碳量升高、燃烧不稳定等问题已得到根本解决。改造前后同等工况下，飞灰可燃物为 1.8，排烟温度较改造前下降了 23 ，锅炉运行稳定。在只运

14、行LNBSOFA系统，8090 负荷锅炉负荷的工况下， 1# 炉NOx可基本稳定控制在 250 mg/m3 （标准状态）以下， 2# 炉可控制在 320 mg/m3（标准状态）以下。通过分析对比，我们认为 2# 炉效果低于 1# 炉的原因在于炉膛温度较高，不利于低氮燃烧。制粉电耗升高的问题，通过采取加大循环风量等手段，也取得不错效果，脱硝改造后运行初期，电站锅炉制粉电耗为 41.14 kW·h/t，优化下降到37.5 kW·h/t，但仍比改造前平均 34.5 kW·h/t 高，工艺措施已无法彻底解决该问题。针对一次风阻力增加的问题， 1# 炉利用锅炉小修的时机，将

15、 8 根一次风管上原有的高阻型煤粉分配器更新为高效低阻型，系统运行后，制粉通风阻力下降，通风量满足正常运行工况要求，电耗已恢复至脱硝改造前状况。另外，为保证良好的低氮燃烧效果，锅炉需要保持低 O 2 燃烧，炉膛出口 O2 含量在 1.52.5为最佳，O2 含量高则NOx上升，低则燃烧恶化，飞灰可燃物升高。低氮燃烧对工艺控制的要求较高，O 2含量的波动或锅炉负荷的波动都会造成NOx急剧大幅度变化。低 O2 燃烧有导致锅炉结焦的可能，从目前运行情况来看，锅炉有轻微结焦现象，但无明显的规律，且只出现在 2# 炉，因此低 O2 燃烧与锅炉结焦的关系无法得出明确结论。2. 3 SNCR装置的运行及改造S

16、NCR原设计系统一开始采用氨水作为脱硝剂，喷入炉膛出口进行二级脱硝。SNCR进行整组调试，该工程实例，氨水并不能有效降低氮氧化物，对炉膛出口温度进行测量，发现炉膛出口温度为 1 2001 250，超过氨水与氮氧化物反应的温度区间（氨水反应温度区间为 8501 100），导致氨水作为脱硝剂无法实现脱硝。采用不同浓度的尿素溶液替代氨水进行试验，试验情况初步表明在当时SNCR系统设备（按氨水技术路线设计）状况下，20 尿素溶液有较明显的的效果，经评估，决定将氨水脱硝工艺改造为尿素脱硝工艺。对SNCR系统计量模块和分配模块进行尿素工艺改造，将原来6支小流量氨水枪改为 3 支大流量尿素枪（见图 1,图

17、2），并在计量模块后增加稀释水模块，实现了尿素脱硝工艺的优化运行。对在线仪表数据进行统计分析， NOx基线值为 300320 mg/m3（标准状态）时，SNCR脱硝率约25，脱硝剂耗量控制设计指标内。LNBSOFA系统整体脱硝效果良好，锅炉NOx排放可稳定控制在240 mg/m3（标准状态）以下。- 38 - 注：NOx排放浓度单位mg/m（标准状态）已折算为O2含量6%的标干烟气浓度。张 燕等煤粉锅炉降氮脱硝技术比选及应用 表 4 各试验工况的锅炉效率 氧量，% 4.65 5.16 3.76 4.24 3.44 3.95 氧量，% 4.16 5.02 3.78 4.81 3.35 4.82

18、飞灰可燃 物，% 2.00 1.59 4.38 2.56 3.51 2.25 飞灰可燃 物，% 1.79 1.70 0.52 0.53 0.31 0.87 炉渣 石油石化节能与减排 SNCR水分 锅炉 效率 平均效率 变化，% 1# 煤粉炉 负荷及燃料， （纯烧煤）/t·h 190 220 1 实测排烟 温度/ 149.3 156.5 141.9 151.8 141.8 154.4 实测排烟 温度/ 157.3 160.4 155.4 164.2 149.6 162.0 修正排烟 温度/ 147.8 156.3 145.2 155.4 143.8 157.4 修正排烟 温度/ 157

19、.1 157.7 162.8 167.3 158.1 166.1 可燃物，% 热损失，% 5.45 4.70 1.42 1.53 1.53 0.30 炉渣 0 0 0 0 0.24 0.24 SNCR水分 效率，% 变化，% 92.02 91.30 91.34 91.90 91.69 91.81 锅炉 -0.68 0.60 -0.33 0.51 效率 改造前 改造后，不 投SNCR 改造后， 投SNCR 2# 煤粉炉 190 220 190 220 负荷及燃料， （纯烧煤）/t·h1 190 220 0.09 平均效率 变化，% 可燃物，% 热损失，% 1.72 2.55 1.61

20、0.41 0.01 0.23 0 0 0 0 0.22 0.25 效率，% 变化，% 92.15 91.70 92.45 91.75 92.66 91.49 0.31 0.05 0.49 改造前 改造后，不 投SNCR 改造后， 投SNCR 190 220 190 220 0.14 -0.21 2.4 整组性能测试 2010 年 12 月和 2011 年 1 月进行锅炉暨脱硝 的排放作用非常关键，脱硝率约为50，且有改造 工作量不大、费用低，运行成本低等优点，是煤粉 炉改造的必选项。但其对乏气送粉的锅炉制粉的通 风出力和有一定负面影响，在设计阶段必须充分考 虑，提前找出解决方案。燃烬风设计参数（标高、 风量）要精确核算，避免运行中造成主蒸汽温度过 度降低。 3.2 脱硝剂的优先选用 氨水作为脱硝剂的反应温度区间狭窄，较难控 制，该工程SNCR系统首次投入运行后，氨水工艺 无脱硝效果，分析主要原因就在于炉膛出口温度过 高导致NH3提前分解，因此氨水工艺只适合炉温较 低的锅炉。因此SNCR工艺路线建议首选尿素。 3.3 温度场的测试 改造施工前，必须对锅炉