热电厂煤粉锅炉氮氧化物控制技术应用

4 2 工业锅炉 2 0 1 4 年第 1 期( 总第 1 4 3 期) 文章编号 ： 1 0 0 4 - 8 7 7 4 ( 2 0 1 4 ) 0 1 - 0 0 4 2 - 0 5 热电厂煤粉锅炉氮氧化物控制技术应用 何雁飞 ， 孙 志翱 ( 1 无锡华光锅炉股份有限公 司， 江苏 无锡 2 1 4 0 2 8 ； 2 无锡华光新动力环保科技股份有限公司， 江苏 无锡 2 1 4 0 2 8 ) No Emi s s i o n Co n t r o l Te c h n o l o g y f o r Pu l v e r i z e d Co a 1 fir e d Bo i l e r o f Th e r m a l Po we r Pl a n t HE Ya n f e i ， S UN Z h i a o ( 1 Wu x i H u a g u a n g B o i l e r C o L t d ， Wu x i 2 1 4 0 2 8 ， J i a n g s u ， C h i n a ； 2 Hu a g u a n g Ne w En e r g y En v i r o n me n t a l Pr o t e c t i o n Te c hn o l o g y C o L t d ， Wu X i 2 1 4 0 2 8 ， J i a n g s u ， C h i n a ) 摘要： 通过对热电厂煤粉锅炉采用 N O 控制技术的实例分析， 提出了中小型煤粉锅炉配 套脱硝设备的选型以及布置时与锅炉尾部受热面的配合要点及实际效果。 关键词 ： 煤粉锅炉 ； N O 控制 ； S N C R； S CR 中图分 类号 ： T K 2 2 9 文献标识码 ： B O 引言 近年来 ， 随着我国火 电装机容量的增长 ， N O 排 放量逐年增加 ， N O 已成为我 国主要大气污染物之 一 。2 0 1 1 年 7月 2 9日， 国家环境保护部和 国家质 量监督检验检疫总局联合发布了新修订的 火电厂 大气污染物排放标准 ( G B 1 3 2 2 3 -2 0 1 1 ) 并于2 0 1 2 年 1 月 1日起实施。根据该标准的要求 ， 现有火 电 机组 N O 排放限值为 1 0 0 mg m ( 标态 ) 采用 w 形 火焰炉膛 、 现有循环流化床 ， 以及 2 0 0 3年 2月 3 1日 前建成投产或通过项目环境影响报告审批的火力发 电锅炉执行2 0 0 m g m ( 标态) 限值 ， 重点区域火电 机组的 N O 排放限值统一为 1 0 0 mg m 。 ( 标态) J 。 1 No 生成机理 N O 有三种生成类型 ： 燃料型 N O 、 热力型 N O 和快速型 N O 。研究表 明： 燃料型 N O 是 由燃料 中 的有机氮氧化物生成， 其生成量与燃料中氮的含量 和存在形式有关， 同时与火焰中氧的浓度以及燃料 与空气的混合过程有密切的关系； 热力型 N O 由烟 气中的氮与氧在高温下反应生成， 其生成量与烟气 的温度、 高温区的停留时间以及氧的分压有关； 快速 型 N O 多为燃料的烃基化合物在欠氧火焰中与氧 收稿 日期 ： 2 0 1 3 - 0 4 1 9 第一 作 者： 何 雁 飞 ( 1 9 7 0一) ， 高级工程 师 ， 上 海 理 工 大 学 ( 原上海机械学院) 锅炉专业 ， 长期从事 锅炉产 品设计 开发 工作。 反应生成氰化物 ， 其 中一部分转 化为 N O l 2 J 。三种 类型 N O 生成量与炉温的关系如图 1 所示 。 根据图 1 可知 ， 降低 N O 的要点是抑制 N O 的 生成 ， 并创造条件使已生成 的 N O 还原成 N 。煤粉 炉炉内温度大多在 1 5 0 0以下 ， 热力 型 N O 生成 量约 占总量 的 1 0 1 5 ， 只有 当炉温超过 1 6 0 0 时 ， 热力型 N O 生成量 占到总量 的 2 5 3 0 ； 快速型 N O 生成量仅 占总量 的 5 ； 而燃料型 N O 约占总量的 7 5 8 0 。 1 00 0 1 4 0 0 1 8 0 0 炉膛温度 c 图 1 煤粉锅炉各类型 N 0 的生成 浓度与炉膛温度的关系 2 N O 的控制方法 煤粉锅 炉减少 N O 排放 的措施可在两个 区段 实施 ， 即锅炉的燃料燃烧 阶段和燃烧后的烟气净化 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 环保技术 热 电厂煤粉锅炉氮氧化物控制技术应用 4 3 阶段 。 2 1 锅炉燃料燃烧阶段的 No 控制 锅炉燃料燃烧阶段降低 N O 的措施如下： ( 1 ) 采用合适的炉膛容积提供充分的分级燃烧 和停 留时间， 减少 N O 的排放。 ( 2 ) 燃烧器采用两层 高位布置燃尽风 ( O F A) ， 一 定比例( 1 5 ) 的二次风从 O F A喷嘴送入 ， 实现分 级燃烧， 使主燃烧区形成低过量空气系数， 造成弱还 原性气氛 ， 从而使 N O 还原为 N ， 减少燃料型 N O 的生成。 ( 3 ) 采用浓淡燃烧器 ， 使得浓侧煤粉处 于浓相 富燃料燃烧区 ， 氧量减少 ， 抑制 N O 生成 。 ( 4 ) 采用较低 的燃烧 器区域热负荷 ， 即燃 烧器 总高度较大 ， 减少 了燃烧器 区域 的壁面热负荷 ， 使火 焰温度降低 ， 抑制 了热力型 N O 的生成。 2 2 燃烧后烟气净化阶段的 N o 控制 燃烧后烟气脱硝技术包括选择性非催化还原 ( S N C R ) 技术 、 选择性 催化还原 (S C R) 技术 、 S N C R S C R联合烟气脱硝技术 、 液体 吸收法、 微生物吸收 法、 活性炭吸附法、 电子束法等。目 前应用最广的主 要是 S N C R技术 、 S C R技术和 S N C R S C R联合烟气 脱硝技术。 2 2 1 选择性非催化还原 ( S N C R) 技术 炉膛 喷射脱 硝法是 指在炉膛上部 喷射某 种物 质 ， 能够在一定的温度条件下还原已生成 的 N O ， 以 降低 N O 的排放量 。喷射 物质可以是氨 、 氨水 、 尿 素等， 欧美发达国家常用的是氨 。向炉膛喷射氨 ， 氨 只与烟气 中的 N O 发生反应 ， 一般不与烟气 中的氧 直接发生反应 ； 另外 ， 在不采用催化剂的条件下 ， 氨 还原 N O 的反应只能在 9 5 01 0 5 0 o C这一狭窄的 温度范围内进行。在锅炉负荷变化时 ， 该温度范围 在炉 内的位置会发生变化。因此需在炉墙上开设多 层氨喷射 口， 以使喷入炉内的氨均能混入温度为 9 5 01 0 5 0的烟气中。 此外 ， 控制合适 的喷氨量是采用该法的另一重 要原则。喷入的氨量太少时 ， 不能达到降低 N O 的 预期效果 ； 喷人的氨量过多 ， 则会造成未反应的氨泄 漏到锅炉的尾部受热面， 这不仅会使烟气中的飞灰 容易沉积在受热面上 ， 而且烟气 中的氨遇 到 S O 会 生成硫酸铵， 引起尾部受热面堵塞和腐蚀等问题。 非催化喷氨脱硝法虽然投资少， 运行费用低， 可降低 N O 排放浓度 3 0 7 0 ， 但是由于受到反应温度 范围狭窄和喷氨量控制等限制， 目前采用此技术的 锅炉还 比较少。图 2为 S N C R脱硝工艺流程。 尿素卸载泵 图2 S N C R脱硝工艺流程 2 2 2 选择性催化还原 ( S C R ) 技术 选择性催化还原脱硝法是当前火 电厂广泛采用 的烟气脱硝技术 ， 尤其在西欧和 日本 。其原理是 ， 用 氨作还原剂， 氨被喷射到烟气中， 在通过 3 0 0 4 2 0 的催化剂层时 ， N O 有选择地与氨进行反应 ， 使之 还原成 N 和 H O。 一 般 S C R反应 器系统安装在锅炉省煤器后及 空预器前 ， 氨喷射装置布置在 S C R反应器上游的位 置。其流程是烟气在省煤器 出口进入一个垂直布置 的S C R反应器 内， 在反应器内烟气向下流过导流 板 、 均流板、 喷氨装置 、 催化剂层 ， 然后进人空气预热 器 、 除尘器 、 引风机和脱硫设备 ( F G D) ， 最后通过烟 囱排人大气。氨是通过 N H 喷射装置注入到烟道 与烟气均匀混合进入反应器 ， 通过催化与 N O 发生 反应， 以降低烟气中的N O 的浓度。 选择性催化脱硝法， 脱硝装置结构简单、 无副产 品、 运行方便、 可靠性高、 脱硝效率高， 可以用来处理 大量烟 气。该 法 的缺点 是 ， 烟气 中所含 的飞灰 和 S O ： 均通过催化 剂反应器 ， 飞灰对催化剂 反应器有 磨损； 高活性的催化剂会使烟气中的 s 0 ： 氧化成 S O ， ， 烟气温度降低时， 氨与 S O ， 反应成硫酸铵， 堵 塞催化剂反应 器和空气 预热器通道。图 3为 S C R 脱硝工艺流程。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 工业锅炉 2 0 1 4年第 1期( 总第 1 4 3期 ) 图 3 S C R脱硝工艺流程 2 2 3 S N C R S C R联合烟气脱硝技术 S N C R S C R联合脱硝技术是将 S N C R工艺的还 原剂喷人炉膛技术 同 S C R工艺利用逃逸氨进行催 化反应技术结合起来， 进一步脱除 N O ， 它是把 S N C R工艺的低费用特点同 S C R工艺的高脱硝率进 行有效结合 的一种扬 长避短 的混合 工艺。S N C R S C R联合工艺的脱硝效率可达到 5 0 8 0 ， 氨的 逃逸小于 4 m g m 。图 4为典型的 S N C R S C R联合 烟气脱硝工艺流程。 3 热电厂煤粉炉应用烟气脱硝装置实例 近几年 ， 无锡华光锅炉股份有 限公司在 中小型 煤粉锅炉上根据不 同用户的需求 ， 在新建 电厂和老 电厂的改造中分别采用 了不同的烟气脱硝系统和布 置方式 ， 取得 了预期效果 。 图 4 S N C R S C R联合脱硝工艺流程 3 1 老电厂 中小型煤粉炉采用 S NC R S C R联合 烟道空问设置 S C R系统， 锅炉在采用 S N C R与 S C R 法脱硝 老电厂的中小型煤粉锅炉 采用 S N C R S C R装 置联合脱硝的布置方式 ， 见图 5所示。 某用户在电厂建成后由于烟气排放问题， 无法 投入正常运行。该电厂为中外合资单位， 在某国外 脱硝公司的建议下， 决定采用 S N C R技术。由于 S N C R系统脱硝效率不高， 对锅炉原始排放有要求， 于是先对锅炉的燃烧器进行 了改造 ， 同时在炉膛 多 层 、 多点设置了喷 口。考虑到燃烧器 已经采用了低 氮燃烧技术 ， 也布置了 S N C R系统 ， 但有可能还不能 使锅炉的尾部烟气排放达到国家标准 的要求 ， 所 以 对锅炉的尾部受热面进行 了改造 ， 以便 留出足够的 联合脱硝技术后 ， 尾部 N O 的排放指标最终达到了 国家标准的要求 。 3 2 老电厂中小型煤粉锅炉仅加装 S C R脱硝 老电厂的中小型煤粉锅炉仅加装 S C R装置的 布置方式 ， 见图 6所示 。 2 0 1 0年江苏无锡惠联热电的 1 7 0 t h高温高压 煤粉锅炉需要进行烟气脱硝工程的改造。由于这种 小型煤粉锅炉的炉膛高度有限， 尽管锅炉已经采用 了水平浓淡燃烧器， 但像 O F A等低氮技术仍很难实 施。根据 S N C R系统脱硝效率的指标， 要求锅炉本 体的N O 排放达到3 5 0 m g m ( 标态) 很难实现， 所 以根本 无法 满足 国家标准 的要求 。 采用S C R技 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 环保技术 热电厂煤粉锅炉氮氧化物控制技术应用 4 5 上级省煤器 S 皈 应器 下级省煤器 下级空气预热器 图5 S N C R S C R联合法脱硝装置布置方式 图 6 中小型煤粉锅炉仅加装 S C R装置布置方式 术虽然需要对尾部烟道进行一定的技术改造， 但一 般煤粉锅炉特别是这种小 型煤粉锅炉 的尾部烟道 ， 如果采用将 S C R反应器高位布置的方式， S C R反应 器需要 的人 口烟窗温度 ( 3 0 0 4 3 0) 很容易在尾 部的省煤器与空气预热器之间找到， 而有了适合一 般催化剂的最佳活性温度窗口， 烟气在进人 S C R反 应器前不需要采用加热器等措施对其进行再加热， 因而这种方案投资费用与运行费用都不高。所以惠 联电厂的燃煤烟气脱硝方案最终确定为使用高位布 置的 S C R脱硝方式 。 在改造前先对锅 炉本体 N O 的原始排放数 据 进行了现场测试。根据上述 S C R对于入 口烟温的 要求 ， 现场将锅炉尾部上级 省煤器烟气 出口处确定 为测试点， 并进行了从 5 0 至 1 1 0 最大工况( B M - C R ) 的工况测试， 获取了不同负荷下的烟气量和烟 气温度以及省煤器出 口烟气污染物的相关数据 ， 其 中烟气污染物的相关数据包括了烟尘浓度、 N O 、 H C 1 、 H F、 S O 2 、 S O ( 标态及湿态 、 实际氧及 6 O 2 ) 等 指标 ， 为 S C R装置的催化剂选型、 反应器尺寸确定 、 吹灰器选型等提供设计依据。 脱硝方案按 当前的实际燃 用煤种 、 锅炉负荷 5 0 最大工况( B MC R) 条件进行设计 ， 脱硝层数按 2 +1设置 ， 还原剂采 用液氨 ， 此 时脱 硝效率可 以 8 0 ， 且 N O 排放浓度可以 1 0 0 m g m ( 标态) 。 虽然在改造 中场地并不宽裕 ， 但是 由于脱硝装 置只是布置在引风机的上部， 所以改造时只需将高 温段空气预热器从尾部烟道 向后移出至反应器下 ， 为脱硝系统的进出 口烟道留出位置。本项 目由于烟 温的关系 ， 还调整 了上下级省煤器 的面积。 引风机主要用于克服加装脱硝装置后产生的阻 力 ， 其改造是