1、CFB 鍋爐煙氣再循環和 SNCR聯合脫硝技術引言自 20 世紀 80 年代以來，針對 CFB 鍋爐內 NOx 的生成機理， 許多學者進行了大量的研究并取得了不少有益的結論。 在燃煤鍋爐產 生的 NOx 中，NO 具有更高的熱力學穩定性， 占整個 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 1000 ） ，不具備熱力型 NOx 生成的高溫條件 （約 1300 ） ，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 NO

2、x 一般只在 CHi 基團濃度較高且較為 貧氧的環境中生成。因此， CFB 鍋爐中生成的 NOx 主要為煤中所含 的氮元素經過復雜的化學過程轉化而來的燃料型 NOx 。NOx 生成過程主要集中在 CFB 鍋爐密相區， 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， 直至爐膛出口， 質量濃度沿高度呈下降趨勢。一方面，二次風的加入稀釋了 NOx 質 量濃度;同時，爐內高體積分數的 CO 和未燃盡焦炭都對 NOx 起到顯 著的還原作用。國內 CFB 鍋爐多燃用無煙煤、石油焦、貧煤等低反 應活性燃料，單位時間燃燒速率低，因此需要更多的反應表面，造成 物料中碳存量較高， 所以

3、爐膛內還原性較強， 爐膛出口 CO 體積分數 可達 10000 。已有研究表明， CO 和 NOx 在焦炭表面發生的氣固異 相反應是 NOx 還原的最重要反應，該結論已在小型熱態 CFB 試驗臺 上得以驗證。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。 通過調整 CFB 鍋爐的運行狀態，改變以上各因素， 就可以實現對鍋爐 NOx 排放的控制。當CFB鍋爐溫度控制在 900 ， 且當煤種含氮量不高時 （ 如低于 0.7%） ，可自然實現達標排放。1 工程概況本項目為某電廠三臺循環流化床鍋爐， 其中兩臺為 75t/h ，一臺 為 40t/h 。根據目前的煤質

4、，1# 爐 NOx 排放濃度為 380-430 mg/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 。根據各臺鍋爐的燃燒工況和氮氧化物實際排放濃度 等多項因素進行綜合分析，分別對 1# 、2# 、4# 鍋爐進行低氮燃燒 優化研究，實施配風、調控等多方面的優化改造， 指導低氮燃燒調整， 以達到第一階段 NOx 控制目標，實施低氮調整燃燒配風調整后使鍋 爐出口 NOx 濃度降低到 300mg/Nm3 以下; 同時建設一套 SNCR 煙氣脫硝系統，采用

5、 10% 濃度氨水為還原劑進行第二階段脫硝，經 過兩個階段的脫硝調控，最終將 NOx 濃度降低到 100mg/Nm3 以 下，滿足電廠長期達標排放需要。2 煙氣再循環描述2.1 煙氣再循環的機理煙氣再循環是采用較多的控制 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煙氣直接送入爐內， 或與一次風或二 次風混合后送入爐內， 這樣不但可降低燃燒溫度， 而且也降低了氧氣 濃度，進而降低了 NOx 的排放濃度。再循環煙氣量與不采用煙氣再 循環時的煙氣量之比，稱為煙氣再循環率。煙氣再循環法降低 NOx 排放的效果與燃料品種和煙氣再循環量 有關。經驗表明，煙氣再循環率為 15-20% 時

6、，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率的增加而增 加，而且與燃料種類和燃燒溫度有關，燃燒溫度越高，煙氣再循環率 對 NOx 降低率的影響越大。煙氣再循環率一般控制在 10-20% 。當采用更高的煙氣再循環 率時，燃燒會不穩定，未完全燃燒熱損失會增加。2.2 目前存在問題a. 煙氣中含氧量過大從三臺鍋爐的運行數據來看：1# 爐負荷為 50%-70% ，煙氣含氧量大部分位于 7%-9% 之間， 甚至有時出現超過 10% 的工況 ;2# 爐負荷為 50%-65% ，含氧量的 數據為 6.5%-9% 之間，部分時段超過 10%;4# 爐負荷在 54%-60

7、% 之間時，煙氣含氧量甚至高達 18% 左右。在一定范圍內，含氧量增高，可提高過量空氣系數改善燃燒效率， 因為燃燒區域氧濃度的提高增加了燃燒效率及燃盡度， 但過量空氣系 數超過 1.15(2.5%) 后繼續增加對燃燒效率影響不大。 同時，對于燃 料型 NOx ，燃料氮的轉變率隨著過量空氣系數的升高而升高，從而 造成了燃料型 NOx 較高。b. 一次風風率過高一、二次風的配比因不同形式的 CFB 鍋爐的設計工況而不同， 一般一次風率為 50-60% 之間，一次風經空預器預熱后進入風室， 經布風板、風帽進入鍋爐密相區， 保證燃燒需要。為減少 NOx 生成， 密相區的實際過量空氣系數為 1% 左右，

8、在運行中， 使密相區主要處 于還原性氣氛。二次風的作用是調節床壓， 保證燃燒完全所需的氧氣。 三臺鍋爐中， 4# 爐負荷在 54%-60% 之間時，一次風風率高達 80-90% 之間。一次風率較高， 使密相區的過量空氣系數過高， 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 鍋爐旋風分離器的分離效 率低下，返料量下降，返料對于床料的冷卻能力降低，從而導致原有 的熱平衡打破，造成流化床的床溫較高， 為降低床溫，需要加大風量， 從而進一步導致過量空氣系數增大，能耗上升。d. 爐膛中心區缺氧三臺 CFB 鍋爐存在著爐膛中心區缺氧的問題，究其原因除

9、了高 密度物料顆粒群對二次風射流的阻擋作用外， 也存在貼壁流垂直下瀉 覆蓋水冷壁、 每個層面顆粒水平移動不夠均勻、 各轉彎變化區域渦流 干擾和垂直上移速度的不均勻影響。 這種中心區缺氧會降低燃料燃盡 效果和脫硫劑化學反應的效率，直接導致 De-NOx 爐內過程的優化 受到限制，不能有效實現低溫燃燒時的高效低氮。e. 床溫不均勻性由于三臺鍋爐的燃料為煤泥， 煤泥的加入點集中在鍋爐上部， 造 成新鮮燃料和分布相對集中、從而會導致床溫偏差較大。事實上，整 個床面上各個床溫測點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 70 以上，最大的可以達到 150 以 上，這

10、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， 肯定會造成局部溫度峰值， 局部超高床溫是產 生 NOx 急劇增加的元兇，其生成能力是合理床溫下的數倍甚至數量 級增加。2.3 改造方案根據現場實際狀況表明， 二次風量加大或者投運情況下， 鍋爐出 口氧量反而降低， 說明密相區床料 （ 床壓）分布極其不均勻，為保證燃 燒效果就必然增大一次風量， 煙氣再循環的設計初衷是為了打破密相 區上不快速喘流床的狀態， 使床料具有橫向移動， 打破現有流場不均 勻狀態，使一次風中的氧量得以充分利用，在滿足硫化的前提下，進 一步降低整個鍋爐的含氧量。降低總的一次風率， 進而降低總風量， 使進入分離

11、器的床料粒子 動能降低，能將更多的床料經分離器分離下來，增大循環物料量，改 善爐內床料平衡。本項目煙氣再循環系統采用 3 臺風機 (2 用 1 備)對現有 3 臺鍋 爐新增煙氣再循環管路， 煙氣引自靜電除塵器與引風機之間管道， 新 增煙氣再循環煙氣經現有上部二次風噴口噴入。其中 1# 風機同時給 1# 爐供風， 3# 風機同時給 2# 鍋爐及 4# 爐供風， 2# 風機作為備用 風機，當 1# 或 3# 風機故障時，能夠通過布置在風機聯絡風道上的 手動關斷門切換由 2# 風機供風，二次風噴口流速約 40 50m/s 。圖 1 煙氣再循環系統圖煙氣再循環的風量選為煙氣量的 15%-20% ，按照

12、鍋爐滿負荷 運行的時的煙氣作為煙氣量的基準， 根據在 3 臺爐二次風煙氣循環管 路上安裝的二次風流量測量裝置， 通過電動調節風門實現供風量的控 制。表 1 每臺爐的煙氣循環量供風量調節范圍 (Nm3/h) 供風壓力 (KPa) 溫度( )備注1# 爐 0 20000(23000m3/h)81402# 爐 0 5500 (7000m3/h)81404# 爐 0 20000(23000m3/h)81403 SNCR 脫硝系統描述3.1 工藝描述該脫硝系統的工藝流程如圖 2 所示。 SNCR 系統主要由氨水卸 載及存儲模塊，氨水供應模塊、噴射模塊、霧化空氣供應及計量分配 模塊、控制系模塊組成。圖 2

13、 SNCR 工藝流程圖圖 3 SNCR 脫硝氨站圖(1) 氨水卸載及存儲系統作為還原劑的氨水通過氨水槽罐車運輸至氨水儲罐區后， 通過氨 水卸載泵將槽車內的氨水輸送至氨水儲罐， 儲罐的容積足夠儲存脫硝 系統運行七天內所需要的氨水的量。 氨水儲罐內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) 氨水供應模塊氨水供應模塊含供應泵、 過濾器、用于遠程控制和監測循環系統 的壓力、溫度、 流量以及濃度的儀表等。另外還設有一套背壓控制閥 (自力式壓力調節閥 ) ，背壓控制回路用于調節供應泵為計量裝置供應 氨水所需的穩定流量和壓力。(3) 氨水計量分配模塊噴射區計量

14、模塊為一級模塊， 用于精確計量和獨立控制到鍋爐每 個噴射區的反應劑濃度。該模塊連接 NOx 和氧監視器的控制信號， 自動調節反應劑流量，對 NOx 水平、鍋爐負荷、燃料的變化做出響 應，打開或關閉噴射區或控制其質量流量。 每一個區子模塊可相互獨 立地運行和控制， 該特性允許隔離每個子模塊進行維修且不會嚴重影 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的設計能適應水泥窯系統的安全運行， 并能適應鍋 爐的負荷變化和啟停的要求。 氨水溶液在通過噴嘴噴出時被充分霧化 后以一定的角度噴入爐膛內。 該系統用于氨水流動時的流量和壓力控 制，通過氨水噴射系統把氨水調節到一定的壓強并

15、向每個噴槍分配， 同時把壓縮空氣流量和壓力也調節到與其匹配的程度。(5) 霧化空氣供應及計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，廠用壓縮空氣先進入空氣緩沖罐再通過空 氣計量分配模塊進入噴槍， 以確保系統的穩定可靠運行。 壓縮空氣總 管上的在線流量計對來自壓縮空氣緩沖罐的壓縮空氣進行流量測量， 將流量信號傳至 DCS ，實現對霧化空氣總流量的實時監控。總管以 及各個支路上的壓力表可以監測空氣管路是否暢通， 確保霧化空氣進 入噴槍。(6) 控制模塊自動控制系統的設計能夠根據鍋爐內煙氣負荷及排放煙氣中NOx 、氨氣的在線監測情況，經過內

16、在程序的計算，調整傳輸、噴射 系統的運行，進而控制氨水、壓縮空氣的流量及其控制參數，使脫硝 系統能夠根據負荷變化自動調節工藝參數， 以實現脫硝系統的穩定運 行，并保證脫硝效率。3.2 反應溫度區間SNCR 具有一個最佳的反應溫度窗口。 溫度過低，反應速率很慢， 使大量反應劑來不及參與反應， 因而降低了脫硝效率， 并且增加反應 劑逃逸量。反應產物中的 NO 和 NH3 的濃度都比較高，轉化率低 ; 溫度過高， NH3 的氧化反應速度超過還原反應，并有可能生成更多 的 NO，造成 NO 轉化率降低。根據鍋爐溫度測點選擇 810 950 的反應溫度范圍。3.3 氨氮比氨氮摩爾比增加時，鍋爐煙氣中 NOx 排放量減少，與此同時， 氨的逃逸率增加。 CFB 鍋爐采用 SNCR 噴氨時，氨氮摩爾比達到 1 左右，脫硝反應正好可以反應完全， 但實際情況一般需要氨氮摩爾比 大于 1。當摩爾比大于 1 且小于 2 時，脫硝效率升高 ; 當摩爾比大于 2.0 后，脫硝效率增幅變緩，而此時氨的逃逸量卻增加了。根據不同 的氨氮比調整噴氨量， 在實際工況下， 氨氮比達 1.4 時，出口氮氧化 物的含量小于 100m