混合法脫硝工藝在燃煤機(jī)組超低排放中的應(yīng)用
摘 要
混合法脫硝工藝是結(jié)合了 SCR 技術(shù)高效、SNCR 技術(shù)投資省的特點(diǎn)而發(fā)展起來(lái)的一種新型的、成熟的工藝。通過(guò)伊敏電廠三期 2×600MW 機(jī)組 SNCR+SCR 混合法脫硝工藝方案的論述。首先對(duì) SNCR 系統(tǒng)的供氨能力進(jìn)行了摸底測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn) SNCR 系統(tǒng)能夠產(chǎn)生足夠的氨逃逸滿(mǎn)足 SCR 系統(tǒng)的使用，但氨逃逸分布的均勻性較差。然后根據(jù)測(cè)試的結(jié)果對(duì) SCR 系統(tǒng)煙道進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)并安裝了煙氣混合器，改善了進(jìn)入 SCR 反應(yīng)器的氨逃逸分布均勻性。通過(guò)改造，成功的將 NOx從 260mg/m3降至 90mg/m3以下；并且通過(guò)進(jìn)一步增加 SNCR 系統(tǒng)四區(qū)噴槍噴入的尿素溶液流量能夠?qū)?SCR 出口的 NOx降低至 50mg/m3以下。
關(guān)鍵詞：SNCR；SCR；氨逃逸；均勻性
1 概況
自從 SNCR 脫除 NOx工藝在上世紀(jì) 70 年代由美國(guó)人發(fā)明并申請(qǐng)了專(zhuān)利之后，這種技術(shù)就由于其具有較高的性?xún)r(jià)比而得到了廣泛的應(yīng)用。我國(guó)于 2007 年在江蘇利港電廠引進(jìn)了第一臺(tái) 600MW 機(jī)組的 SNCR 脫硝裝置。近幾年，隨著我國(guó)環(huán)境污染的加劇和環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的日益提高，配備 SNCR 脫硝系統(tǒng)的鍋爐數(shù)量也在持續(xù)增長(zhǎng)。特別是 2014年發(fā)布的《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014-2020年）》，許多已進(jìn)行 SCR 改造的 W 火焰鍋爐，由于其初始NOx排放濃度較高，單純靠加裝一層催化劑已難以達(dá)到超低排放的要求。在這種情況下，使用 SNCR+SCR 混合法脫硝技術(shù)才是經(jīng)濟(jì)可行的超低排放技術(shù)路線。
伊敏電廠三期 2×600MW 機(jī)組在 2010 年建成投運(yùn)時(shí)配套建設(shè)了 SNCR 脫硝系統(tǒng)來(lái)。使用尿素作為脫硝的還原劑，脫硝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率為 35%（NOx從 260mg/m3降低至170mg/m3）。SNCR 脫硝設(shè)備由大唐集團(tuán)和美國(guó) FuelTech,Inc. 提供，于 2011 年 7 月通過(guò)“168”試運(yùn)行。經(jīng)過(guò)西安熱工院調(diào)試，后又經(jīng)電廠技術(shù)人員一年多的調(diào)試，5、6 號(hào)爐NOx排放值為 170mg/m3，平均干尿素耗量每天約 17 噸。西安熱工院“千人計(jì)劃”專(zhuān)家徐宏杰博士根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)摸底試驗(yàn)，對(duì)現(xiàn)有設(shè)備提出了改進(jìn)意見(jiàn)，通過(guò)對(duì) 6 號(hào)爐 40 多天消缺以及優(yōu)化調(diào)試，以及對(duì) 5 號(hào)爐 20 多天調(diào)試，將 5、6 號(hào)爐NOx排放值控制在 150mg/m3，平均干尿素耗量每天約 9噸，如果按原排放目標(biāo)值 170mg/m3運(yùn)行，尿素耗量每天只需 4~5 噸，即每年為電廠節(jié)約近千萬(wàn)元運(yùn)行成本。
隨著國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的提高，要求這兩臺(tái)機(jī)組的 NOx排放要低于 100mg/m3。通過(guò)分析論證，計(jì)劃采用 SNCR+SCR的技術(shù)路線來(lái)對(duì)這兩臺(tái)機(jī)組進(jìn)行脫硝系統(tǒng)的升級(jí)改造，并可實(shí)現(xiàn) 50mg/m3的超低排放目標(biāo)。保留原來(lái)的 SNCR 裝置，僅對(duì)省煤器和空預(yù)器之間尾部煙道進(jìn)行改造，安裝兩層催化劑（1+1），使用 SNCR 系統(tǒng)產(chǎn)生的逃逸氨作為 SCR 反應(yīng)的還原劑。本文對(duì)這兩臺(tái)機(jī)組 SNCR+SCR 脫硝改造情況進(jìn)行介紹，并探討了在混合法脫硝技術(shù)下達(dá)到超低排放要求的可行性。
2 脫硝系統(tǒng)介紹
伊敏電廠三期機(jī)組 SNCR 系統(tǒng)采用尿素作為還原劑，其 SNCR 系統(tǒng)包括尿素溶液制備儲(chǔ)存系統(tǒng)、尿素溶液循環(huán)供給系統(tǒng)、尿素溶液計(jì)量稀釋系統(tǒng)、尿素溶液分配噴射系統(tǒng)。其中尿素溶液噴槍分四層布置：第一層噴槍為伸縮式短噴槍?zhuān)贾迷跔t膛折焰角下部區(qū)域，沿爐膛四周布置；第二層噴槍為固定式短噴槍?zhuān)贾迷跔t膛折焰角區(qū)域，只布置在鍋爐前墻；第三層噴槍為固定式短噴槍?zhuān)贾迷跔t膛折焰角上部區(qū)域，只布置在鍋爐前墻上；第四層噴槍為長(zhǎng)槍?zhuān)贾迷跔t膛折焰角上方區(qū)域，從鍋爐左墻和右墻插入布置。在添加 SCR 系統(tǒng)時(shí)，先將省煤器和空預(yù)器之間的水平和豎直煙道進(jìn)行改造，在水平煙道上安裝了煙氣混合器，以減少或消除由 SNCR 系統(tǒng)產(chǎn)生逃逸氨在截面上的分布不均勻現(xiàn)象。然后將空預(yù)器進(jìn)口豎直煙道進(jìn)行改造，將反應(yīng)器布置在豎直煙道上。整體脫硝系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖 1 所示。
圖 1 伊敏電廠 SNCR+SCR 脫硝系統(tǒng)示意圖
相比于常見(jiàn)的 SNCR+SCR 混合法脫硝技術(shù)來(lái)說(shuō)，伊敏電廠使用的混合法脫硝技術(shù)具有兩個(gè)特點(diǎn)：
（1）SCR 脫硝反應(yīng)的還原劑完全靠上游 SNCR 系統(tǒng)反應(yīng)生成的逃逸氨，沒(méi)有在鍋爐尾部煙道溫度較低的位置安裝補(bǔ)氨噴槍?zhuān)?/p>
（2）SCR 反應(yīng)器直接安裝鍋爐省煤器和空預(yù)器之間的煙道上。
因此伊敏電廠的混合法脫硝技術(shù)改造具有改造施工難度低、投資成本少的優(yōu)點(diǎn)；但同時(shí)這兩個(gè)特點(diǎn)對(duì)于混合法脫硝技術(shù)本身有比較大的挑戰(zhàn)。其一，SNCR 系統(tǒng)噴槍都布置在煙氣溫度為 850~1050℃的爐膛位置。此溫度范圍下，能否獲得足夠的氨逃逸是保證下游 SCR 脫硝效率的關(guān)鍵因素之一；其二，由于沒(méi)有安裝補(bǔ)氨噴槍或噴氨格柵，SNCR系統(tǒng)產(chǎn)生的逃逸氨在 SCR 反應(yīng)器入口截面上的分布是否均勻也是保證 SCR 脫硝效率的關(guān)鍵因素之一。
3 原 SNCR 系統(tǒng)產(chǎn)生氨逃逸能力測(cè)試
在進(jìn)行 SCR 脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)前，首先對(duì)原 SNCR 系統(tǒng)的產(chǎn)生氨逃逸能力及其在空預(yù)器入口截面上的分布進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)測(cè)量了 600MW 下基礎(chǔ)工況，即按照原運(yùn)行參數(shù)運(yùn)行的工況，此時(shí)噴槍投入三區(qū)和四區(qū)，控制 NOx濃度為 150mg/m3。同樣測(cè)量了當(dāng)僅增加四區(qū)噴槍噴入尿素溶液流量的工況，此時(shí)其它運(yùn)行參數(shù)保持不變，比較這兩種工況下氨逃逸濃度的增加和氨逃逸的分布。
圖2伊敏電廠6號(hào)爐基礎(chǔ)工況氨逃逸分布圖
圖3伊敏電廠6號(hào)爐基礎(chǔ)工況NOx分布圖
實(shí)驗(yàn)使用化學(xué)法對(duì)氨逃逸量進(jìn)行測(cè)量，使用便攜式煙氣分析儀對(duì)煙氣中的 NO 和 O2進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量的位置在空預(yù)器入口截面上。圖 2 和圖 3 給出了伊敏電廠 6 號(hào)爐在基礎(chǔ)工況下測(cè)量得到的空預(yù)器入口截面上的氨逃逸和 NOx分布云圖，圖 4 和圖 5 給出了伊敏電廠 6 號(hào)爐在增加 4 區(qū)噴槍噴入尿素溶液流量后空預(yù)器入口截面上氨逃逸和 NOx分布云圖。從圖 2 和圖 4 我們可以看到，當(dāng) SNCR 系統(tǒng)在滿(mǎn)負(fù)荷時(shí)，投運(yùn)三區(qū)和四區(qū)噴槍時(shí)，空預(yù)器入口處的氨逃逸濃度分布很不均勻，呈現(xiàn)出前后墻濃度較高，而中間濃度較低的趨勢(shì)。同時(shí)可以看到，增加四區(qū)投入的尿素溶液流量，能夠較顯著的增加系統(tǒng)的氨逃逸數(shù)量。從圖 3 和圖 5 可以看到，增加四區(qū)的尿素溶液流量，NOx的數(shù)量變化不大，其分布規(guī)律也基本都呈現(xiàn)出前墻濃度較高的趨勢(shì)。
通過(guò)對(duì)原 SNCR 系統(tǒng)各工況下逃逸氨濃度及其分布趨勢(shì)的測(cè)試可以得出結(jié)論：通過(guò)增加 SNCR 系統(tǒng)四區(qū)噴槍投入的尿素溶液流量能夠使系統(tǒng)產(chǎn)生較多的氨逃逸，但此氨逃逸在空預(yù)器入口截面上的濃度分布是不均勻的。
圖4伊敏電廠6號(hào)爐增加尿素溶液后氨逃逸分布圖
圖5伊敏6號(hào)爐增加尿素溶液后NOx分布圖
圖6 SCR系統(tǒng)流場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果
4 SCR 系統(tǒng)改造
通過(guò)對(duì)原 SNCR 系統(tǒng)氨逃逸分布的測(cè)試得知 SNCR 系統(tǒng)產(chǎn)生的氨逃逸在空預(yù)器入口截面上的分布是不均勻的，如果僅將SCR 反應(yīng)器安裝在空預(yù)器入口煙道上而不采取任何措施的話(huà)，那么進(jìn)入 SCR 反應(yīng)的氨逃逸分布會(huì)很不均勻，從而會(huì)影響脫硝效率甚至催化劑的化學(xué)壽命。
通過(guò)采用數(shù)值模擬的方法對(duì) SCR 系統(tǒng)煙道進(jìn)行了流場(chǎng)設(shè)計(jì)，并添加了煙氣混合器，以改善進(jìn)入 SCR 反應(yīng)器的氨氮摩爾比分布的均勻性。圖 6給出了加裝煙氣混合器和導(dǎo)流板后省煤器出口和第一層催化劑入口氨濃度分布的云圖，從圖中可以看到，當(dāng)原 SNCR 系統(tǒng)產(chǎn)生的氨逃逸濃度不均勻時(shí)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的 SCR 系統(tǒng)進(jìn)口煙道后，進(jìn)入第一層催化劑入口面上的氨濃度分布均勻性有很大的改善。
5 SNCR+SCR 混合法脫硝的實(shí)際效果
通過(guò)對(duì)伊敏電廠三期兩臺(tái)機(jī)組原 SNCR 系統(tǒng)的摸底測(cè)試，以及根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì) SCR 系統(tǒng)煙道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)之后，對(duì)這兩臺(tái)機(jī)組進(jìn)行了脫硝改造。6 號(hào)爐在428MW 負(fù)荷下 SCR 系統(tǒng)的 DCS畫(huà)面，改造后兩個(gè)反應(yīng)器的脫硝效率在 47%左右，SCR 反應(yīng)器出口 NOx濃度低于 90mg/m3。同時(shí)在調(diào)試的時(shí)候也發(fā)現(xiàn)，繼續(xù)增大SNCR 系統(tǒng)四區(qū)噴槍的尿素溶液流量，能夠?qū)?SCR 反應(yīng)器出口的NOx調(diào)節(jié)到 50mg/m3以下。
6 結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)對(duì)伊敏電廠三期 2×600MW 機(jī)組SNCR 系統(tǒng)進(jìn)行摸底測(cè)試及 SCR 系統(tǒng)改造，我們成功的實(shí)施了在不增加補(bǔ)氨噴槍情況下的 SNCR+SCR 混合法脫硝技術(shù)。得到的主要結(jié)論如下：
（1）SNCR 系統(tǒng)能夠產(chǎn)生足夠的氨逃逸供下游 SCR 反應(yīng)使用。
（2）SNCR 系統(tǒng)產(chǎn)生的氨逃逸的分布均勻性較差，需要加設(shè)煙氣混合器和導(dǎo)流板才能使進(jìn)入反應(yīng)器的氨逃逸分布相對(duì)比較均勻。
（3）在目前的 SNCR+SCR 混合法脫硝運(yùn)行情況下，適當(dāng)增大 SNCR 系統(tǒng)四區(qū)的尿素溶液流量能夠使 SCR 反應(yīng)器出口的 NOx降低到 50mg/m3以下。將來(lái)進(jìn)行超低排放改造的時(shí)候，仍然可以使用 SNCR+SCR 混合法脫硝的技術(shù)路線。
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