介紹了某廠300MW燃煤發(fā)電機組煙氣脫硝改造工藝優(yōu)化特點,并與傳統(tǒng)工藝方法進行了比較分析,而且該優(yōu)化方案已在工程實踐中成功應用。
1概述
為實現(xiàn)國家“十二五”氮氧化物總量減排目標，滿足《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223-2011)的氮氧化物指標要求，燃煤電廠普遍實施了煙氣脫硝改造。很多電廠因所處地理位置原因，必須采取尿素法脫硝，而尿素法脫硝工藝相對較復雜。以某電廠尿素法脫硝為例來介紹其工藝優(yōu)化特點。某電廠的2臺300MW機組分別于2012年12月、2014年6月完成脫硝改造，在催化劑層布置、尿素熱解熱源選擇、尿素上料、混合噴氨方式、稀釋風設(shè)計等方面做了大量優(yōu)化工作，取得顯著成效。在此，根據(jù)該廠脫硝改造工程實踐，將工藝優(yōu)化特點總結(jié)歸納如下，供同行參考借鑒。
1.1鍋爐基本概況
該廠鍋爐為某公司供貨，采用從美國福斯特˙惠勒能源公司引進的“W”型火焰鍋爐技術(shù)。鍋爐為亞臨界壓力中間一次再熱的自然循環(huán)鍋爐，雙拱形單爐膛，燃燒器布置于下爐膛前后拱上，“W”型火焰燃燒方式，尾部雙煙道結(jié)構(gòu)，采用擋板調(diào)節(jié)再熱汽溫，固態(tài)排渣，全鋼結(jié)構(gòu)，全懸吊結(jié)構(gòu)，平衡通風，露天布置。燃用低揮發(fā)份無煙煤、貧煤及少量煙煤的混煤。鍋爐采用雙旋風煤粉濃縮燃燒器，共配有24個雙旋風筒分離式煤粉燃燒器，錯列布置在鍋爐下爐膛的前后拱上，每一燃燒器配有一個單元風，每個單元布置6個二次風道及擋板。
1.2脫硝改造基本概況
本工程采用尿素制備還原劑，選擇性催化還原法(SCR)脫硝裝置及配套系統(tǒng)改造。在設(shè)計煤種，鍋爐BMCR工況、處理100%煙氣量條件下由乙方提出在入口NOx含量在1000mg/Nm3時，脫硝效率大于80%、出口NOx含量不超過200mg/Nm3的設(shè)計方案。SCR部分的催化劑層數(shù)按“2+2”層方案進行設(shè)計。當環(huán)保排放標準提高時催化劑層可以采用“3+1”的設(shè)置滿足100mg/Nm3排放要求(即設(shè)備不進行改動或擴容，只需增加一層催化劑就可滿足100mg/Nm3的排放要求)。
2工藝優(yōu)化特點
2.1催化劑采用“2+2”模式
2.1.1傳統(tǒng)模式簡介
傳統(tǒng)模式中催化劑層數(shù)主要是按“2+1”模式布置，初裝2層預留1層;每套脫硝裝置均按在設(shè)計工況、處理100%煙氣量的條件下，脫硝效率不低于80%進行整體設(shè)計，在催化劑化學壽命期內(nèi)，催化劑在設(shè)計工況、處理100%煙氣量的條件下每套脫硝裝置脫硝效率均不小于80%。
2.1.2優(yōu)化模式簡介
優(yōu)化模式主要是將催化劑層數(shù)按“2+2”模式布置，初裝2層預留2層;每套脫硝裝置均按在設(shè)計工況、處理100%煙氣量的條件下，脫硝效率不低于90%進行整體設(shè)計，具體要求為：在催化劑化學壽命期內(nèi)，布置兩層催化劑的條件下每套脫硝裝置脫硝效率均不小于80%，布置三層催化劑的條件下每套脫硝裝置脫硝效率均不小于90%
2.1.3優(yōu)化模式優(yōu)點
(1)運行比較靈活，更具有遠見性，按照新的排放標準W火焰鍋爐從2014年7月1日起執(zhí)行200mg/m3排放標準，脫硝改造催化劑層數(shù)按照2+2設(shè)計，脫硝效率大于80%，可以達標;如果該廠被劃為“重點地區(qū)”，將要執(zhí)行“特別排放限值”100mg/m3，只需增加一層催化劑，很容易實現(xiàn)3+1的方式滿足100mg/m3排放要求;
(2)比傳統(tǒng)“2+1”或“3+1”模式節(jié)約大量改造費用。2.2天然氣熱源的采用
2.2.1傳統(tǒng)的尿素熱解熱源選擇
(1)傳統(tǒng)的尿素熱解熱源一般有兩種：一種是采用燃油(鍋爐點火#0柴油)，柴油在熱解爐燃燒產(chǎn)生熱量加熱稀釋風達到尿素熱解所需溫度;另一種是采用電加熱，從電廠的廠用電系統(tǒng)引入電源，在電加熱器中加熱稀釋風達到尿素熱解所需溫度。
(2)存在的不足：實踐表明，采用燃油加熱方式，目前國內(nèi)已有投運項目，但一直未能被推廣：a)該方式存在較嚴重的結(jié)垢現(xiàn)象;b)且在當前油價水平下，該方案的運行成本也較高。采用電加熱方式:a)除需要添置電加熱整套設(shè)備系統(tǒng)外，由于電負荷較大，一般的廠用電系統(tǒng)還難以承受這么大的負荷，還需要進行廠用電增容，因此，造成初期投資和設(shè)備維護費用較燃油方式高得多;b)相關(guān)資料表明，適當提高熱解爐稀釋風的溫度，有利于尿素的熱解和系統(tǒng)運行，但由于電加熱器由于其內(nèi)部原件的耐溫限值，稀釋風的溫度升高可能受到一定限制;c)在當前電價水平下，也不經(jīng)濟。
2.2.2天然氣加熱工藝原理
天然氣加熱工藝流程如下：采用天然氣加熱裝置將來自于電廠熱一次風(約300℃)進一步加熱到尿素熱解室入口所需要的溫度。
2.2.2天然氣加熱方式優(yōu)點
該廠改造工程實踐表明，天然氣加熱方式相對于燃油加熱、電加熱方式有如下突出優(yōu)點：
(1)設(shè)備系統(tǒng)簡單、可靠;
(2)初期投資費用非常低;
(3)運行穩(wěn)定，不存在結(jié)垢的問題;
(4)溫度控制方便，調(diào)節(jié)范圍寬，有利于尿素熱解反應充分;
(5)運行費用比燃油加熱、電加熱方式都低。
2.3采用渦流型噴氨技術(shù)
2.3.1常規(guī)方案簡介
常規(guī)方案主要采用格柵型AIG噴氨技術(shù)，大量氨氣管交叉伸入煙道，每根管子上裝有很多小噴嘴(如1臺300MW機組，噴嘴數(shù)有數(shù)百個)，噴嘴下游布置局部混合的靜態(tài)混合器。伸入煙道內(nèi)部的每根氨氣母管，在煙道外面設(shè)有手動調(diào)節(jié)閥，用于調(diào)節(jié)煙道截面不同區(qū)域的氨濃度分布差異。混合距離短，對噴氨格柵上游煙氣條件的變化適應能力低。
2.3.2渦流噴氨技術(shù)簡介
該技術(shù)利用了空氣動力學中駐渦的理論。在煙道內(nèi)部選擇適當?shù)闹惫芏?，布置幾個圓形或其他形狀的擾流板，并傾斜一定的角度，在背向煙氣流動方向的適當位置安裝氨氣噴嘴，這樣在煙氣流動的作用下，就會在擾流板的背面形成渦流區(qū)，這個渦流區(qū)在空氣動力學上稱為“駐渦區(qū)”，駐渦的特點是渦流區(qū)的位置是恒定不變的，也就是說無論煙氣流速的大小怎樣變化，渦流區(qū)的位置基本不變。稀釋后的氨氣通過管道噴射到駐渦區(qū)內(nèi)，在渦流的強制作用下充分混合，實現(xiàn)混合均勻性，達到催化劑入口混合度均勻性的技術(shù)要求。
2.3.3渦流噴氨技術(shù)優(yōu)點
渦流混合器與格柵式混合器比較
目前渦流混合器的使用已經(jīng)得到了大量工程的驗證，實際使用效果非常好，首先氣氨噴管口徑大(DN200)，噴管耐磨且不會造成堵灰;其次，渦流混合器結(jié)構(gòu)形式簡單，擾流板傾斜布置，不會形成局部積灰，運行安全可靠。2.4不設(shè)反應器灰斗
2.4.1常規(guī)方案簡介
鑒于鍋爐低負荷的情況下，在水平段煙道會出現(xiàn)積灰問題。一般的高含塵布置SCR裝置，在省煤器已經(jīng)設(shè)有灰斗情況下，還在脫硝反應器入口煙道設(shè)置灰斗，來提高大顆粒飛灰的去除效率,有效減少飛灰對催化劑的磨損和阻塞,延長催化劑壽命的可行性。增加灰斗帶來的問題：一是系統(tǒng)復雜，還需另配氣力除灰系統(tǒng);二是現(xiàn)場布置難度較大;三是增加改造投資;四是日常運行維護工作量大。
2.4.2優(yōu)化方案：不設(shè)置反應器灰斗
(1)選取合理的設(shè)計流速，確定合理的煙道截面尺寸，可以有效防止煙道積灰。
(2)在水平煙道上設(shè)置有人孔，在水平煙道少量的積灰情況下，可以利用機組小修期間通過水平煙道上設(shè)置的人孔進行清除。
(3)減少脫硝入口水平直段煙道距離，大約4米左右，可以利用省煤器出口灰斗進行除灰。
經(jīng)上述優(yōu)化設(shè)計，利用從現(xiàn)有的省煤器下部灰斗就能有效降低大顆粒飛灰進入反應器幾率，防止催化劑的堵塞。運行實踐已證明，本工程不設(shè)置反應器灰斗安全科學、合理。
2.5尿素上料方案優(yōu)化
2.5.1常規(guī)上料工藝流程
常規(guī)上料工藝流程如下：袋裝尿素顆粒用汽車送至尿素溶液配置車間內(nèi)，卸到儲存區(qū)域，由人工倒入斗提機卸料口，經(jīng)斗提機提升至設(shè)置在地面上的尿素溶液配置罐上方的尿素筒倉，再經(jīng)管道進入溶解罐里，用除鹽水將固體尿素溶解成50%質(zhì)量濃度的尿素溶液。
2.5.2改進方案
該改造項目中，直接將尿素溶解罐安裝于地下-3m位置，將儲存區(qū)域的尿素顆粒通過人工卸料倒入尿素溶解罐中;省去了尿素溶液制備過程中的斗式提升機系統(tǒng)、計量倉料斗、儲倉振打電機、布袋除塵器、壓縮空氣系統(tǒng)等設(shè)備。
2.5.3改進方案優(yōu)點
(1)常規(guī)尿素上料方案設(shè)備系統(tǒng)復雜，設(shè)備較多，可靠性低，成本較高，改進后方案，節(jié)省了設(shè)備安裝成本及運行維護成本。
(2)斗提機下料口易將潮氣引入尿素倉.尿素存在腐蝕易結(jié)晶,斗提機故障率較高，而優(yōu)化后的方案簡單方便、易操作，不存在設(shè)備的的維護及故障。
(3)勞動強度小,工作簡單,根據(jù)目前上料周期，兩個尿素溶液存罐配滿尿素溶液只需8H，就足夠滿足機組脫硝7天的用量，一周就只需配制一天，工作量非常小。
2.6稀釋風系統(tǒng)優(yōu)化
2.6.1常規(guī)方案
常規(guī)方案中一般稀釋空氣采用離心風機供給，采用加熱器加熱。每臺機組設(shè)置2臺稀釋風機，采用一運一備的運行方式。2.6.2改進方案
取消專用的兩臺稀釋風機和相關(guān)控制系統(tǒng)，利用該廠本臺機組空氣預熱器出口的熱一次風(約300℃)，直接作為稀釋風進入加熱器加熱后進入熱解爐進行尿素熱解，滿足2個SCR反應器的需求。
2.6.3改進方案的優(yōu)點
(1)熱一次風風量充足，能滿足脫硝系統(tǒng)稀釋風的需求量，減少了設(shè)備系統(tǒng)的投資成本。
(2)脫硝設(shè)備系統(tǒng)得到優(yōu)化，系統(tǒng)更加簡單，設(shè)備運行可靠性得到極大提高。
(3)專用的稀釋風機消耗大量的廠用電，取消稀釋風機每年可節(jié)約大量的廠用電量。
(4)節(jié)省了設(shè)備和系統(tǒng)的維修費用。
(5)運行實踐表明，采用熱一次風繼續(xù)加熱升溫，相對于用自然風加熱到尿素熱解所需溫度，所耗燃料成本更經(jīng)濟。
2.7熱解室與燃燒室采用分體布置
2.7.1常規(guī)方案簡介
國內(nèi)外傳統(tǒng)的利用天然氣或燃油作為熱源的熱解室結(jié)構(gòu)如圖5，燃燒器位于熱解室的頂部，與熱解室為一體式結(jié)構(gòu)。
流場模擬及實驗表明，當采用天然氣或燃油加熱空氣時，如果熱解室與燃燒器一體化設(shè)計，會對熱解室內(nèi)頂部的流場造成很大的影響。通過觀察流場可以發(fā)現(xiàn)，在熱解室上部邊壁部分存在強烈的回流現(xiàn)象，尿素溶液通過噴嘴噴出后會產(chǎn)生向上部流動的可能。
在該回流區(qū)形成了一個封閉的區(qū)域，阻止了尿素分解產(chǎn)生的氣體組分的擴散，導致氨氣在這里聚集不能擴散出來，熱解室內(nèi)上部氨氣濃度較高，出口濃度較小?；亓麟m然增加了尿素溶液在熱解室內(nèi)的分解停留時間，但是也阻止了氨氣的擴散，使?jié)舛确植疾痪?/p>
當鍋爐負荷變化時，氨需量隨之變化，噴入的尿素溶液量和需求的熱量也相應調(diào)整，助燃風和稀釋風的風量也需要作出相應的變化。當助燃風增大的時候，會抵消回流的負面效應，使熱解室出口氨氣濃度增大;當助燃風進一步增大的時候，回流作用繼續(xù)變小，但是尿素溶液在熱解室內(nèi)的分解停留時間變小，出口氨氣濃度又開始變小。
因此稀釋風和助燃風需要復雜的匹配過程，消除回流對分解和氨氣擴散的負面影響，才能使尿素溶液具有足夠的分解條件，并使熱解室出口的氨氣體積濃度保持穩(wěn)定。
2.7.2熱解室與燃燒室采用分體布置簡介
熱解室和燃燒器完全獨立布置，從鍋爐熱一次風母管上引入一路一次風(300℃)經(jīng)過燃燒器加熱后，再在燃燒器出口用熱風管道連接到熱解室。2.7.3分體布置的優(yōu)點
(1)燃燒器設(shè)置點火燃氣裝置，在燃燒器工作期間一直保持燃燒，使主燃燒器火嘴可以很自由的在各種負荷要求下均能正常工作。
(2)進入熱解室的熱風流場不受燃氣負荷的變化影響，無論助燃風和稀釋風量的大小如何變化，不會在熱解室內(nèi)產(chǎn)生任何回流現(xiàn)象，能保證熱解室內(nèi)有穩(wěn)定的分解反應條件，使尿素熱解反應充分，避免了在熱解室出口位置有異氰酸的大量生成而發(fā)生堵塞。
(3)燃燒器布置在熱解室上游的熱風管道上，可充分考慮天然氣設(shè)備設(shè)計環(huán)境要求(比如：防爆條件等)選擇合適的位置安裝，不受熱解室布置位置的限制。
3小結(jié)
3.1該廠屬于城市電廠，各項指標達標和設(shè)備可靠性、穩(wěn)定性要求都非常高，脫硝項目改造以來，設(shè)備運行可靠，各項指標優(yōu)良，具有一定的典型性和代表性。
3.2該脫硝項目的優(yōu)化過程中，該廠技術(shù)人員和設(shè)計單位一道反復論證并成功實施，效果顯著，大多數(shù)優(yōu)化改進屬國內(nèi)首創(chuàng)，并獲國家專利授權(quán)，這將為今后的脫硝設(shè)施優(yōu)化工作提供參考和借鑒。
