SNCR脱硝技术在300MWCFB锅炉上的应用

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摘要:本文针对SNCR脱硝技术首次在300MWCFB锅炉的成功应用进行详细介绍,CFB机组本身具有低氮排放的特性,目前国内大部CFB机组NOX排放在200mg/Nm3左右,经SNCR技术改造后,可以满足《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)对重点区域CFB氮氧化物排放限值(小于100mg/Nm3)的要求,以期为国内众多CFB机组提供新的脱硝思路。
关键词:SNCR脱硝技术CFB锅炉应用
1.概述
秦皇岛秦热发电有限责任公司#5机组(300MWCFB)于2012年底完成了以尿素为还原剂的SNCR烟气脱硝装置改造工程,改造前NOX排放浓度约为240mg/Nm3(6%O2),通过SNCR脱硝设施改造,设计脱硝效率不小于60%,排放指标满足国家标准对重点地区的要求(低于100mg/Nm3)。168小时试运行期间,平均脱硝效率为73.43%,最大脱硝效率可达82.96%,NOX平均排放值54.5mg/Nm3;2012年12月1日通过了由河北省环境保护厅组织的环保验收;在CFB机组中采用SNCR脱硝技术所取得的效果远远超过预期,CFB+SNCR设计综合脱硝效率>85%,实测>90%。
2.工程概况
2.1建设单位机组简介
秦皇岛秦热发电有限责任公司2×300MW循环流化床(CFB)锅炉机组,于2007年投产发电。锅炉由东方-电气集团东方-锅炉股份有限公司采用法国ALSTOM公司技术设计的DG1025/17.4-Ⅲ型CFB锅炉,锅炉出力1025t/h,为亚临界参数自然循环流化床汽包炉,该型锅炉整体呈左右对称H型布置,4台高温旋风分离器布置在锅炉两侧,采用外置换热器控制床温及再热汽温。
2.2脱硝工艺选择
根据现场实际,CFB锅炉采用炉内脱硫,脱硫产物易导致SCR工艺所用催化剂钙化中毒,影响使用寿命和脱硝效率;锅炉设计无预留增加脱硝装置反应器空间,现场条件无法满足SCR工艺布置要求;锅炉燃用低热值高灰分燃料,尾部灰浓度远高于煤粉锅炉,会造成SCR反应器催化剂磨损严重、使用寿命降低,将使运行费用增加较大;省煤器后烟温较煤粉炉低,设计310左右为SCR脱硝反应的温度下限,不利于SCR反应器提高脱硝效率;由于催化剂的加入会将SO2氧化为SO3并与逃逸氨反应生成硫酸氨和硫酸氢铵,易造成空预器积灰堵塞和腐蚀且系统阻力增加较大,影响机组运行安全。鉴于以上因素,秦热公司不考虑采用SCR和SNCR+SCR联合脱硝工艺。
SNCR适用于CFB机组,首先其炉膛出口温度一般在850~1000℃区间内,在SNCR工艺高效“温度窗”内;其次燃烧后烟气分四部分分别经过分离器,在分离器内剧烈混合且停留时间超过1.5秒,为SNCR工艺提供了天然的优良反应器;最后由于CFB燃烧技术是一种低NOX燃烧技术,CFB锅炉出口NOx浓度较低,再通过SNCR工艺,可确保出口浓度达到环保要求;此外SNCR工艺投资和运行费用都低于SCR工艺,工业试验和国外运行经验均表明SNCR系统用于CFB锅炉,设计合理可达60%以上脱硝效率,氨逃逸可低于10ppm。
2.3SNCR系统工艺简介
秦热公司的SNCR系统是用尿素作为还原剂喷入旋风分离器内与NOX进行选择性反应,不用催化剂,直接与烟气中的NOX进行反应生成N2和H2O,该方法以旋风分离器作为反应器,CFB锅炉特有的旋风分离器结构,为脱硝反应提供了强烈的混合场所,有助于烟气和喷入的还原剂均匀混合,并提供了足够的反应时间。
作为还原剂的固体尿素,被溶解制备成质量浓度为50%的尿素溶液。尿素溶液经输送泵输送至稀释模块前,与稀释水按一定比例混后,被稀释为适当浓度的尿素溶液,经过计量分配装置的精确计量分配至每个喷枪,最后经喷枪喷入炉膛,进行脱硝反应。
其反应方程式为
NO+CO(NH2)2+1/2O2→2N2+CO2+H2O
SNCR脱硝系统采用模块化设计,主要由尿素溶液储存与制备系统、循环输送模块、稀释模块、计量分配模块、喷射系统、自控系统所组成。
尿素储存及制备系统(两台机组共用一台溶解罐(Φ2200×2700),两台尿素溶液储罐(Φ4500×5500),总容积满足2台炉7天用量。
溶解罐内尿素与冷渣器出口引来的凝结水(0.6~1MPa,40~65℃)通过搅拌混成均匀的50%尿素溶液。50%尿素溶液通过一用一备的耐腐蚀循环泵泵入两台尿素溶液储罐,运行中要保证尿素溶液温度不低于结晶温度。

尿素溶液稀释和计量分配系统
储罐里的尿素溶液用两台高压头耐蚀多级离心泵(一用一备)通过管道输送至稀释装置。由凝泵出口引来的凝结水(~3MPa,40~60℃)减压后将50%尿素溶液稀释至适当浓度。尿素溶液的浓度根据喷入点的流速、烟温、NOx浓度等参数试验确定,在确保高脱硝效率的前提下尽可能的减少喷水量。
稀释比例和喷射量调整由控制系统来完成,溶液在混合器混合均匀后进入流量分配模块。

喷射区计量模块用于精确计量和独立控制去锅炉每个喷射区的反应剂(尿素溶液)流量。该模块采用独立的化学剂流量控制,通过区域控制阀与就地PLC控制器的结合,为复杂的应用情况提供所需的高水平的控制。该模块连接并响应来自机组燃烧控制系统、在线NOX、O2、逃逸氨的控制信号,自动调节反应剂流量,对NOX水平、锅炉负荷、逃逸氨浓度、燃料或燃烧方式的变化做出响应,控制其质量流量。每一个区子模块可相互独立地进行运行和控制。
通过计量分配系统,可以实现流量自动控制。
雾化吹扫风量的调节与控制与喷嘴流量调节控制方式相同。冷却空气的量保证喷嘴的冷却需要即可。

2.4工期进展情况
2012年7月15日开工
2012年7月28日完成5号炉接口工作,随后机组正常运行。
2012年7月29日土建部分开始施工
2012年9月5日安装部分开始施工
2012年10月2日土建主体结构完成
2012年10月25日安装工作基本完成,正式进入分系统调试阶段
2012年11月6日分系统调试工作完成
2012年11月9日正式进入168小时试运
2012年11月16日顺利通过168小时试运,移交建设单位
3.实际运行情况
秦热公司#5炉脱硝系统自投运以来已达半年之久,期间利用#5机组的大修机会对脱硝系统进行了全面的检修、对脱硝系统对锅炉各系统的影响做了全面的检查。
3.1运行参数
由于目前环保排放标准按照小于200mg/Nm3执行,#5炉氮氧化物排放浓度控制在100~150mg/Nm3,氨逃逸率控制在3%以下,尿素日平均用量2.1T。控制储液罐尿素浓度35%、稀释后尿素浓度7~8%、混合器前尿素流量0.25~0.3T/H、凝结水流量0.75T/H左右、每只喷枪流量60~70L/H(满足喷枪最低雾化流量50L/H)。因尿素用量少且氮氧化物值较稳定,现将调节方式由“总流量跟随”改为“总流量设定”。
#5炉脱硝系统12年11月16日通过168试运。前两个月氮氧化物值控制在150mg/Nm3,尿素日平均用量2.08T,两个月后出现多支喷枪流量下降并波动的异常现象,脱硝效率下降较快,检查原因为喷枪堵塞、磨损严重。#5炉大修对脱硝喷枪及浇注料进行了处理和改造,投运后喷枪雾化效果变好,脱硝效率明显增加,5月份平均每天用量2.1T,较停炉前日平均用量3.5T下降了1.4T。详细情况见下表

3.2氨逃逸对空预器的影响
对于煤粉来说,采用选择性催化还原法(SCR)脱硝系统,必须对空预器进行改造,主要是因为逃逸氨对空预器的影响,煤粉炉产生的烟气中SO2、SO3相对较多,而且偳化剂的使用使得SO2更容易转化为SO3,逃逸氨与SO3及H2O反应生成硫酸氢氨或硫酸氨,其在一定温度范围内呈液态,具有很大的粘性,极易吸附堵灰,造成空预差压增大。因此除了要求对空预器进行改造外,一般要求氨逃逸不宜大于2.5mg/m3。
而对于CFB锅炉来说,由于脱硫反应的是在炉内进行的,其烟气中SO2、SO3相对较低,氨逃逸对空预器造成的影响不明显,设计氨逃逸不大于7.5mg/m3,168小时试验期间实测平均值1.02mg/m3,瞬间最大3.78mg/m3。在秦热#5机组大修期间我们对空预器进行了检查,没有发现吸附堵灰现象。
3.3对锅炉效率的影响
由于每小时向分离器内喷入的凝结水用量大约0.75T/H左右,对锅炉效率会产生一定的影响,但影响不是很大,影响效率约0.3%左右。
3.4对烟风系统的影响
对于煤粉炉来说,采用选择性催化还原法(SCR)脱硝系统,由于增加了系统阻力,必需对引风机进行增容改造。而对于CFB锅炉的选择性非催化还原法(SNCR)脱硝系统来说,直接喷入尿素溶液,对系统阻力没有影响,不必进行引风机改造。
4.社会效益
经低NOx燃烧调整后,锅炉原始NOX排放浓度约240mg/Nm3,1台锅炉年排放NOx总量达到约1524.5吨(机组年有效利用5500小时)。SNCR脱硝装置投运后,脱硝效率不低于60%,可控制NOX排放低于96mg/Nm3时,可年减排NOX总量大于919.5吨,这对改善当地的大气环境质量有着重要作用,环境与社会效益显著。
5.结束语
对于CFB机组来说,采用SNCR脱硝系统,系统改造少、结构简单、投资省、综合脱硝效率满足国家环保指标的要求,相对于SCR脱硝系统,投资只相对于1/4~1/5。在SNCR脱硝工艺在秦热公司的成功应用,为国内众多CFB机组提供了脱硝技术改造经验,为中国的环保事业做出了突出贡献。