介紹了某廠300MW燃煤發(fā)電機(jī)組煙氣脫硝改造工藝優(yōu)化特點(diǎn),并與傳統(tǒng)工藝方法進(jìn)行了比較分析,而且該優(yōu)化方案已在工程實(shí)踐中成功應(yīng)用。

1概述

為實(shí)現(xiàn)國家“十二五”氮氧化物總量減排目標(biāo)，滿足《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13223-2011)的氮氧化物指標(biāo)要求，燃煤電廠普遍實(shí)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(duì)較復(fù)雜。以某電廠尿素法脫硝為例來介紹其工藝優(yōu)化特點(diǎn)。某電廠的2臺(tái)300MW機(jī)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?zé)峤鉄嵩催x擇、尿素上料、混合噴氨方式、稀釋風(fēng)設(shè)計(jì)等方面做了大量?jī)?yōu)化工作，取得顯著成效。在此，根據(jù)該廠脫硝改造工程實(shí)踐，將工藝優(yōu)化特點(diǎn)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(jìn)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(fēng)，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(fēng)煤粉濃縮燃燒器，共配有24個(gè)雙旋風(fēng)筒分離式煤粉燃燒器，錯(cuò)列布置在鍋爐下爐膛的前后拱上，每一燃燒器配有一個(gè)單元風(fēng)，每個(gè)單元布置6個(gè)二次風(fēng)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(jì)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(shí)，脫硝效率大于80%、出口NOx含量不超過200mg/Nm3的設(shè)計(jì)方案。SCR部分的催化劑層數(shù)按“2+2”層方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)提高時(shí)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(jìn)行改動(dòng)或擴(kuò)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(diǎn)

2.1催化劑采用“2+2”模式

2.1.1傳統(tǒng)模式簡(jiǎn)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(yù)留1層;每套脫硝裝置均按在設(shè)計(jì)工況、處理100%煙氣量的條件下，脫硝效率不低于80%進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，在催化劑化學(xué)壽命期內(nèi)，催化劑在設(shè)計(jì)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(jiǎn)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(yù)留2層;每套脫硝裝置均按在設(shè)計(jì)工況、處理100%煙氣量的條件下，脫硝效率不低于90%進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，具體要求為：在催化劑化學(xué)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(diǎn)

(1)運(yùn)行比較靈活，更具有遠(yuǎn)見性，按照新的排放標(biāo)準(zhǔn)W火焰鍋爐從2014年7月1日起執(zhí)行200mg/m3排放標(biāo)準(zhǔn)，脫硝改造催化劑層數(shù)按照2+2設(shè)計(jì)，脫硝效率大于80%，可以達(dá)標(biāo);如果該廠被劃為“重點(diǎn)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(shí)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(fèi)用。2.2天然氣熱源的采用

2.2.1傳統(tǒng)的尿素?zé)峤鉄嵩催x擇

(1)傳統(tǒng)的尿素?zé)峤鉄嵩匆话阌袃煞N：一種是采用燃油(鍋爐點(diǎn)火#0柴油)，柴油在熱解爐燃燒產(chǎn)生熱量加熱稀釋風(fēng)達(dá)到尿素?zé)峤馑铚囟?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(fēng)達(dá)到尿素?zé)峤馑铚囟取?/p>

(2)存在的不足：實(shí)踐表明，采用燃油加熱方式，目前國內(nèi)已有投運(yùn)項(xiàng)目，但一直未能被推廣：a)該方式存在較嚴(yán)重的結(jié)垢現(xiàn)象;b)且在當(dāng)前油價(jià)水平下，該方案的運(yùn)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(fù)荷較大，一般的廠用電系統(tǒng)還難以承受這么大的負(fù)荷，還需要進(jìn)行廠用電增容，因此，造成初期投資和設(shè)備維護(hù)費(fèi)用較燃油方式高得多;b)相關(guān)資料表明，適當(dāng)提高熱解爐稀釋風(fēng)的溫度，有利于尿素的熱解和系統(tǒng)運(yùn)行，但由于電加熱器由于其內(nèi)部原件的耐溫限值，稀釋風(fēng)的溫度升高可能受到一定限制;c)在當(dāng)前電價(jià)水平下，也不經(jīng)濟(jì)。

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(fēng)(約300℃)進(jìn)一步加熱到尿素?zé)峤馐胰肟谒枰臏囟取?/p>

2.2.2天然氣加熱方式優(yōu)點(diǎn)

該廠改造工程實(shí)踐表明，天然氣加熱方式相對(duì)于燃油加熱、電加熱方式有如下突出優(yōu)點(diǎn)：

(1)設(shè)備系統(tǒng)簡(jiǎn)單、可靠;

(2)初期投資費(fèi)用非常低;

(3)運(yùn)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?zé)峤夥磻?yīng)充分;

(5)運(yùn)行費(fèi)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(jiǎn)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(tái)300MW機(jī)組，噴嘴數(shù)有數(shù)百個(gè))，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(dòng)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?；旌暇嚯x短，對(duì)噴氨格柵上游煙氣條件的變化適應(yīng)能力低。

2.3.2渦流噴氨技術(shù)簡(jiǎn)介

該技術(shù)利用了空氣動(dòng)力學(xué)中駐渦的理論。在煙道內(nèi)部選擇適當(dāng)?shù)闹惫芏?，布置幾個(gè)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(dòng)方向的適當(dāng)位置安裝氨氣噴嘴，這樣在煙氣流動(dòng)的作用下，就會(huì)在擾流板的背面形成渦流區(qū)，這個(gè)渦流區(qū)在空氣動(dòng)力學(xué)上稱為“駐渦區(qū)”，駐渦的特點(diǎn)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(qiáng)制作用下充分混合，實(shí)現(xiàn)混合均勻性，達(dá)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(diǎn)

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(yàn)證，實(shí)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(huì)造成堵灰;其次，渦流混合器結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，擾流板傾斜布置，不會(huì)形成局部積灰，運(yùn)行安全可靠。2.4不設(shè)反應(yīng)器灰斗

2.4.1常規(guī)方案簡(jiǎn)介

鑒于鍋爐低負(fù)荷的情況下，在水平段煙道會(huì)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(yīng)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(duì)催化劑的磨損和阻塞,延長(zhǎng)催化劑壽命的可行性。增加灰斗帶來的問題：一是系統(tǒng)復(fù)雜，還需另配氣力除灰系統(tǒng);二是現(xiàn)場(chǎng)布置難度較大;三是增加改造投資;四是日常運(yùn)行維護(hù)工作量大。

2.4.2優(yōu)化方案：不設(shè)置反應(yīng)器灰斗

(1)選取合理的設(shè)計(jì)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(jī)組小修期間通過水平煙道上設(shè)置的人孔進(jìn)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(jìn)行除灰。

經(jīng)上述優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(jìn)入反應(yīng)器幾率，防止催化劑的堵塞。運(yùn)行實(shí)踐已證明，本工程不設(shè)置反應(yīng)器灰斗安全科學(xué)、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(chǔ)存區(qū)域，由人工倒入斗提機(jī)卸料口，經(jīng)斗提機(jī)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(jìn)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(jìn)方案

該改造項(xiàng)目中，直接將尿素溶解罐安裝于地下-3m位置，將儲(chǔ)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(jī)系統(tǒng)、計(jì)量倉料斗、儲(chǔ)倉振打電機(jī)、布袋除塵器、壓縮空氣系統(tǒng)等設(shè)備。

2.5.3改進(jìn)方案優(yōu)點(diǎn)

(1)常規(guī)尿素上料方案設(shè)備系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)備較多，可靠性低，成本較高，改進(jìn)后方案，節(jié)省了設(shè)備安裝成本及運(yùn)行維護(hù)成本。

(2)斗提機(jī)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(jī)故障率較高，而優(yōu)化后的方案簡(jiǎn)單方便、易操作，不存在設(shè)備的的維護(hù)及故障。

(3)勞動(dòng)強(qiáng)度小,工作簡(jiǎn)單,根據(jù)目前上料周期，兩個(gè)尿素溶液存罐配滿尿素溶液只需8H，就足夠滿足機(jī)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(fēng)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(fēng)機(jī)供給，采用加熱器加熱。每臺(tái)機(jī)組設(shè)置2臺(tái)稀釋風(fēng)機(jī)，采用一運(yùn)一備的運(yùn)行方式。2.6.2改進(jìn)方案

取消專用的兩臺(tái)稀釋風(fēng)機(jī)和相關(guān)控制系統(tǒng)，利用該廠本臺(tái)機(jī)組空氣預(yù)熱器出口的熱一次風(fēng)(約300℃)，直接作為稀釋風(fēng)進(jìn)入加熱器加熱后進(jìn)入熱解爐進(jìn)行尿素?zé)峤?，滿足2個(gè)SCR反應(yīng)器的需求。

2.6.3改進(jìn)方案的優(yōu)點(diǎn)

(1)熱一次風(fēng)風(fēng)量充足，能滿足脫硝系統(tǒng)稀釋風(fēng)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(jiǎn)單，設(shè)備運(yùn)行可靠性得到極大提高。

(3)專用的稀釋風(fēng)機(jī)消耗大量的廠用電，取消稀釋風(fēng)機(jī)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(fèi)用。

(5)運(yùn)行實(shí)踐表明，采用熱一次風(fēng)繼續(xù)加熱升溫，相對(duì)于用自然風(fēng)加熱到尿素?zé)峤馑铚囟?，所耗燃料成本更?jīng)濟(jì)。

2.7熱解室與燃燒室采用分體布置

2.7.1常規(guī)方案簡(jiǎn)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(chǎng)模擬及實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)采用天然氣或燃油加熱空氣時(shí)，如果熱解室與燃燒器一體化設(shè)計(jì)，會(huì)對(duì)熱解室內(nèi)頂部的流場(chǎng)造成很大的影響。通過觀察流場(chǎng)可以發(fā)現(xiàn)，在熱解室上部邊壁部分存在強(qiáng)烈的回流現(xiàn)象，尿素溶液通過噴嘴噴出后會(huì)產(chǎn)生向上部流動(dòng)的可能。

在該回流區(qū)形成了一個(gè)封閉的區(qū)域，阻止了尿素分解產(chǎn)生的氣體組分的擴(kuò)散，導(dǎo)致氨氣在這里聚集不能擴(kuò)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(shí)間，但是也阻止了氨氣的擴(kuò)散，使?jié)舛确植疾痪?/p>

當(dāng)鍋爐負(fù)荷變化時(shí)，氨需量隨之變化，噴入的尿素溶液量和需求的熱量也相應(yīng)調(diào)整，助燃風(fēng)和稀釋風(fēng)的風(fēng)量也需要作出相應(yīng)的變化。當(dāng)助燃風(fēng)增大的時(shí)候，會(huì)抵消回流的負(fù)面效應(yīng)，使熱解室出口氨氣濃度增大;當(dāng)助燃風(fēng)進(jìn)一步增大的時(shí)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(shí)間變小，出口氨氣濃度又開始變小。

因此稀釋風(fēng)和助燃風(fēng)需要復(fù)雜的匹配過程，消除回流對(duì)分解和氨氣擴(kuò)散的負(fù)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(jiǎn)介

熱解室和燃燒器完全獨(dú)立布置，從鍋爐熱一次風(fēng)母管上引入一路一次風(fēng)(300℃)經(jīng)過燃燒器加熱后，再在燃燒器出口用熱風(fēng)管道連接到熱解室。2.7.3分體布置的優(yōu)點(diǎn)

(1)燃燒器設(shè)置點(diǎn)火燃?xì)庋b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(fù)荷要求下均能正常工作。

(2)進(jìn)入熱解室的熱風(fēng)流場(chǎng)不受燃?xì)庳?fù)荷的變化影響，無論助燃風(fēng)和稀釋風(fēng)量的大小如何變化，不會(huì)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(yīng)條件，使尿素?zé)峤夥磻?yīng)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(fēng)管道上，可充分考慮天然氣設(shè)備設(shè)計(jì)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(xiàng)指標(biāo)達(dá)標(biāo)和設(shè)備可靠性、穩(wěn)定性要求都非常高，脫硝項(xiàng)目改造以來，設(shè)備運(yùn)行可靠，各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)良，具有一定的典型性和代表性。

3.2該脫硝項(xiàng)目的優(yōu)化過程中，該廠技術(shù)人員和設(shè)計(jì)單位一道反復(fù)論證并成功實(shí)施，效果顯著，大多數(shù)優(yōu)化改進(jìn)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。