響應(yīng)國家環(huán)保政策要求，華能白山煤矸石發(fā)電有限公司新建2×330MW循環(huán)流換床鍋爐采用SNCR技術(shù)完成脫銷系統(tǒng)的安裝、調(diào)試及投入運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)DCS集中控制，脫銷綜合效率達(dá)到90%以上，是一個(gè)非常成功的環(huán)保設(shè)施應(yīng)用案例。
1.前言
華能白山煤矸石發(fā)電有限公司2×330MW新建CFB鍋爐脫硝改造工程采用選擇性非催化還原煙氣脫硝技術(shù)，深度響應(yīng)國家環(huán)保政策，以節(jié)能減排、高效環(huán)保立項(xiàng)，并致力于創(chuàng)建環(huán)保示范電站為目標(biāo)。本文以該項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用為背景，對(duì)選擇性非催化還原(SNCR)技術(shù)實(shí)踐進(jìn)行淺顯論述。
2.正文
2.1 SNCR技術(shù)的選擇
CFB鍋爐燃燒本身既是一種低NOX燃燒技術(shù)，自身脫硝效率可達(dá)40%～60%，導(dǎo)致CFB鍋爐出口NOX濃度較低，燃燒優(yōu)化后能進(jìn)一步降低NOX排放濃度，再通過SNCR工藝，綜合脫硝效率可達(dá)到90%左右，CFB+燃燒優(yōu)化+SNCR，投資成本經(jīng)濟(jì)合理，脫硝效率滿足國家法規(guī)要求，工藝成熟，安全可靠。
SNCR還原技術(shù)是用尿素作為還原劑噴入爐內(nèi)與NOX進(jìn)行選擇性反應(yīng)，不用催化劑。還原劑噴入爐膛溫度為850～1150℃的區(qū)域，還原劑(尿素)迅速熱分解成并與煙氣中的NOX進(jìn)行反應(yīng)生成N2 、CO2和H2O，該方法是以爐膛上部分離器及尾部煙道為反應(yīng)器。
尿素還原NOX的主要反應(yīng)為：
NO+CO(NH2)2 +1/2O2→2N2+CO2+H2O
還原劑的反應(yīng)高效溫度范圍稱為溫度窗。最佳溫度區(qū)一般為 850～1100℃。而CFB鍋爐特有的結(jié)構(gòu)，有助于煙氣和噴入還原劑的均勻混合，這主要是旋風(fēng)分離器的強(qiáng)烈混合作用。循環(huán)流化床鍋爐屬于低溫燃燒，其爐膛出口溫度一般在850～1000℃區(qū)間內(nèi)，在SNCR工藝高效“溫度窗”內(nèi);燃燒后的煙氣經(jīng)過分離器，在分離器內(nèi)劇烈混合且停留時(shí)間超過1.5秒，為SNCR工藝提供了天然的優(yōu)良反應(yīng)器。
2.2 以SNCR技術(shù)完成脫硝工藝實(shí)施
SNCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，主要由尿素溶液儲(chǔ)存與制備系統(tǒng)、稀釋和計(jì)量分配單元、噴射系統(tǒng)、自控系統(tǒng)所組成。
作為還原劑的固體尿素，被溶解制備成質(zhì)量濃度為 50%的尿素溶液。尿素溶液經(jīng)輸送泵輸送至稀釋模塊前，與稀釋水按一定比例混合后，被稀釋為合適濃度的尿素溶液，在噴入爐膛之前，再經(jīng)過計(jì)量分配裝置的精確計(jì)量分配至每個(gè)噴槍，最后經(jīng)噴槍噴入爐膛，進(jìn)行脫硝反應(yīng)。
脫硝工藝系統(tǒng)示意圖
2.2.1 尿素的儲(chǔ)存、制備系統(tǒng)
尿素用汽車袋裝運(yùn)輸或罐車運(yùn)輸至廠區(qū)。通過卸料泵或提升機(jī)送至料倉，料倉的尿素原料給入溶解罐，溶解罐內(nèi)尿素與系統(tǒng)凝結(jié)水通過攪拌混合成均勻的50%尿素溶液。
50%尿素溶液通過一用一備的耐腐蝕循環(huán)泵泵入兩臺(tái)尿素溶液儲(chǔ)罐。運(yùn)行中要保證尿素溶液溫度不低于結(jié)晶溫度(50%尿素溶液結(jié)晶溫度為16.7℃，尿素溶解是吸熱反應(yīng)，50%尿素溶液配置會(huì)導(dǎo)致溶液溫度約下降57.8℃，如水溫控制不當(dāng)會(huì)有大量尿素結(jié)晶沉淀析出)，適量加熱可以避免尿素溶液過飽和。
2.2.2 稀釋和計(jì)量分配系統(tǒng)
儲(chǔ)罐里的尿素溶液用高壓頭耐蝕多級(jí)離心泵通過管道輸送至爐膛頂部稀釋裝置旁。在泵出口布置有緩沖器以保護(hù)離心泵并使系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。再用由凝泵出口引來的凝結(jié)水減壓后將高濃度尿素溶液稀釋至適當(dāng)濃度。尿素溶液的濃度根據(jù)噴入點(diǎn)的流速、煙溫、NOX濃度等參數(shù)試驗(yàn)確定，在確保高脫硝效率的前提下盡可能的減少噴水量。
稀釋比例和噴射量調(diào)整由控制系統(tǒng)來完成，溶液在混合器混合均勻后進(jìn)入流量分配模塊。
噴射區(qū)計(jì)量模塊用于精確計(jì)量和獨(dú)立控制到鍋爐每個(gè)噴射區(qū)的反應(yīng)劑(尿素溶液)流量。該模塊采用獨(dú)立的化學(xué)劑流量控制，通過區(qū)域控制閥與控制器的結(jié)合，為復(fù)雜的應(yīng)用情況提供所需的高水平的控制。該模塊連接并響應(yīng)來自機(jī)組燃燒控制系統(tǒng)、在線NOX、O2、逃逸氨的控制信號(hào)，自動(dòng)調(diào)節(jié)反應(yīng)劑流量，對(duì)NOX水平、鍋爐負(fù)荷、逃逸氨濃度、燃料或燃燒方式的變化做出響應(yīng)，打開或關(guān)閉噴射區(qū)或控制其質(zhì)量流量。每一個(gè)區(qū)子模塊可相互獨(dú)立地進(jìn)行運(yùn)行和控制，該特性允許隔離每個(gè)子模塊進(jìn)行維修且不會(huì)嚴(yán)重影響工藝性能或總體的NOX還原效果。
通過計(jì)量分配系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)流量自動(dòng)控制。系統(tǒng)啟動(dòng)前現(xiàn)根據(jù)CFD模擬數(shù)據(jù)預(yù)設(shè)每個(gè)噴嘴流量(開關(guān)調(diào)門)，投運(yùn)后在現(xiàn)場根據(jù)測試結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整，系統(tǒng)投運(yùn)后用調(diào)試數(shù)據(jù)修正自控參數(shù)以確保高效脫硝和低氨逃逸量。
霧化吹掃風(fēng)量的調(diào)節(jié)與控制與噴嘴流量調(diào)節(jié)控制方式相同。冷卻空氣的量保證噴嘴的冷卻需要即可。
2.2.3噴射系統(tǒng)
每個(gè)噴射器有三個(gè)進(jìn)口，分別為尿素溶液、霧化吹掃風(fēng)、夾套冷卻風(fēng)。
根據(jù)鍋爐現(xiàn)場條件，噴射器的布置分為四個(gè)區(qū)域，每臺(tái)旋風(fēng)分離器前水平入口煙道為一獨(dú)立區(qū)域。每個(gè)區(qū)域噴射器交叉布置在入口水平煙道兩側(cè)。分離器前噴入的還原劑在分離器內(nèi)劇烈攪動(dòng)后均勻混合;因煙氣在分離器停留時(shí)間在1.5S以上，確保了反應(yīng)時(shí)間;經(jīng)優(yōu)化調(diào)整后噴嘴處至尾部煙道煙溫可長時(shí)間穩(wěn)定在860～950℃，可以確保SNCR反應(yīng)發(fā)生在較適宜反應(yīng)溫度窗內(nèi)。
2.3 脫硝系統(tǒng)控制功能
2.3.1 尿素溶解控制
溶解罐調(diào)節(jié)控制回路調(diào)節(jié)凝結(jié)水系統(tǒng)來的工藝水量，維持適當(dāng)?shù)囊何灰匀芙饽蛩?通過控制回路啟停加熱蒸汽，保證尿素溶解，啟動(dòng)前水溫介于70～80℃間，水溫合適后自動(dòng)開啟攪拌，制備合格的尿素溶液輸送至儲(chǔ)存罐。
2.3.2 計(jì)量、分配模塊
噴射區(qū)計(jì)量模塊是一級(jí)模塊，用于精確計(jì)量和獨(dú)立控制到鍋爐內(nèi)每個(gè)噴射區(qū)的反應(yīng)劑濃度。該模塊采用獨(dú)立的還原劑流量控制，通過區(qū)域壓力控制閥與就地控制器的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)靈活穩(wěn)定的劑量控制。
計(jì)量模塊設(shè)計(jì)4個(gè)獨(dú)立的子模塊，每個(gè)子模塊控制6個(gè)噴射器。
2.3.3 空氣控制和吹掃
控制調(diào)節(jié)壓縮空氣系統(tǒng)壓力，維持適當(dāng)?shù)撵F化空氣壓力，通過壓力控制閥維持每組分配模塊的調(diào)節(jié)設(shè)備的空氣壓力，當(dāng)噴射系統(tǒng)還原劑供應(yīng)故障發(fā)生后，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)壓縮空氣吹掃和冷卻。
2.3.4 DCS主控單元集中控制
脫硝系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)由DCS來實(shí)現(xiàn)，主要采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)為鍋爐出口煙氣NOX含量、稀釋用耗水量、尿素溶解流量、輸送泵入口、出口壓力、壓縮空氣壓力、噴射區(qū)尿素溶液流量等。控制設(shè)備包括尿素溶液變頻輸送泵，尿素溶液輸送壓力調(diào)節(jié)閥、稀釋水壓力調(diào)節(jié)閥、分離器配槍流量調(diào)閥。
脫硝系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)的主要任務(wù)：
1、調(diào)節(jié)分離器噴入的還原劑量，保證鍋爐煙氣中NOX值滿足設(shè)計(jì)及環(huán)保指標(biāo)的要求。
2、實(shí)現(xiàn)制備、稀釋、計(jì)量分配及噴射過程的自動(dòng)控制，減輕值班員的勞動(dòng)強(qiáng)度。
脫硝系統(tǒng)自動(dòng)控制主要由兩部分組成，即溶劑制備自動(dòng)控制部分和噴射自動(dòng)控制部分。
兩部分并不相互獨(dú)立，通過值班員設(shè)定煙氣NOX定值，與實(shí)測的鍋爐出口的排放值的偏差送至PID調(diào)節(jié)單元，實(shí)現(xiàn)偏差調(diào)節(jié)，在通過動(dòng)態(tài)試驗(yàn)確定的溶液和稀釋水的匹配函數(shù)關(guān)系式實(shí)現(xiàn)進(jìn)入鍋爐前尿素溶劑總量控制。
噴射自動(dòng)控制單元接受總?cè)軇┝坎⑦M(jìn)行分配，分離器反應(yīng)區(qū)按比例進(jìn)行匹配，匹配原則是根據(jù)反應(yīng)區(qū)溫度場情況由值班員進(jìn)行設(shè)定，力求最佳反應(yīng)效果，分離器調(diào)節(jié)按分配的溶劑量為定值進(jìn)行控制，通過實(shí)測的噴槍流量實(shí)現(xiàn)內(nèi)閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一協(xié)調(diào)的脫硝自動(dòng)控制調(diào)節(jié)。
通過系統(tǒng)邏輯編程、調(diào)試，實(shí)現(xiàn)所有控制區(qū)的設(shè)備集中控制，在DCS操作界面監(jiān)視SNCR系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，遠(yuǎn)程控制循環(huán)模塊、計(jì)量模塊、各噴射區(qū)域流量分配及顯示重要的報(bào)警和聯(lián)動(dòng)條件，并與鍋爐運(yùn)行狀態(tài)協(xié)調(diào)動(dòng)作，保證了系統(tǒng)投入的及時(shí)性?？刂栖浖梢员O(jiān)視和存貯SNCR系統(tǒng)的運(yùn)行和數(shù)據(jù)作出的響應(yīng)，并這些數(shù)據(jù)貯存起來以備將來分析，經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)試及對(duì)各不同工況數(shù)據(jù)的整理，對(duì)相關(guān)控制參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，即可實(shí)現(xiàn)全過程的自動(dòng)協(xié)調(diào)控制，完全滿足了環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)要求。
3.SNCR技術(shù)應(yīng)用體會(huì)
針對(duì)CFB鍋爐的特點(diǎn)，通過燃燒優(yōu)化取得一定的效果，充分應(yīng)用SNCR技術(shù)，進(jìn)行的脫硝工程建設(shè)，NOx排放濃度可穩(wěn)定保持在95mg/Nm3以內(nèi)，脫硝效率可達(dá)到環(huán)保要求，本項(xiàng)目的實(shí)施，是國內(nèi)同類型機(jī)組脫硝改造工程的首例，其投資運(yùn)行成本低，占地面積少，建設(shè)工期短，是目前較適合我國國情的脫硝技術(shù)的最佳選擇。
