燃煤机组尿素法脱硝改造工艺优化

介绍了某厂300MW燃煤发电机组烟气脱硝改造工艺优化特点,并与传统工艺方法进行了比较分析,而且该优化方案已在工程实践中成功应用。 1概述 为实现国家“十二五”氮氧化物总量减排目标，满足《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011）的氮氧化物指标要求，燃煤电厂普遍实施了烟气脱硝改造。很多电厂因所处地理位置原因，必须采取尿素法脱硝，而尿素法脱硝工艺相对较复杂。以某电厂尿素法脱硝为例来介绍其工艺优化特点。某电厂的2台300MW机组分别于2012年12月、2014年6月完成脱硝改造，在催化剂层布置、尿素热解热源选择、尿素上料、混合喷氨方式、稀释风设计等方面做了大量优化工作，取得显著成效。在此，根据该厂脱硝改造工程实践，将工艺优化特点总结归纳如下，供同行参考借鉴。 1.1锅炉基本概况 该厂锅炉为某公司供货，采用从美国福斯特˙惠勒能源公司引进的“W”型火焰锅炉技术。锅炉为亚临界压力中间一次再热的自然循环锅炉，双拱形单炉膛，燃烧器布置于下炉膛前后拱上，“W”型火焰燃烧方式，尾部双烟道结构，采用挡板调节再热汽温，固态排渣，全钢结构，全悬吊结构，平衡通风，露天布置。燃用低挥发份无烟煤、贫煤及少量烟煤的混煤。锅炉采用双旋风煤粉浓缩燃烧器，共配有24个双旋风筒分离式煤粉燃烧器，错列布置在锅炉下炉膛的前后拱上，每一燃烧器配有一个单元风，每个单元布置6个二次风道及挡板。 1.2脱硝改造基本概况 本工程采用尿素制备还原剂，选择性催化还原法（SCR）脱硝装置及配套系统改造。在设计煤种，锅炉BMCR工况、处理100%烟气量条件下由乙方提出在入口NOx含量在1000mg/Nm3时，脱硝效率大于80％、出口NOx含量不超过200mg/Nm3的设计方案。SCR部分的催化剂层数按“2＋2”层方案进行设计。当环保排放标准提高时催化剂层可以采用“3+1”的设置满足100mg/Nm3排放要求（即设备不进行改动或扩容，只需增加一层催化剂就可满足100mg/Nm3的排放要求）。 2工艺优化特点 2.1催化剂采用“2+2”模式 2.1.1传统模式简介 传统模式中催化剂层数主要是按“2＋1”模式布置，初装2层预留1层；每套脱硝装置均按在设计工况、处理100%烟气量的条件下，脱硝效率不低于80%进行整体设计，在催化剂化学寿命期内，催化剂在设计工况、处理100%烟气量的条件下每套脱硝装置脱硝效率均不小于80%。 2.1.2优化模式简介 优化模式主要是将催化剂层数按“2＋2”模式布置，初装2层预留2层；每套脱硝装置均按在设计工况、处理100%烟气量的条件下，脱硝效率不低于90%进行整体设计，具体要求为：在催化剂化学寿命期内，布置两层催化剂的条件下每套脱硝装置脱硝效率均不小于80%，布置三层催化剂的条件下每套脱硝装置脱硝效率均不小于90% 2.1.3优化模式优点 （1）运行比较灵活，更具有远见性，按照新的排放标准W火焰锅炉从2014年7月1日起执行200mg/m3排放标准，脱硝改造催化剂层数按照2+2设计，脱硝效率大于80%，可以达标；如果该厂被划为“重点地区”，将要执行“特别排放限值”100mg/m3，只需增加一层催化剂，很容易实现3+1的方式满足100mg/m3排放要求； （2）比传统“2+1”或“3+1”模式节约大量改造费用。 2.2天然气热源的采用 2.2.1传统的尿素热解热源选择 （1）传统的尿素热解热源一般有两种：一种是采用燃油（锅炉点火#0柴油），柴油在热解炉燃烧产生热量加热稀释风达到尿素热解所需温度；另一种是采用电加热，从电厂的厂用电系统引入电源，在电加热器中加热稀释风达到尿素热解所需温度。 （2）存在的不足：实践表明，采用燃油加热方式，目前国内已有投运项目，但一直未能被推广：a)该方式存在较严重的结垢现象；b)且在当前油价水平下，该方案的运行成本也较高。采用电加热方式:a)除需要添置电加热整套设备系统外，由于电负荷较大，一般的厂用电系统还难以承受这么大的负荷，还需要进行厂用电增容，因此，造成初期投资和设备维护费用较燃油方式高得多；b)相关资料表明，适当提高热解炉稀释风的温度，有利于尿素的热解和系统运行，但由于电加热器由于其内部原件的耐温限值，稀释风的温度升高可能受到一定限制；c)在当前电价水平下，也不经济。 2.2.2天然气加热工艺原理 天然气加热工艺流程如下：采用天然气加热装置将来自于电厂热一次风（约300℃）进一步加热到尿素热解室入口所需要的温度。 2.2.2天然气加热方式优点 该厂改造工程实践表明，天然气加热方式相对于燃油加热、电加热方式有如下突出优点： （1）设备系统简单、可靠； （2）初期投资费用非常低； （3）运行稳定，不存在结垢的问题； （4）温度控制方便，调节范围宽，有利于尿素热解反应充分； （5）运行费用比燃油加热、电加热方式都低。 2.3采用涡流型喷氨技术 2.3.1常规方案简介 常规方案主要采用格栅型AIG喷氨技术，大量氨气管交叉伸入烟道，每根管子上装有很多小喷嘴（如1台300MW机组，喷嘴数有数百个），喷嘴下游布置局部混合的静态混合器。伸入烟道内部的每根氨气母管，在烟道外面设有手动调节阀，用于调节烟道截面不同区域的氨浓度分布差异。混合距离短，对喷氨格栅上游烟气条件的变化适应能力低。 2.3.2涡流喷氨技术简介 该技术利用了空气动力学中驻涡的理论。在烟道内部选择适当的直管段，布置几个圆形或其他形状的扰流板，并倾斜一定的角度，在背向烟气流动方向的适当位置安装氨气喷嘴，这样在烟气流动的作用下，就会在扰流板的背面形成涡流区，这个涡流区在空气动力学上称为“驻涡区”，驻涡的特点是涡流区的位置是恒定不变的，也就是说无论烟气流速的大小怎样变化，涡流区的位置基本不变。稀释后的氨气通过管道喷射到驻涡区内，在涡流的强制作用下充分混合，实现混合均匀性，达到催化剂入口混合度均匀性的技术要求。 2.3.3涡流喷氨技术优点 涡流混合器与格栅式混合器比较 目前涡流混合器的使用已经得到了大量工程的验证，实际使用效果非常好，首先气氨喷管口径大(DN200)，喷管耐磨且不会造成堵灰；其次，涡流混合器结构形式简单，扰流板倾斜布置，不会形成局部积灰，运行安全可靠。 2.4不设反应器灰斗 2.4.1常规方案简介 鉴于锅炉低负荷的情况下，在水平段烟道会出现积灰问题。一般的高含尘布置SCR装置，在省煤器已经设有灰斗情况下，还在脱硝反应器入口烟道设置灰斗，来提高大颗粒飞灰的去除效率,有效减少飞灰对催化剂的磨损和阻塞,延长催化剂寿命的可行性。增加灰斗带来的问题：一是系统复杂，还需另配气力除灰系统；二是现场布置难度较大；三是增加改造投资；四是日常运行维护工作量大。 2.4.2优化方案：不设置反应器灰斗 （1）选取合理的设计流速，确定合理的烟道截面尺寸，可以有效防止烟道积灰。 （2）在水平烟道上设置有人孔，在水平烟道少量的积灰情况下，可以利用机组小修期间通过水平烟道上设置的人孔进行清除。 （3）减少脱硝入口水平直段烟道距离，大约4米左右，可以利用省煤器出口灰斗进行除灰。 经上述优化设计，利用从现有的省煤器下部灰斗就能有效降低大颗粒飞灰进入反应器几率，防止催化剂的堵塞。运行实践已证明，本工程不设置反应器灰斗安全科学、合理。 2.5尿素上料方案优化 2.5.1常规上料工艺流程 常规上料工艺流程如下：袋装尿素颗粒用汽车送至尿素溶液配置车间内，卸到储存区域，由人工倒入斗提机卸料口，经斗提机提升至设置在地面上的尿素溶液配置罐上方的尿素筒仓，再经管道进入溶解罐里，用除盐水将固体尿素溶解成50%质量浓度的尿素溶液。 2.5.2改进方案 该改造项目中，直接将尿素溶解罐安装于地下-3m位置，将储存区域的尿素颗粒通过人工卸料倒入尿素溶解罐中；省去了尿素溶液制备过程中的斗式提升机系统、计量仓料斗、储仓振打电机、布袋除尘器、压缩空气系统等设备。 2.5.3改进方案优点 （1）常规尿素上料方案设备系统复杂，设备较多，可靠性低，成本较高，改进后方案，节省了设备安装成本及运行维护成本。 （2）斗提机下料口易将潮气引入尿素仓.尿素存在腐蚀易结晶,斗提机故障率较高，而优化后的方案简单方便、易操作，不存在设备的的维护及故障。 （3）劳动强度小,工作简单,根据目前上料周期，两个尿素溶液存罐配满尿素溶液只需8H，就足够满足机组脱硝7天的用量，一周就只需配制一天，工作量非常小。 2.6稀释风系统优化 2.6.1常规方案 常规方案中一般稀释空气采用离心风机供给，采用加热器加热。每台机组设置2台稀释风机，采用一运一备的运行方式。 2.6.2改进方案 取消专用的两台稀释风机和相关控制系统，利用该厂本台机组空气预热器出口的热一次风（约300℃），直接作为稀释风进入加热器加热后进入热解炉进行尿素热解，满足2个SCR反应器的需求。 2.6.3改进方案的优点 （1）热一次风风量充足，能满足脱硝系统稀释风的需求量，减少了设备系统的投资成本。 （2）脱硝设备系统得到优化，系统更加简单，设备运行可靠性得到极大提高。 （3）专用的稀释风机消耗大量的厂用电，取消稀释风机每年可节约大量的厂用电量。 （4）节省了设备和系统的维修费用。 （5）运行实践表明，采用热一次风继续加热升温，相对于用自然风加热到尿素热解所需温度，所耗燃料成本更经济。 2.7热解室与燃烧室采用分体布置 2.7.1常规方案简介 国内外传统的利用天然气或燃油作为热源的热解室结构如图5，燃烧器位于热解室的顶部，与热解室为一体式结构。 流场模拟及实验表明，当采用天然气或燃油加热空气时，如果热解室与燃烧器一体化设计，会对热解室内顶部的流场造成很大的影响。通过观察流场可以发现，在热解室上部边壁部分存在强烈的回流现象，尿素溶液通过喷嘴喷出后会产生向上部流动的可能。 在该回流区形成了一个封闭的区域，阻止了尿素分解产生的气体组分的扩散，导致氨气在这里聚集不能扩散出来，热解室内上部氨气浓度较高，出口浓度较小。回流虽然增加了尿素溶液在热解室内的分解停留时间，但是也阻止了氨气的扩散，使浓度分布不均。 当锅炉负荷变化时，氨需量随之变化，喷入的尿素溶液量和需求的热量也相应调整，助燃风和稀释风的风量也需要作出相应的变化。当助燃风增大的时候，会抵消回流的负面效应，使热解室出口氨气浓度增大；当助燃风进一步增大的时候，回流作用继续变小，但是尿素溶液在热解室内的分解停留时间变小，出口氨气浓度又开始变小。 因此稀释风和助燃风需要复杂的匹配过程，消除回流对分解和氨气扩散的负面影响，才能使尿素溶液具有足够的分解条件，并使热解室出口的氨气体积浓度保持稳定。 2.7.2热解室与燃烧室采用分体布置简介 热解室和燃烧器完全独立布置，从锅炉热一次风母管上引入一路一次风（300℃）经过燃烧器加热后，再在燃烧器出口用热风管道连接到热解室。 2.7.3分体布置的优点 （1）燃烧器设置点火燃气装置，在燃烧器工作期间一直保持燃烧，使主燃烧器火嘴可以很自由的在各种负荷要求下均能正常工作。 （2）进入热解室的热风流场不受燃气负荷的变化影响，无论助燃风和稀释风量的大小如何变化，不会在热解室内产生任何回流现象，能保证热解室内有稳定的分解反应条件，使尿素热解反应充分，避免了在热解室出口位置有异氰酸的大量生成而发生堵塞。 （3）燃烧器布置在热解室上游的热风管道上，可充分考虑天然气设备设计环境要求（比如：防爆条件等）选择合适的位置安装，不受热解室布置位置的限制。 3小结 3.1该厂属于城市电厂，各项指标达标和设备可靠性、稳定性要求都非常高，脱硝项目改造以来，设备运行可靠，各项指标优良，具有一定的典型性和代表性。 3.2该脱硝项目的优化过程中，该厂技术人员和设计单位一道反复论证并成功实施，效果显著，大多数优化改进属国内首创，并获国家专利授权，这将为今后的脱硝设施优化工作提供参考和借鉴。