专业 | 组合式脱硝超低排放改造中的创新应用

       燃煤烟气是二氧化硫和氮氧化物的最主要来源,对生态环境影响极大。火电厂作为主要的氮氧化物排放源,需要采用有效的脱硝方法减少NOx的排放。

随着“超低排放”在全国范围内的推广,对脱硝技术提出了新的要求。本文结合CFB锅炉超低排放改造实例,对组合式脱硝的创新应用进行了相应研究。

1引言

燃煤锅炉生成的NOx主要由NO、NO₂及微量N₂O组成,其中NO含量超过90%,NO₂约占5~10%,N₂O只有1%左右。

NOx理论上有三条生成途径:

一是燃料型NOx,燃料中的氮化物在煤粉火焰前端被氧化而成,所占NOx比例超过 80~90%;

二是热力型NOx,助燃空气中的N₂在燃烧后期1300℃以上的温度下被氧化而成;

三是瞬态型NOx,由分子氮在火焰前沿的早期阶段生成,所占NOx比例很小。目前,NOx控制技术主要有炉内低氮燃烧技术和炉外烟气脱硝技术两种。

2炉内低氮燃烧技术

由NOx的形成条件可知,对NOx的形成起决定作用的是燃烧区域的温度和过剩空气量。因此,通过控制燃烧区域的温度和空气量,可达到阻止NOx生成及降低其排放的目的。

CFB属于低温燃烧(一般将料层温度控制在850℃-950℃之间),NOx排放浓度一般低于煤粉炉。一般在CFB低温燃烧条件下,温度每降低10℃,NOx的排放量平均减少20mg/m3。因此,降低料床温度是降低CFB氮氧化物排放浓度根本保证。

一般可以通过二次风重新布局 、低氧运行模式、增设烟气再循环和提高循环灰分离效率、给煤方式的改造等方式控制CFB来料床温度,从而达到减少NOx的排放量的目的。

3炉外烟气脱硝技术

炉外烟气脱硝技术主要有以下两种:选择性催化还原(SCR)技术,选择性非催化还原(SNCR)烟气脱硝 。

3.1 选择性催化还原(SCR)技术

SCR技术原理是把还原剂喷入锅炉下游300~400℃的烟道内,在催化剂作用下,将烟气中NOx还原成无害的N₂和H₂O。脱硝效率可以高达95%,是一种成熟的深度烟气氮氧化物后处理技术,无论是新建机组还是在役机组改造,绝大部分煤粉锅炉都可以安装SCR装置。

受制于锅炉烟气参数、飞灰特性及空间布置等因素的影响,根据反应器的布置位置,SCR工艺可分为高灰型、低灰型和尾部型等三种:

高灰型SCR是主流布置,工作环境相对恶劣,催化剂活性惰化较快,但烟气温度合适(300~400℃),经济性最高;

低灰型SCR与尾部型SCR的选择,主要是为了净化催化剂运行的烟气条件或者是受到布置空间的限制,由于需将烟气加热到300℃以上,只适合于特定环境。目前,大部分机组安装了SCR装置,均采用高灰型布置工艺。

高灰型SCR脱硝系统可分为催化剂系统、还原剂系统、吹灰系统、氨喷射系统、SCR反应器系统等。

3.2 选择性非催化还原(SNCR)烟气脱硝

SNCR技术是将氨基还原剂(如氨气、氨水、尿素)溶解稀释到10%以下,利用机械式喷枪将还原剂溶液雾化成液滴喷入炉膛,热解生成气态NH₃(以液氨为还原剂的SNCR系统喷入炉膛的是气相氨,不需热解),在850~1050℃温度区域(通常为锅炉对流换热区)和没有催化剂的条件下,NH₃与NOx进行选择性非催化还原反应,将NOx还原成N₂与H₂O。SNCR工艺比较简洁,也是十分成熟的脱硝技术,相对SCR而言,脱硝效率偏低。但是,由于它的低投资和低运行成本,特别适合小容量锅炉的使用。目前在欧洲和美国的300MW燃煤电站锅炉上已有采用该法运行经验,但市场占有率非常低。

4某电厂脱硝超低排放改造实例

山西某电厂1、2号机组(2×330MW)采用2台循环流化床锅炉。脱硝系统后期建设,采用选择性非催化还原技术(SNCR)工艺,采用尿素为脱硝还原剂,于2013年12月完成投运。该系统脱硝效率≥50%,出口NOx排放浓度≤100 mg/Nm3。目前NOx排放浓度不能满足超低排放小于50mg/ Nm3的要求,因此需要进行超低排放改造。

本方案采用组合脱硝(即低氮燃烧+SNCR+SCR)的方式来降低NOx的排放。首先通过炉内低氮燃烧改造将锅炉出口NOx降至200 mg/Nm3,然后通过优化改造现有SNCR系统,将烟气中NOx进一步降至70 mg/Nm3,最后通过加装SCR系统,达到超低排放烟NOx含量≯40 mg/m3的要求。

第一步,炉内低氮燃烧技术

采用CFB低氮燃烧改造技术降低锅炉燃烧过程中产生的NOx浓度,改造后可将锅炉出口NOx浓度从最初的300mg/Nm3降至200mg/Nm3。

第二步,优化改造SNCR系统

通过更换SNCR喷枪为双流体喷枪,喷嘴采用雾化喷嘴,增加脱硝喷枪灯方法优化改造原有的SNCR系统,将烟气中NOx含量进一步降低至70mg/Nm3,脱硝效率为65%。

第三步,新建SCR系统

新建SCR系统,最终将NOx由70mg/Nm3脱至≯40 mg/Nm3 ,此时SCR脱硝效率为42.86%。

采用组合式脱硝较仅采用SCR脱硝催化剂加装量少,因此可将SCR装置放于锅炉尾部烟道中。由于反应温度及安装空间的限制,SCR催化剂将安装在二级省煤器出口至一级省煤器入口之间烟道,烟气挡板门上下空间各1.8米。节省了空间,降低了成本。

5结论

通过该电厂在 300MW(设计煤种)、240MW、300MW(近期煤种)、165MW 工况下脱硝系统的各项性能试验后,采用组合式脱硝系统,可以通过对SNCRHE SCR的控制,来满足锅炉运行时烟气中NOx含量达标的要求,且能有较低的造价和良好的经济效益。因此,采用组合式脱硝方式在CFB锅炉超低排放改造中可行,且可以进行推广。