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      燃煤電站的鍋爐煙氣脫硝改造及運行分析

      以國內某電廠7臺煤粉鍋爐實現超低排放為指標進行燃煤電站煙氣脫硝改造采用低NOx燃燒技術和爐后選擇性催化還原技術相結合的工藝對煤粉鍋爐燃燒方式、SCR脫硝系統、引風機等進行設計改造研究了空氣過量系數、反應器溫度、氨氮摩爾比等對脫硝效率的影響并對改造后系統進行調試。結果表明溫度控制在360℃附近過量空氣系數在0.9~1.0之間氨氮摩爾比為1.2時SCR脫硝效率達到90%以上煙氣出口NOx質量濃度在45mg/Nm3以下,autoplus5-2煙氣分析儀煙氣出口溫度為250~280℃之間符合環保部門的排放指標。

      據中國能源統計年鑒統計2014年全國SO2排放總量為1974萬tNOx排放總量為2078萬t。如果不合理控制NOx的排放隨著國民經濟繼續發展、人口增長和城市化進程的加快未來中國NOx排放量將繼續增長。按照目前的發展趨勢到2030年我國NOx排放量將達到3540萬t勢必造成嚴重的環境影響。隨著大氣污染防治法規的不斷推進《鍋爐大氣污染物排放標準》越來越嚴格大部分省市推出史上最嚴大氣污染物排放標準SO2不超過35mg/m3、NOx不超過50mg/m3、煙塵不超過5mg/m3全國火電機組均在超低排放改造。本文以國內某燃煤電站為實現超低排放并達到污染物排放標準為依據,彈簧試驗機根據電廠實際情況對煤粉鍋爐及相關系統進行優化設計及改造。


      1 鍋爐概況

      該熱電廠共有7臺鍋爐建有3臺(1#~3#)蒸發量為150t/h的中溫中壓煤粉鍋爐、2臺(4#、5#)220t/h和2臺(6#、7#)240t/h的高溫高壓煤粉鍋爐。根據鍋爐蒸發量配套建設有3臺6MW背壓式汽輪發電機組、1臺抽凝式12MW、2臺25MW抽凝式汽輪發電機組和1臺25MW抽背式汽輪發電機組。目前燃煤熱電站/熱電廠7爐7機鍋爐總蒸發量為1370t/h總裝機容量為105MW。7臺鍋爐全部建設了除塵與脫硫設施沒有脫硝設施。鍋爐及配套除塵、脫硫設施及污染物排放情況如表1所示。


      2 改造

      該系統的初步設計是“煤粉鍋爐采用低NOx燃燒器”和“爐后選擇性催化還原法(SCR)”的混合工藝方案。在滿足實際燃用煤種、鍋爐最大工況(BMCR)的條件下要求低氮燃燒器改造后的NOx質量濃度≤540mg/Nm3;SCR系統入口NOx質量濃度設計值為580mg/Nm3還原劑采用液氨煙氣排放NOx質量濃度≤45mg/Nm3脫硝效率≥90%。主要改造內容包括:對1#~7#鍋爐中的5臺鍋爐實施低氮燃燒改造;在鍋爐省煤器出口與空氣預熱器之間增加SCR反應器(共5套每套催化劑按2+1層配置)配套建設液氨儲存制備供應系統并對鍋爐鋼結構實施改造;同時對鍋爐燃燒器、除塵器及引風機等進行改造。

      2.1低氮燃燒器

      新型低NOx燃燒技術以爐內影響燃燒的兩大關鍵過程(爐膛空間過程和煤粉燃燒過程)為重點關注對象全面實施系統優化達到防渣、燃盡、低NOx一體化的目的。首先將爐內大空間整體作為對象通過爐內射流合理組合及噴口合理布置爐膛內中心區形成具有較高溫度、較高煤粉濃度和較高氧氣區域同時爐膛近壁區形成較低溫度、較低CO和較低顆粒濃度的區域使在空間尺度上中心區和近壁區特性差異化。在燃燒過程尺度上通過對一次風射流特殊組合采用低NOx噴口或等離子體燃燒器熱煙氣回流等技術強化煤粉燃燒、燃盡及NOx火焰內還原并使火焰走向可控最終形成防渣、防腐、低NOx及高效穩燃多種功能的一體化燃燒技術。通過采用該技術使NOx的排放濃度降低50%~70%實現煤粉鍋爐改造后最終NOx質量濃度≤45mg/Nm3。

      2.2SCR反應器

      將溫度低于500℃的煙氣通過導流板通入帶有還原劑及催化劑的垂直反應塔內煙氣中NOx與氨、尿素、碳氫化合物等還原劑在催化層中混合在催化劑的作用下將NOx還原分解成N2和H2O。主要的化學反應為:

      根據3#~7#機組鍋爐場地的條件除塵器進口煙道上方空間狹窄SCR脫硝反應器布置在鍋爐左側或右側空地上。因此1臺鍋爐裝置1臺SCR煙氣脫硝系統每套系統催化劑按2+1層設置采用高灰型SCR布置方式。對于SCR系統的入口和出口煙道使用新的鋼結構來支撐鍋爐鋼架在2個立柱之間設置非金屬補償器以進行相對隔離。SCR反應器選用蜂窩式釩鈦鎢催化劑正常工況下催化劑化學壽命要求超過24000h并且機械壽命要求在10年以上。反應器主要性能參數如表2所示。



      2.3引風機改造

      原有引風機已達到額定出力無富余量。本次新增SCR系統和電除塵改為布袋除塵器后其煙氣系統阻力增加約2.5kPa原有引風機壓頭不能滿足煙氣系統改造后的要求需對原有引風機進行改造。在保持原有風量(1#~3#鍋爐引風機風量197000m3/h4#~5#鍋爐引風機風量260000m3/h6#~7#鍋爐引風機風量280000m3/h不變的情況下將1#~5#鍋爐引風機風壓從4.8kPa改至7.2kPa6#~7#鍋爐引風機風壓從4.5kPa改至7.0kPa。


      3 運行性能分析

      本次改造通過在SCR反應器入口處和出口處增添溫度測試點及NOx質量濃度測試點分析了不同過量空氣系數對鍋爐NOx轉化率影響、不同煙氣溫度對SCR反應器脫硝效率的影響、不同煙氣溫度對SCR反應器氨逃逸率的影響和不同氨氮摩爾比對脫硝效率的影響其結果如圖1~圖4所示。





      由圖1可知隨著空氣過量系數的增加NOx轉化率逐漸升高空氣過量系數為1.4時其最高轉化率約為60%。圖2表明隨著SCR反應溫度的增加SCR脫硝效率呈現先增加后降低的趨勢約365℃時脫硝效率最高。圖3給出了氨氮摩爾比和氨逃逸率的關系可以看出溫度為380℃時氨的逃逸量較低約為5×10-6;然而隨著反應溫度的降低氨逃逸呈現逐漸增加的趨勢特別是當氨氮摩爾比的較高時氨逃逸量更多。圖4為氨氮摩爾比與脫硝效率的關系圖可以看出隨著氨氮摩爾比的增加脫硝效率逐漸升高,全自動維氏硬度計隨著反應溫度的增加脫硝效率亦逐漸增加。通過調試分析得出當溫度控制在360℃左右過量空氣系數在0.9~1.0之間氨氮摩爾比為1.2左右時電廠SCR系統的脫硝效率能達到90%以上實現煙氣出口NOx質量濃度在45mg/Nm3以下含氧量在6%~8%出口SO2質量濃度15mg/Nm3以下煙氣出口溫度為250~280℃符合環保部門的排放指標。


      4 經濟效益與環境效益

      本項目鍋爐均為煤粉鍋爐采用低NOx燃燒加SCR聯合脫硝技術使煙氣NOx排放質量濃度<50mg/Nm3將原有電除塵器改造為布袋除塵器使煙塵排放質量濃度<20mg/Nm3。本工程實施后NOx由改造前的10262t/a減少到1109t/a每年可減少NOx排放量9153t。煙塵排放量由改造前的1685t/a減少到222t/a每年減少煙塵排放量1463t。根據規定每一污染當量征收標準為0.6元本辦法中規定NOx的污染當量值為0.95煙塵的污染當量值為2.18。項目實施后每年減少排污費用618.35萬元不僅大大改善了大氣環境帶來良好的環境效益與社會效益也為企業減少了巨額排污費用達到了改造的目的。


      隨著國家對污染物排放標準越來越嚴格燃煤電廠煙氣脫硝改造勢在必行。對于一些老機組設備老化改造難度較大脫硝技術對于不同電廠出現不同問題很難達到理想脫硝效率。研究發現隨著空氣過量系數的增加NOx轉化率逐漸升高。隨著SCR反應溫度的增加SCR脫硝效率呈現先增加后降低的趨勢。溫度為380℃時氨的逃逸量較低約為5×10-6;然而隨著反應溫度的降低氨逃逸呈現逐漸增加的趨勢。隨著氨氮摩爾比的增加脫硝效率逐漸升高隨著反應溫度的增加脫硝效率亦逐漸增加。改造后采用低NOx燃燒加SCR聯合脫硝技術脫硝效率達到90%以上NOx出口質量濃度低于45mg/Nm3符合環保部門的排放指標。

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