合成氨自备锅炉选择性非催化还原脱硝系统运行总结

2017-08-20尚卫平宋仁委

氮肥与合成气 2017年7期

尚卫平，宋仁委，周翔，吴培

(河南心连心化肥有限公司，河南新乡 453731)

河南心连心化肥有限公司(以下简称心连心化肥)某合成氨公用工程系统有3台75 t/h中温中压循环流化床锅炉，于2014年4月进行脱硝系统改造，该系统经过2年半时间的运行，脱硝效率稳定，但出现了锅炉初始浓度偏高、系统调节滞后、喷枪易磨损等问题，直接影响了锅炉烟气的达标排放。心连心化肥组织技术人员积极攻关，对出现的问题进行研究并提出了相应的解决措施，保证了系统的稳定运行。

1 脱硝系统简介

在满负荷生产工况下，3台锅炉2开1备，燃料为山西烟煤，锅炉负荷主要根据厂区热负荷的需要在65%～85%调节，锅炉负荷在48～63 t/h，调节幅度较大，锅炉床料温度在860～950 ℃，炉膛出口烟气温度在740～850 ℃。脱硝系统选用选择性非催化还原(SNCR)脱硝工艺，还原剂采用自产氨水，氨质量分数控制在17%左右。氨水通过隔膜式计量泵送至锅炉脱硝氨水计量分配模块平台处，通过喷枪喷入烟气中的NH3与烟气中的NO反应生成了N2和H2O，以达到脱除烟气中NO的目的。

该系统喷枪采用固定式单流体喷枪和固定式双流体喷枪这2种形式。固定式单流体喷枪每台炉4支喷枪分别安装在南北两侧锅炉炉膛出口至旋风分离器入口烟气走廊侧壁上，每侧各2支；固定式双流体喷枪每台炉4支喷枪安装在锅炉标高19.8 m截面前墙水冷壁上。2种喷枪每支喷枪的流量控制在70～120 L/h。

2 脱硝系统运行中出现的问题

2.1 脱硝能力偏低

由于该循环流化床锅炉属密相富氧设计，锅炉流化一次风量偏大，锅炉烟气氧含量在6.5%～8.5%(体积分数，下同)。燃料在密相区燃烧时，初始生成的NOx浓度较高，质量浓度达420～500 mg/m3(标态)；锅炉烟气经过脱硝后，烟气中NOx质量浓度降至180～220 mg/m3(标态)，脱硝效率52%～64%。加大氨水喷入量后，氨逃逸量剧增，易造成省煤器受热面腐蚀；单独依靠SNCR技术烟气NOx质量浓度不能降至100 mg/m3以下(标态)，需采用其他措施以进一步降低NOx质量浓度。脱硝系统工艺参数如表1所示。

表1 脱硝系统工艺参数

2.2 调节反馈滞后

该套脱硝系统采用全自动调节方式。整个调解过程从控制系统监测到NOx浓度出现升高趋势，调节系统给出信号以加大计量泵开度，增加喷枪氨水喷入量，直到检测出NOx浓度出现下降趋势，整个调节过程时间间隔在240 s以上，而调节延迟不利于烟气NOx浓度控制。

2.3 喷枪热变形

为了防止氨水造成腐蚀，喷枪材质为316L，而该材质在800～1 575 ℃下不适宜连续工作。由于脱硝喷枪工作环境较为恶劣，处于锅炉高温区，温度范围在720～900 ℃。因此，喷枪伸入炉墙内部分在高温区内会出现变形而导致喷枪卡涩，或者无法拔出。

2.4 喷枪磨损

脱硝喷枪采用316L材质，耐腐蚀性强，但其材质较软，抗磨性能较差。喷枪安装时不可深入炉膛，否则喷枪容易被飞灰磨损，破坏喷枪的雾化效果，进而影响脱硝效率。

3 问题分析和解决措施

3.1 烟气再循环降低锅炉排放初始浓度

SNCR脱硝效率在30%～70%，对于该脱硝系统来讲，已达到SNCR脱硝的设计能力。未能达到排放标准是因为初始生成的NOx浓度偏高造成的，故可采取适当手段降低初始生成的NOx浓度，在此基础上，加上SNCR脱硝，可实现锅炉烟气达标排放。

锅炉烟气中NOx生成途径主要为：在锅炉燃烧区域高温条件下，进入炉膛的空气中的N2与O2反应生成NO。破坏该化学反应的进行，必将减少NOx的生成量。采用烟气回流循环技术，降低一次风氧含量，从而降低锅炉密相氧含量，以达到减少NOx生成的目的。将锅炉引风机出口烟气抽出部分烟气送至锅炉一次风机进口处，利用引风机的送风压头和一次风机的引风压头，无需增加动力设备，可实现烟气循环回流至一次风内；回流管处加装蝶阀，以控制回流烟气量。

表2 采用烟气循环回流后运行参数

采用烟气循环回流后，锅炉烟气氧含量由6.5%～8.5%降低至4.5%～6.5%，烟气中NOx生成质量浓度由450～500 mg/m3(标态)降至220～350 mg/m3(标态)，效果明显。投用SNCR脱硝后，烟气中NOx质量浓度降至50～80 mg/m3(标态)，实现烟气达标排放。

3.2 分析仪靠前布置，缩短响应时间

该脱硝系统的NOx监测仪器位于锅炉除尘器后、烟气脱硫系统进口前的这段烟气管道上，整套系统依据监测数据进行调节。从烟气采样分析到数据信号上传至DCS操作系统时间间隔为210 s，导致整个调节过程时间过长。经分析，发现该脱硝系统烟气监测仪器位置过于靠后，导致调节延迟。

整改措施：将烟气NOx监测仪器安装在锅炉尾部烟道处，经过调整烟气检测设备安装位置后，数据反馈时间为40 s，大大缩短了调节过程的时间。

3.3 增加套管保护，延长喷枪寿命

316L材质的脱硝喷枪在720～900 ℃的工作区域内耐高温性能较差，可以采用冷介质降温保护的措施来解决此问题。在喷枪外加上套管，套管与喷枪之间通入一次风冷风以降低喷枪的工作温度，可保护喷枪。采用该措施后，喷枪工作区温度下降至400～500 ℃，有效保证了喷枪长时间连续运行。

采用冷风套管冷却喷枪后，运行3个月又出现新的问题：脱硝喷枪外采用310S材质套管保护喷枪，喷枪与套管间以冷风冷却喷枪和套管，冷风来自一次风冷风段；低氮燃烧烟气回流后，由于一次风含有烟气中的SO2和SO3气体，对炉墙外部低温段喷枪造成腐蚀。运行3个月之后，喷枪外表皮已出现较明显的腐蚀；靠近炉内的喷枪头部，由于温度较高，未发生腐蚀。冷却风中含有循环回流的部分烟气，烟气中SO2和SO3气体在喷枪低温段温度低于酸露点，在喷枪外表面产生酸性腐蚀；而喷枪头部靠近锅炉高温烟气，温度远高于酸露点，故未发生酸性腐蚀。将喷枪冷却风由一次风冷风(风温50 ℃左右)改为一次风热风(风温240 ℃左右)，即一次风空预器出口处。采用热风后，冷却风温度高于酸露点，避免发生腐蚀。

由于冷却风温度的提高，可适当提高冷却风量，确保喷枪工作在安全温度范围内(低于800 ℃)。增加冷风保护后，喷枪未出现变形现象。