CFB锅炉环保项目SNCR工艺优化提效研究

2019-05-31郑文凯邓雨生段伦博

安全、健康和环境 2019年4期

郑文凯，邓雨生，段伦博

(1.中国石化茂名分公司热电分部，广东茂名 525000 2.东南大学，江苏南京 210096)

0 前言

随着国家环保标准的提高，超低排放已经成为热电企业的环保目标[1]。某炼化企业自备电厂CFB锅炉所采用的燃料为烟煤和石油焦，石油焦是炼化企业的副产品，含有高硫分、高热值、着火点温度高、难燃烧等特点。CFB锅炉环保项目采用的脱硝方法为SNCR，使用的还原剂为尿素，SNCR系统投用后，虽然能使NOX排放量显著下降，达到低于超低排放标准50 mg/m3要求，但是尿素用量明显超量，导致企业脱硝成本增加，且在一定程度上使得氨逃逸量上升[2]，对废水达标排放造成影响。为了进一步降低企业脱硝成本，对SNCR工艺进行优化提效势在必行。目前国内对煤焦混烧CFB锅炉SNCR工艺进行优化提效研究甚少。本研究主要通过现场调节锅炉运行参数以及通过CFD数值模拟来对锅炉脱硝系统进行研究，得到一个较佳的运行方案，为同类CFB锅炉SNCR系统工艺优化起到指导和借鉴作用。

1 设备及工艺条件

1.1 锅炉设计参数条件

CFB锅炉设计额定蒸汽量410 t/h，过热蒸汽压力9.81 MPa，过热蒸汽温度540 ℃，总燃料量为53.49 t/h。CFB锅炉的燃料为烟煤∶石油焦=4∶1，CFB锅炉入炉燃料低位发热量为23.79 MJ/kg，粒径要求≤10 mm。CFB锅炉设计还原剂尿素，总氮含量≥46%，年消耗量为1 506 t。

2 数据采集与分析

2.1 测试工况

本次测试对煤焦混烧CFB锅炉进行了不同负荷下不同氧量的调整，并对石灰石、飞灰再循环量进行了调整变化，以研究这些因素对NOX生成和脱除的影响。310，360，390 t/h负荷工况下的试验情况如表1所示。NOx测试仪器采用美国Thermo公司42i型化学发光NO-NO2-NOX分析仪，NOx的测量范围为0～150 mg/m3,精度为0.5%。

表1 不同负荷测试工况

其中，对于尿素开关关停试验而言，人为将尿素喷枪分为3层，其中每台锅炉炉膛每侧配备6支喷枪，从高度上分，由上至下每相邻两支喷枪为1层，共分为3层。

2.2 NOX产生测试结果分析

图1为310 t/h低负荷下氧含量对NOX产生的影响，当氧含量由3%增加至4%时，吸收塔后NOX含量上升了14 mg/m3。但当氧含量超过一定数值(4%)后，再增加(5%)并不能显著影响脱硝效果。图2为390 t/h高负荷下氧含量对NOX产生的影响，发现当氧含量由3%增加至4%时，NOX含量上升了34.6 mg/m3，上升幅度较大，这也再一次说明无论是在高负荷还是较低负荷下，氧含量都不宜超过3%。因此控制好氧含量有利于减少NOX排放，可以提升脱硝效率，同时也可以在一定程度上减少还原剂用量和风机电耗，降低运行成本[3]。

图1 310 t/h负荷下氧含量对NOX产生的影响

图2 390 t/h负荷下氧含量对NOX产生影响

由图3可以看出在未投入尿素时，石灰石的加入会使得NOX生成量增加，锅炉内加入石灰石脱硫，需慎重选取石灰石添加量。单纯从降低NOX量的角度来说，不投入石灰石最好，但是实际上不投石灰石极易导致SO2排放超标，对湿法脱硫系统带来很大挑战，因而综合考虑，认为石灰石转速在1.5 r/min左右时较为适宜。图4为其他两种负荷下，投入尿素之后所测得吸收塔后NOX浓度随石灰石量的变化情况，发现均是出现先升高后降低的趋势，说明石灰石量的多少不仅会影响NOX的源排放，也会影响脱硝效率，在负荷360 t/h左右时，选用1.5 r/min石灰石较为适宜，而在高负荷390 t/h左右运行时选用较低转速1 r/min左右。

图3 360 t/h负荷下石灰石量对NOX产生影响

图4 其它负荷下石灰石量对NOX产生影响

为了研究不同区域喷入不同尿素量对脱硝效果的影响，本次测试对CFB锅炉在360 t/h负荷下对尿素量在20～110 kg/h的范围内，氨氮比在0.3～1.55进行了变化，由图5可以看出随着尿素量的增加，NOX量下降十分显著，但是一方面需要降低NOX排放量[4]，另一方面又要降低氨逃逸的量和脱硝成本。对CFB锅炉脱硝系统进行了后续的喷枪开关调节，图6中尿素喷枪开关1代表喷枪全开的状况，2表示只开2区即仅开上半部3对，投入尿素总量不变。关停喷枪过程各工况下对应的总尿素喷入量不变，调整结果发现关闭下半部分喷枪之后，3种负荷下吸收塔后NOX排放量均上升，其中以360 t/h负荷下尤为明显，认为关闭下半部区域喷枪对脱硝过程影响较大，后续进一步模拟验证。

图5 360 t/h负荷下尿素量对NOX产生影响

图6 不同负荷下关停喷枪对NOX产生影响

2.3 脱硫废水检测结果

通过对炉后脱硫废水的成分进行检测发现，化学需氧量(即COD)数据为3 550 mg/L,高于120 mg/L，氨氮含量数据为465 mg/L,大于50 mg/L，超出国家标准允许范围[5]，脱硫废水需到净化水装置进行后处理达标方可排放。

3 SNCR脱硝数值模拟

通过获取出口烟气中O2浓度、NOx浓度及氨逃逸等相关参数，基于CFD建模的方法研究出高效可靠的喷氨优化调整策略及方法，图7为在煤∶焦=4∶1燃料下，320t/h负荷下NOX及还原剂在炉内的分布状况，可以看到，在尿素喷射点之前，NOX还原反应基本未发生，说明当前喷射状况下还原反应主要发生在炉膛之后的旋风分离器内，再一次印证了旋风分离器是脱硝反应主场所这一说法[6]。

图7 320 t/h负荷下NOX分布云图

通过研究尿素和NOX分布云图就可以较为清楚地观察到关闭不同区域喷枪对还原剂与氮氧化物混合效果的影响，为关停喷枪、减少喷枪使用数量提供一定的指导。

每台旋风分离器前竖直分布了6支喷枪，将这6支喷枪在高度上分为3层，每一层包含2支。序号1为旋分器前喷枪全开的情况，2为关闭上层喷枪，3为关闭中层，4为关闭下层的状况。图8为调整投入尿素量之后关停不同区域喷枪的脱硝效果图和氨逃逸结果图，发现无论是哪一种负荷下，当关闭下层喷枪之后，脱硝效果明显变差，而关闭最上层喷枪之后，影响不大，认为对于这种炉型而言，上部喷枪可适当关闭，下部位置起到主要作用。同时发现在当前尿素投入量下，脱硝效率较低，因而可以加大投入量[7]。图9为改变尿素用量之后的脱硝效果图和氨逃逸结果图，在320 t/h负荷下，随着尿素量的增加，吸收塔后NOX含量下降，但同时氨逃逸也增加，而经过计算，发现减少尿素用量至90 kg/h之后，NOX含量显著下降，可较好地满足要求。建议在各负荷投入尿素量及氨逃逸计算值如表2所示。