热电厂燃煤锅炉低氮燃烧技术试验研究与SCR运行分析

贾龙江

(中国石化胜利油田分公司，山东东营 257000)

0 前言

根据山东省锅炉大气污染物排放标准DB37/2374-2013第2号修改单要求，2018年1月1日起执行氮氧化物低于50 mg/m3标准。为此，近几年，山东省内火电厂燃煤机组均进行了烟气超低排放改造，其中氮氧化物超低排放技术大多采用低氮燃烧+SCR(或SNCR)的方式。

国内某大型石化企业下属热电厂4#锅炉是某公司生产的SG-1025/17.40-M851亚临界自然循环锅炉。锅炉为单炉膛四角切向燃烧，烟气挡板调温，双进双出钢球磨直吹式制粉系统，露天布置，全钢架悬吊结构，平衡通风，固态机械除渣。锅炉空气预热器采用某公司生产的28.5VNT1900型回转式空气预热器。

为了降低NOx排放使之达到超低排放标准，该热电厂对4#锅炉进行了一系列技术改造，具体包括2个方面：一是对燃烧器进行技术改造，采用最新的水平浓淡低氮燃烧器；二是在原有的SCR脱硝系统中增加一层催化剂反应层，增加催化剂反应时间，保证氮氧化物的达标排放。

1 技术调研

该热电厂为确保超低排放改造效果，对国内同类型热电锅炉脱硝系统进行了技术调研，比较了干法选择性催化还原法(SCR)脱硝系统和选择性非催化还原脱硝技术(SNCR)脱硝系统的优劣性，依据厂内实际情况，选取了SCR脱硝系统作为超低排放改造技术运用。

SCR脱硝系统依据总平面布置、管线综合布置、绿化规划等，与厂内的总体设计相协调，并满足以下要求：工艺流程合理，烟道短捷，满足防火、防爆、防毒的要求；与电厂设施、生产与生活、生产与施工之间关系协调；施工方便，有利于维护检修；充分利用了厂内公用设施；节约用地，工程量小，运行费用较低[1]。

2 低氮燃烧技术运用试验研究

为了控制燃烧过程中NOx的生成量所采取的措施原则为：一是降低过量空气系数和氧气浓度，使煤粉在缺氧条件下燃烧；二是降低燃烧温度，防止产生局部高温区；三是缩短烟气在高温区的停留时间等。

某热电厂为了更好地控制煤粉燃烧过程中产生的氮氧化物，对4#炉进行了低氮燃烧技术改造，并进行了低氮燃烧优化试验。

2.1 低氮燃烧改造情况

四层一次风燃烧器中A层燃烧器采用某新一代水平浓淡微油点火燃烧器，D层燃烧器采用新一代水平浓淡燃烧器，加大侧边风、宽度为100 mm，B、C层燃烧器保持原设计。水平浓淡燃烧器喷口周围保持10%喷口面积的周界风，采用合理布置方式推迟周界风向一次风的混入。

二次风喷口采用收缩型结构，主燃烧区域二次风喷口面积根据主燃烧器区二次风量减少程度进行相应缩小。并在主燃烧器区域上方29 m和32 m标高处增设四层16支燃尽风喷口，分布在炉膛四角。

2.2 低氮燃烧优化试验分析

此次低氮燃烧优化试验燃用的是晋中贫煤，通过对2个工况下的锅炉燃烧情况进行测试，分析不同工况下运行方式的可优化性，以便在低氮燃烧技术运用过程中，保证氮氧化物达标排放的同时兼顾锅炉运行的经济性。

试验数据如表1所示。分析表1试验数据可以得出：采用优化燃烧配风的方式运行时，炉膛内下层风量较大，主要目的是“托住”煤粉，并将离开喷燃器的煤粉充分搅拌，主燃烧区风量较小，为的是在高温区域减少氧含量，抑制氮氧化物的产生，在燃尽风区域增大送风量，使得烟气在此处于“低温富氧”的燃尽环境下，起到更好的抑制氮氧化物生成的目的。通过2个工况的试验数据可以看出，优化配风工况SCR入口氮氧化物和飞灰可燃物含量较缩腰配风工况均有所降低，说明优化配风工况的配风方式可以有效控制氮氧化物生成并较好地保证了锅炉燃烧的经济性。

表1 低氮燃烧优化试验数据统计

该热电厂4#炉采用的新一代水平浓淡微油点火燃烧器可以在有效提高锅炉内煤粉燃烧效率的同时，最大程度提升烟气的脱硝效率，经多次燃烧优化试验数据表明，4#炉炉膛区域的脱硝效率为50%左右。低氮燃烧技术要达到如此高的脱硝效率需要运行人员具备较高的锅炉燃烧调整水平，故对人员素质要求较高，而且单靠这种技术已无法满足日益严格的环保法规标准，需与SCR脱硝系统相结合，使之达到超低排放标准。

3 SCR脱硝技术改进措施

由于炉内低氮燃烧技术的局限性，对于燃煤锅炉采用改进燃烧技术可以达到一定的除NOx效果，但脱除率无法使NOx的排放达到令人满意的程度，为了进一步降低NOx的排放，必须对燃烧后的烟气进行脱硝处理[2]。该热电厂4#炉采用干法SCR脱硝技术，并于超低排放改造过程中在原有的SCR脱硝系统中增加一层催化剂反应层，增加烟气催化反应时间。通过一年多来的运行，发现SCR脱硝技术无法较好地完成氨逃逸控制，一些未反应的NH3与烟气中的SO2作用，生成易腐蚀和堵塞设备的硫酸氨((NH4)2SO4)和硫酸氢氨(NH4HSO4)，检维修费用较高。

为解决这一问题，通过总结分析，该热电厂有针对性地制定了一些运行措施，最大程度减少其危害性，具体措施如下。

a)向含SOX的低温烟气中注入氨时，催化剂层会生成硫酸氢铵。它会导致催化剂的微孔结构闭塞，性能下降。这种情况如果在短时间内能回到正常运行的高温区，硫酸氢铵会分解，催化剂性能会恢复。但如果长时间停留在低温区，或短期内频繁地陷入低温区运行，即使再回到高温区，性能也难以恢复，结果会使寿命缩短。因此，该热电厂对SCR脱硝系统可正常使用的最低温度，确定为能保证催化剂性能的320 ℃，绝不允许在320 ℃以下长期连续运行。

b)该热电厂SCR脱硝系统是用压力送风机的出口空气将氨浓度稀释到5%左右，然后注入烟气中。氨气是爆炸性气体，因此空气将氨稀释时，要避免接近爆炸下限(15.7%)，本装置将空气稀释氨浓度设定为5%以内，超过12%时注氨设备将自动停运。烟气内的氨气注入量越多，则扩散效果越好，与烟气的混合效果也越好。当稀释浓度计发出警报(管道中的空气稀释氨浓度达到8%)时，应确认氨的注入量，并迅速检查稀释空气管路的情况，加以处理。

c)排烟含SO2时，设置脱硝装置下游的空预器(GAH)冷端的工作温度范围，是有利于硫酸氢氨的析出的。它与烟中的飞灰粘在一起，粘附在空预器的传热元件上，从而导致空预器压差的升高，所以该热电厂在运行过程中规定运行人员密切监视空气预热器的前后压差。

d)为了避免由于硫酸氢氨聚集引起的催化剂暂时失活，连续运行时入口处温度严格控制，保持高于硫酸氢氨的露点温度。当在露点以下运行时，增加吹灰的频率；并规定在烟气温度低于露点温度的条件下，连续运行的时间必须控制在300 h以内。