300 MWe循環(huán)流化床鍋爐SNCR系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

杜鵬飛，白　楊，李競岌，劉　青

(1.神華神東電力有限責(zé)任公司 技術(shù)研究院，陜西 西安 710000； 2.清華大學(xué) 熱能工程系，北京 100084)

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300 MWe循環(huán)流化床鍋爐SNCR系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

杜鵬飛1，白楊1，李競岌2，劉青2

(1.神華神東電力有限責(zé)任公司 技術(shù)研究院，陜西 西安 710000； 2.清華大學(xué) 熱能工程系，北京 100084)

摘要：隨著中國最新環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的頒布，一部分循環(huán)流化床鍋爐必須增設(shè)煙氣脫硝設(shè)備以實現(xiàn)氮氧化物(NOx)的達(dá)標(biāo)排放。針對300 MWe等級的大容量循環(huán)流化床(CFB)鍋爐，從安全保障、技術(shù)實現(xiàn)、經(jīng)濟(jì)成本等角度詳細(xì)比較了現(xiàn)有主流脫硝技術(shù)——選擇性催化還原(SCR)和選擇性非催化還原(SNCR)的可用性，并最終選取以尿素溶液作為還原劑的SNCR系統(tǒng)作為推薦方案。通過計算流體動力學(xué)(CFD)模擬方法，探究了不同尿素噴嘴布置方式、鍋爐負(fù)荷等對尿素分布流場、脫硝效率及逃逸率的影響，并建議每部分離器設(shè)置10個噴嘴，且豎向均勻布置于分離器進(jìn)口段內(nèi)外側(cè)，并給出了該SNCR系統(tǒng)的工藝優(yōu)化改進(jìn)建議。

關(guān)鍵詞：SCR；SNCR；CFD；300 MWe循環(huán)流化床

作為目前商業(yè)化最為成功的清潔煤燃燒技術(shù)，CFB鍋爐因其爐膛內(nèi)燃燒溫度較低且還原性氣氛較強(qiáng)，而具有天然的低NOx排放特性[1,2]。但隨著我國最新環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)《GB13223-2011》的頒布實施，現(xiàn)有的大部分CFB機(jī)組均存在一定的脫硝壓力。當(dāng)所燃煤種中的揮發(fā)分和氮含量不太高時，通過適當(dāng)?shù)娜紵{(diào)整，CFB鍋爐的NOx排放可以控制在200 mg/m3以下[3]，所以必須借助一定的煙氣脫硝技術(shù)，才能使其滿足100 mg/m3的最新標(biāo)準(zhǔn)[4]。

SCR和SNCR是當(dāng)前燃煤火電機(jī)組中應(yīng)用廣泛的2種煙氣脫硝技術(shù)[5]?；诩夹g(shù)性和經(jīng)濟(jì)性考慮，這2種技術(shù)方案均具有各自的優(yōu)勢和不足，特別對于300 MWe等級的大容量CFB鍋爐，煙氣脫硝技術(shù)的選擇仍存在一定分歧。

1300 MWe CFB鍋爐的基本參數(shù)

該300 MWe CFB鍋爐為東方鍋爐廠生產(chǎn)的亞臨界CFB鍋爐，鍋爐為單汽包、自然循環(huán)，主要由1個膜式水冷壁爐膛、3臺冷卻式旋風(fēng)分離器和1個由汽冷包墻包覆的尾部豎井組成。該鍋爐的部分設(shè)計與運(yùn)行參數(shù)如表1所示。

表1　300 MWe CFB鍋爐基本參數(shù)

所燃煤種的工業(yè)及元素分析如表2所示。

表2　該300 MWe CFB鍋爐燃用煤種的工業(yè)及元素分析　wt%

在鍋爐的實際運(yùn)行過程中，其NOx的排放濃度與鍋爐負(fù)荷和煤種有關(guān)。通過調(diào)整總風(fēng)量(即排煙氧量)、一二次風(fēng)比率(即二次風(fēng)占總風(fēng)量比率)、爐膛溫度等手段，NOx的排放最量高不超過350 mg/m3(6%O2)，最低為230 mg/m3(6%O2)。因此僅憑借爐內(nèi)燃燒優(yōu)化調(diào)整不足以使其達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，必須要借助一定的煙氣脫硝手段，以完成NOx的深度脫除。

2300 MWe CFB鍋爐煙氣脫硝技術(shù)比較

目前已成熟應(yīng)用的煙氣脫硝技術(shù)分別為使用催化劑的SCR和不使用催化劑的SNCR。一般而言，SCR具有較高的NOx脫除效率，但造價較高；SNCR脫硝效率適中，但價格明顯低廉。

SCR主要由催化反應(yīng)器、還原劑儲存和噴射設(shè)備等組成，通過向催化反應(yīng)器上游煙氣噴射還原劑，使NOx在該反應(yīng)器中被催化還原為無污染的N2。一般而言，液氨或由尿素?zé)峤舛鴣淼陌睔獗蛔鳛镾CR還原劑。氨首先被氣化并稀釋，然后與煙氣預(yù)先充分混合以實現(xiàn)較高的SCR脫硝反應(yīng)效率[6-8]。

對于SNCR技術(shù)，NOx在不需要使用催化劑的條件下，在高溫?zé)煔鈪^(qū)域(850~1100 ℃)被選擇性地還原為N2。CFB鍋爐旋風(fēng)分離器通常被視作一個理想的SNCR反應(yīng)器。由于煤的燃燒在爐膛出口處基本結(jié)束，O2濃度近似保持不變，且煙氣可以在850~950 ℃的范圍內(nèi)維持2~3 s的停留時間，這將有利于SNCR反應(yīng)的充分進(jìn)行。同時，循環(huán)灰為多孔疏松結(jié)構(gòu)且含有Fe、Ni、Al、Ti等金屬化合物，也會對SNCR反應(yīng)起到一定的促進(jìn)作用，即充當(dāng)了SNCR反應(yīng)中天然而無成本的催化劑。而旋風(fēng)分離器內(nèi)氣、固兩相之間的充分混合，也有助于增大氣、固兩相的接觸時間，從而提高SNCR脫硝反應(yīng)效率[9-10]。綜合以上各點(diǎn)，CFB鍋爐中SNCR脫硝效率要明顯高于煤粉鍋爐。

表3　SCR和SNCR煙氣脫硝技術(shù)比較

根據(jù)表3所列出的對于SCR和SNCR的比較分析結(jié)果，并針對該300 MWe CFB鍋爐機(jī)組的實際運(yùn)行條件，推薦選取SNCR技術(shù)作為本脫硝改造工程的優(yōu)選方案。

3300 MWe CFB鍋爐SNCR系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

3.1還原劑選擇

SNCR系統(tǒng)還原劑主要包括液氨、氨水溶液和尿素溶液等。氨作為易揮發(fā)物質(zhì)，對人體危害性很大，因此其存儲和運(yùn)輸受到國家、地方和行業(yè)法規(guī)的嚴(yán)格管控。相比于氨，尿素幾乎無害，但必須被配制為一定質(zhì)量濃度的溶液才能使用。同時，尿素溶液在溶解和輸送過程中需要被加熱，以防止其結(jié)晶沉淀。

在SNCR反應(yīng)中，氨的最佳反應(yīng)溫度區(qū)間，即溫度窗口比尿素低約80 ℃?；诎踩蛩乜紤]，推薦使用尿素溶液最為SNCR的還原劑。

3.2尿素溶液噴射位置的優(yōu)化選取

在SNCR脫硝系統(tǒng)中，尿素噴入點(diǎn)數(shù)量和位置都會影響尿素在反應(yīng)區(qū)域內(nèi)的分布狀況，從而進(jìn)一步影響SNCR反應(yīng)效率。因此，通過借助CFD數(shù)值模擬手段針對計算流體域為CFB鍋爐旋風(fēng)分離器以及一部分附屬尾部煙道進(jìn)行優(yōu)化，如圖1中的a圖所示。在初始計算工況中，只模擬了不含顆粒的純氣相流場，分離器內(nèi)的流場跡線如圖1中的b圖所示。

圖1　旋風(fēng)分離器模型及氣相流場模擬

如圖2所示，分離器內(nèi)的流場呈現(xiàn)強(qiáng)旋流形式，煙氣進(jìn)入分離器后，迅速貼內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)下降，在到達(dá)下錐筒某位置后，反向旋轉(zhuǎn)上升，并從出口逃逸離開。煙氣在旋風(fēng)分離器內(nèi)的平均停留時間超過2 s，這將有利于尿素與NOx在分離器內(nèi)長時間地充分混合。

圖2　10只噴嘴不同進(jìn)口布置方式

為比較不同噴嘴數(shù)量對還原劑濃度分布的影響，分別設(shè)置了6只、8只和10只還原劑噴嘴的布置數(shù)目，每類布置數(shù)目分別有三類布置方式，即進(jìn)口段外側(cè)

布置、進(jìn)口段內(nèi)側(cè)布置以及進(jìn)口段內(nèi)外側(cè)交錯布置，如圖3所示。還原劑類型為尿素溶液，部分CFD模擬計算的設(shè)置條件如表4所示。

表4　SNCR系統(tǒng)CFD模擬計算部分條件

為了解鍋爐負(fù)荷對SNCR脫硝效果的影響，將鍋爐滿負(fù)荷、70%負(fù)荷及半負(fù)荷這3種工況進(jìn)行了對比，研究了其對還原劑濃度分布、SNCR脫硝效率等特性的影響。

布置10個噴槍時，尿素的質(zhì)量濃度分布如圖3所示。

利用FLUENT自帶反應(yīng)模塊對不同還原劑噴嘴布置方式下的SNCR脫硝效率和氨逃逸進(jìn)行模擬計算，所選特征截面為分離器出口。不同噴嘴布置個數(shù)及布置方式下的脫硝效率及氨逃逸模擬結(jié)果如表5所示。

圖3　不同工況下尿素質(zhì)量濃度分布

表5　不同噴嘴個數(shù)對脫硝效率及氨逃逸的影響

從表5可以看出，不同的噴嘴個數(shù)對于脫硝效率和氨逃逸的影響有明顯的差別。

1)增加噴嘴個數(shù)對脫硝效率提升十分顯著，氨逃逸隨著噴嘴個數(shù)的增加而上升。

2)采用外側(cè)布置方式的脫硝效率要明顯低于其他2種布置方式的脫硝效率，這可能是由于還原劑的富集區(qū)域與煙氣NOx的富集區(qū)域重疊性較差而造成的。

3)在不同布置方式下，反應(yīng)進(jìn)行程度越高，脫硝效率越高，氨逃逸量越大。

在外側(cè)布置方式下，當(dāng)鍋爐負(fù)荷為100%、70%降至半負(fù)荷時，脫硝效率分別為35.76%、30.90%及27.28%，氨逃逸濃度分別為3.46、1.56及0.63ppm。內(nèi)側(cè)布置方式下，脫硝效率及氨逃逸的變化情況與外側(cè)布置時的變化類似。

綜合還原劑濃度分布情況、脫硝效率及氨逃逸模擬結(jié)果可以看出，增加還原劑噴嘴個數(shù)，可以使還原劑分布更加均勻，提高SNCR反應(yīng)脫硝效率，且采用噴嘴內(nèi)外側(cè)交錯布置時，脫硝效果最佳。

3.3CFB鍋爐SNCR系統(tǒng)工藝改進(jìn)

整套SNCR脫硝裝置由還原劑卸料溶解與儲存系統(tǒng)、還原劑輸送系統(tǒng)、稀釋水系統(tǒng)、混合分配系統(tǒng)和噴射系統(tǒng)組成。其中影響SNCR脫硝效率和性能的主要環(huán)節(jié)在于還原劑輸送系統(tǒng)、混合分配系統(tǒng)和噴射系統(tǒng)，還包括噴槍性能和噴射位置。

噴射系統(tǒng)主要用來噴射混合液，并由壓縮空氣實現(xiàn)霧化后，與煙氣中NOx發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，脫除煙氣中的NOx。噴射位置選擇在爐膛出口(分離器入口)區(qū)域，每個分離器單側(cè)各安裝若干只噴槍，稀釋混合后的還原劑溶液通過噴射點(diǎn)分布到整個煙道截面。

現(xiàn)在已經(jīng)運(yùn)行的300 MWe循環(huán)流化床SNCR脫硝系統(tǒng)中，還原劑輸送系統(tǒng)普遍采用一臺泵對應(yīng)一臺爐、另一臺泵備用的方式，通過管路設(shè)置的電動調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)還原劑的分配量。該設(shè)計方案具有結(jié)構(gòu)簡單、建造成本低等優(yōu)點(diǎn)，但同時也存在著問題：

1)鍋爐的每臺分離器入口煙氣量和煙氣溫度均不同，通過電動調(diào)節(jié)閥調(diào)整噴槍的噴入量，其控制精度低，且調(diào)整其中一臺分離器的噴入量會對其他分離器的噴入量產(chǎn)生影響。

2)控制動作頻繁復(fù)雜，反饋延時增加。

3)單臺泵流量較大，一般采用離心泵，流量控制精度低。

相對而言，采用每臺分離器配套一臺單獨(dú)的隔膜計量泵，能精確地對每臺分離器尿素噴入量進(jìn)行控制，不但可以實現(xiàn)NOx脫除效率的最大化，而且還能有效控制氨逃逸量，防止氨逃逸過多造成空預(yù)器腐蝕。同時，尿素溶液過量噴入會造成尾部除塵器布袋表面結(jié)晶，對除塵器的濾袋壽命造成影響。

混合、分配系統(tǒng)主要是進(jìn)行還原劑溶液和稀釋水的動態(tài)在線混合，并將混合液送到噴射系統(tǒng)。混合、分配系統(tǒng)包括混合器、分配母管、配套的壓力流量儀表和管道閥門等。建議每個分離器需單獨(dú)配置一套混合、分配系統(tǒng)。

4結(jié)論

1)針對300 MWe等級的大容量CFB鍋爐機(jī)組中現(xiàn)有的SCR和SNCR技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)比較，并且從安全、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)等角度進(jìn)行分析，最終選取了基于尿素的SNCR系統(tǒng)作為推薦方案。

2)通過借助CFD數(shù)值模擬手段，探究了不同尿素噴入位置對尿素在旋風(fēng)分離器內(nèi)部分布的影響，得出了每部分離器設(shè)置10個噴嘴為最佳狀態(tài)，且豎向交錯均勻布置于分離器進(jìn)口段內(nèi)外側(cè)，同時給出了該SNCR系統(tǒng)的工藝優(yōu)化改進(jìn)建議。

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(責(zé)任編輯張凱校對佟金鍇)

The Optimal Design on the SNCR System in a 300 MWe CFB Boiler

DU Peng-fei1,BAI Yang1,LI Jing-ji2,LIU Qing2

(1.Technology Research Institute,Shenhua Energy Group Company Limited,Xi′an 710000,Shanxi Province;

2.Key Laboratory for Thermal Science and Power Engineering of Ministry of Education,Tsinghua University,Beijing 100084)

Abstract：In order to meet the updated emission regulation in China,some CFB boilers have to install the deNOx devices.For the 300MWe CFB boiler,the existing SCR and SNCR technologies are compared and the SNCR technology using urea as reductant is recommended in the view of technical,economic and safety concerns.By employing the CFD method,the different urea distributions inside the cyclone with different layout with different nozzle numbers for each cyclone are calculated and compared.The layout of 10 nozzles both inner and outer walls of cyclone inlet has the optimal performance.At the same time,the modification suggestions on process of urea transport,mixing and injection are provided.

Key words：SCR;SNCR;CFD;300MWe CFB

中圖分類號：TK229.6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-1603(2015)01-0019-06