鄭文凱，鄧雨生，段倫博

(1.中國石化茂名分公司熱電分部，廣東茂名 525000 2.東南大學，江蘇南京 210096)

0 前言

隨著國家環(huán)保標準的提高，超低排放已經成為熱電企業(yè)的環(huán)保目標[1]。某煉化企業(yè)自備電廠CFB鍋爐所采用的燃料為煙煤和石油焦，石油焦是煉化企業(yè)的副產品，含有高硫分、高熱值、著火點溫度高、難燃燒等特點。CFB鍋爐環(huán)保項目采用的脫硝方法為SNCR，使用的還原劑為尿素，SNCR系統投用后，雖然能使NOX排放量顯著下降，達到低于超低排放標準50 mg/m3要求，但是尿素用量明顯超量，導致企業(yè)脫硝成本增加，且在一定程度上使得氨逃逸量上升[2]，對廢水達標排放造成影響。為了進一步降低企業(yè)脫硝成本，對SNCR工藝進行優(yōu)化提效勢在必行。目前國內對煤焦混燒CFB鍋爐SNCR工藝進行優(yōu)化提效研究甚少。本研究主要通過現場調節(jié)鍋爐運行參數以及通過CFD數值模擬來對鍋爐脫硝系統進行研究，得到一個較佳的運行方案，為同類CFB鍋爐SNCR系統工藝優(yōu)化起到指導和借鑒作用。

1 設備及工藝條件

1.1 鍋爐設計參數條件

CFB鍋爐設計額定蒸汽量410 t/h，過熱蒸汽壓力9.81 MPa，過熱蒸汽溫度540 ℃，總燃料量為53.49 t/h。CFB鍋爐的燃料為煙煤∶石油焦=4∶1，CFB鍋爐入爐燃料低位發(fā)熱量為23.79 MJ/kg，粒徑要求≤10 mm。CFB鍋爐設計還原劑尿素，總氮含量≥46%，年消耗量為1 506 t。

2 數據采集與分析

2.1 測試工況

本次測試對煤焦混燒CFB鍋爐進行了不同負荷下不同氧量的調整，并對石灰石、飛灰再循環(huán)量進行了調整變化，以研究這些因素對NOX生成和脫除的影響。310，360，390 t/h負荷工況下的試驗情況如表1所示。NOx測試儀器采用美國Thermo公司42i型化學發(fā)光NO-NO2-NOX分析儀，NOx的測量范圍為0～150 mg/m3,精度為0.5%。

表1 不同負荷測試工況

其中，對于尿素開關關停試驗而言，人為將尿素噴槍分為3層，其中每臺鍋爐爐膛每側配備6支噴槍，從高度上分，由上至下每相鄰兩支噴槍為1層，共分為3層。

2.2 NOX產生測試結果分析

圖1為310 t/h低負荷下氧含量對NOX產生的影響，當氧含量由3%增加至4%時，吸收塔后NOX含量上升了14 mg/m3。但當氧含量超過一定數值(4%)后，再增加(5%)并不能顯著影響脫硝效果。圖2為390 t/h高負荷下氧含量對NOX產生的影響，發(fā)現當氧含量由3%增加至4%時，NOX含量上升了34.6 mg/m3，上升幅度較大，這也再一次說明無論是在高負荷還是較低負荷下，氧含量都不宜超過3%。因此控制好氧含量有利于減少NOX排放，可以提升脫硝效率，同時也可以在一定程度上減少還原劑用量和風機電耗，降低運行成本[3]。

圖1 310 t/h負荷下氧含量對NOX產生的影響

圖2 390 t/h負荷下氧含量對NOX產生影響

由圖3可以看出在未投入尿素時，石灰石的加入會使得NOX生成量增加，鍋爐內加入石灰石脫硫，需慎重選取石灰石添加量。單純從降低NOX量的角度來說，不投入石灰石最好，但是實際上不投石灰石極易導致SO2排放超標，對濕法脫硫系統帶來很大挑戰(zhàn)，因而綜合考慮，認為石灰石轉速在1.5 r/min左右時較為適宜。圖4為其他兩種負荷下，投入尿素之后所測得吸收塔后NOX濃度隨石灰石量的變化情況，發(fā)現均是出現先升高后降低的趨勢，說明石灰石量的多少不僅會影響NOX的源排放，也會影響脫硝效率，在負荷360 t/h左右時，選用1.5 r/min石灰石較為適宜，而在高負荷390 t/h左右運行時選用較低轉速1 r/min左右。

圖3 360 t/h負荷下石灰石量對NOX產生影響

圖4 其它負荷下石灰石量對NOX產生影響

為了研究不同區(qū)域噴入不同尿素量對脫硝效果的影響，本次測試對CFB鍋爐在360 t/h負荷下對尿素量在20～110 kg/h的范圍內，氨氮比在0.3～1.55進行了變化，由圖5可以看出隨著尿素量的增加，NOX量下降十分顯著，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脫硝成本。對CFB鍋爐脫硝系統進行了后續(xù)的噴槍開關調節(jié)，圖6中尿素噴槍開關1代表噴槍全開的狀況，2表示只開2區(qū)即僅開上半部3對，投入尿素總量不變。關停噴槍過程各工況下對應的總尿素噴入量不變，調整結果發(fā)現關閉下半部分噴槍之后，3種負荷下吸收塔后NOX排放量均上升，其中以360 t/h負荷下尤為明顯，認為關閉下半部區(qū)域噴槍對脫硝過程影響較大，后續(xù)進一步模擬驗證。

圖5 360 t/h負荷下尿素量對NOX產生影響

圖6 不同負荷下關停噴槍對NOX產生影響

2.3 脫硫廢水檢測結果

通過對爐后脫硫廢水的成分進行檢測發(fā)現，化學需氧量(即COD)數據為3 550 mg/L,高于120 mg/L，氨氮含量數據為465 mg/L,大于50 mg/L，超出國家標準允許范圍[5]，脫硫廢水需到凈化水裝置進行后處理達標方可排放。

3 SNCR脫硝數值模擬

通過獲取出口煙氣中O2濃度、NOx濃度及氨逃逸等相關參數，基于CFD建模的方法研究出高效可靠的噴氨優(yōu)化調整策略及方法，圖7為在煤∶焦=4∶1燃料下，320t/h負荷下NOX及還原劑在爐內的分布狀況，可以看到，在尿素噴射點之前，NOX還原反應基本未發(fā)生，說明當前噴射狀況下還原反應主要發(fā)生在爐膛之后的旋風分離器內，再一次印證了旋風分離器是脫硝反應主場所這一說法[6]。

圖7 320 t/h負荷下NOX分布云圖

通過研究尿素和NOX分布云圖就可以較為清楚地觀察到關閉不同區(qū)域噴槍對還原劑與氮氧化物混合效果的影響，為關停噴槍、減少噴槍使用數量提供一定的指導。

每臺旋風分離器前豎直分布了6支噴槍，將這6支噴槍在高度上分為3層，每一層包含2支。序號1為旋分器前噴槍全開的情況，2為關閉上層噴槍，3為關閉中層，4為關閉下層的狀況。圖8為調整投入尿素量之后關停不同區(qū)域噴槍的脫硝效果圖和氨逃逸結果圖，發(fā)現無論是哪一種負荷下，當關閉下層噴槍之后，脫硝效果明顯變差，而關閉最上層噴槍之后，影響不大，認為對于這種爐型而言，上部噴槍可適當關閉，下部位置起到主要作用。同時發(fā)現在當前尿素投入量下，脫硝效率較低，因而可以加大投入量[7]。圖9為改變尿素用量之后的脫硝效果圖和氨逃逸結果圖，在320 t/h負荷下，隨著尿素量的增加，吸收塔后NOX含量下降，但同時氨逃逸也增加，而經過計算，發(fā)現減少尿素用量至90 kg/h之后，NOX含量顯著下降，可較好地滿足要求。建議在各負荷投入尿素量及氨逃逸計算值如表2所示。

4 結論

a)在鍋爐燃料煤∶焦=4∶1摻燒比例下，無論是在高負荷還是較低負荷下，從降低NOx生成量的角度，氧含量都不宜超過3%。

圖8 關停噴槍脫硝狀況和氨逃逸結果

圖9 不同尿素用量脫硝效率和氨逃逸結果

b)石灰石量的多少不僅會影響NOX的源排放，亦會影響脫硝效率，所以適當的石灰石投入量有助于減少NOX排放，建議在煤∶焦=4∶1的摻燒比例下，在常用負荷360 t/h左右時，選用1.5 r/min石灰石添加量。

表2 理論計算結果

c)通過模擬計算，對比關停不同區(qū)域噴槍之后的脫硝效率發(fā)現，當前運行工況下，下半部噴槍起到主要的脫硝作用，可適當減少上半部噴槍、提升下半部噴槍的尿素噴入量來提高CFB鍋爐環(huán)保項目脫硝效率。