摘要：在燃煤发电厂的生产中，煤的燃烧会产生氮氧化物。例如，1吨煤燃烧可产生5-30公斤氮氧化物，会造成空气污染，亟待改善。在此基础上结合某热电厂，分析了其燃煤锅炉的现状，分析了具体的氮氧化物控制技术，最后分析了脱氮改造方案。
关键词：燃煤电厂；锅炉脱销；改造
引言
结合某燃煤电厂的实际情况，对锅炉的脱氮进行了分析。首先，分析了燃煤电厂锅炉中氮氧化物的产生。然后，分析了氮氧化物的具体控制技术。分析了低氮燃烧技术和可控硅技术。研究了可控硅技术的原理。然后，结合实际情况，提出了单独的可控硅技术方案，以及低氮燃烧和可控硅技术的改造，并使两者结合，可以更有效地抑制氮氧化物，提高锅炉的脱氮效率。
1、燃煤锅炉分析
为了对燃煤锅炉的脱氮进行研究和分析，本文以某电厂为例，分析了燃煤锅炉的基本情况，为燃煤锅炉的脱氮改造提供参考。电厂为2290t/h次临界参数、中间再热、强制循环、单炉、悬浮燃煤锅炉。锅炉燃烧系统采用低氮氧化物燃烧器，设置在上部。燃烧器由16层组成，高13.7米，宽0.9米，展弦比15.2:1。在不同负荷下，本燃煤电厂锅炉使用A煤和B煤时的NOx排放质量比浓度见表1。
表1NOx排放质量浓度
2、电厂锅炉脱硝技术
2.1NOx的产生机理
NOx是锅炉燃烧物燃烧后的主要产物之一，主要包括NO、NO2、N2O等。在整个燃煤锅炉燃烧过程中，产量最多的物质为NO，占排放总量的5%～10%。相关试验研究表明，燃料型所产生的NOx最高。另外，从电厂实际运行角度来说，整个NOx的控制主要包括锅炉内部NOx燃烧以及烟气脱硝两种。此时，工作人员需要控制好锅炉内部的氧气浓度，如果是在低氧状态之下，会出现一些中间产物，如HCN、NH3等，可以有效遏制NOx的产生量。站在烟气脱硝角度来说，可以运用催化剂，调整温度，为烟气脱硝的进行提供有利条件，从而对NOx产物进行合理抑制。
2.2NOx排放控制技术
首先是炉内的低氮燃烧，该项技术实施主要借助NOx燃烧器进行，最终实现有效的空气分级。除此之外，新型直流低NOx燃烧器可以在水平弯头离心应力帮助下实现分离操作。在具体燃烧过程中，各个燃烧器还可以借助有效方式，促使CO、煤粉等物质的充分燃烧，最终实现NOx产生量的有效控制。其次是SCR技术，该技术在烟气脱硝过程中十分常见，可以将整个烟气温度控制在350℃左右，之后结合相关催化剂的应用，让NOx和还原剂发生氧化还原反应，将污染物变成对空气无污染的水和氮气。SCR技术的应用十分理想，除了抑制NOx产生之外，最终的脱硝效果达到95%左右。但在该项技术应用过程中，需要对SCR装置进行合理安装，很容易对下游锅炉设备产生不必要的影响。因此，为了确保工作的稳定开展，人们需要对下游设备进行合理改造，在满足SCR技术应用的同时，确保脱硝工艺效果的有效提升。
2.3NO2控制技术
2.3.1燃烧前的脱硝
在电厂锅炉脱硝改造过程中，除了脱硝作用之外，还要展示出一定的脱硝功效。为了降低煤中的氮含量，人们可以应用物理、化学等手段，将煤中的含氮量降低40%左右。在我国，煤炭的选择以物理方式为主，如介质选煤、浮选煤等。整体来看，煤中的氮元素可以通过物理法实现去除操作，而有机成分则需要通过化学法进行，如果人们想要将燃煤中的氮转化成硝酸盐，可以采用微生物方式，其效果突出。
2.3.2燃烧中的脱硝
在煤炭燃烧过程中，内部的氮可以向废物中实现转移，从而将NO2的排放量降低。另外，粉煤炉还能实现直接喷钙，具体的完成机理如下：人们可以将需要喷施的钙盐放置在炉膛区低温处，整个脱硝率的范围在30%左右，效率并不明显。倘若将尾部活化器加入其中，还能起到增湿效果，这样一来，脱硝率可以达到70%。另外，固氮技术机理主要是在煤的燃烧过程中加入固化剂。在整个燃烧过程中，会产生大量的二氧化氮，如果该气体可以和固氮剂结合，便能生成硝酸盐，这些物质会随着燃烧的进行留在灰渣中，实现稳定脱硝。整体来看，在该种固硫技术应用下，脱硝率将会达到40%。
2.3.3烟气脱硝
整个脱硝反应所生成的物质包含很多种类型，为了便于研究，电厂可以对烟气脱硝进行有效分类，常见的方式有湿法、半干法以及干法。其中，湿法的应用范围最广，而且它可以分成很多种。在该方法使用过程中，锅炉内部气体可以成功通过进口中的挡板，之后进入增压风机，在经过烟气换热器后，再将其吸收到塔内。除此之外，经过脱硝操作后，烟气会进入除雾器中，将其中的一些小液滴去除干净，之后排到大气层。脱硝后，同样会出现很多副产物，这些副产物在经过真空皮带脱水等程序后，逐渐变成脱硝石膏。但是，整个脱硝过程中所使用的设备极容易受到腐蚀。因此，脱硝石膏的合理应用，是整个脱硝操作的重点内容。如果二氧化氮的排放量为1.0t，最终会形成2.7t石膏混合物。由于我国整体的脱硝石膏利用率低于10%，因此在整个电厂锅炉脱硝改造上，脱硝石膏的有效处理成为重点和难点内容。
2.4电厂锅炉脱硝工作中存在的问题
SCR法脱硝和NOx脱硝在整个脱硝工作中具有关键作用，但实际应用过程中会出现一系列问题，从而对脱硝质量和效率产生极大影响。SCR法脱硝很容易出现催化剂失活现象和逃逸问题，而NOx脱硝也会出现以下几点不足之处：首先，该种方式下氨的利用率明显下降，更容易对环境产生污染；其次，如果在工作中出现操作不当等情况，直接导致CO的生成。
3、燃煤电厂锅炉脱硝改造
系统初步设计为“低氮氧化物燃烧器煤粉锅炉”和“选择性催化还原炉后（SCR）”混合工艺方案。在满足实际燃煤和锅炉最大运行工况（BMCR）的条件下，要求改造后的低氮燃烧器中NOx的质量浓度≤540mg/Nm3；SCR系统入口NOx质量浓度设计值应为580mg/Nm3；还原剂采用液氨；烟气中NOx的质量浓度应小于45mg/Nm3，脱氮效率应大于90%。主要改造内容包括：对#1～#7锅炉中#5锅炉实施低氮燃烧改造；在锅炉省煤器出口与空气预热器之间增加 SCR 反应器(共 5 套，每套催化剂按 2+1层配置)，配套建设液氨储存制备供应系统，并对锅炉钢结构实施改造；同时对锅炉燃烧器、除尘器及引风机等进行改造。
3.1低氮燃烧器
新的低氮氧化物燃烧技术着重于影响炉内燃烧的两个关键过程（炉空间过程和煤粉燃烧过程），全面进行系统优化，以达到控制炉渣、燃烧和低氮氧化物一体化的目的。首先，以炉内大空间为对象。通过射流的合理组合和喷嘴的合理布置，形成了高温、高煤粉浓度、高含氧量的炉膛中心区。同时在炉壁附近形成较低的温度、较低的CO和较低的颗粒浓度，使中心区和近壁区的特征在空间尺度上有所不同。在燃烧过程的规模上通过一次风射流、低氮氧化物喷嘴或等离子燃烧器、热烟气回流等技术的特殊组合，采用低 NOx 喷口或等离子体燃烧器，热烟气回流等技术，强化煤粉燃烧、燃尽及 NOx 火焰内还原。最后，形成了一种防渣、防腐、低氮氧化物、高效、稳定燃烧的综合燃烧技术，采用该技术可使NOx排放浓度降低50%～70%，改造后的煤粉锅炉最终NOx浓度可≤45mg/Nm3。
2.2SCR反应器
将温度低于500℃的烟气通过导流板通入带有还原剂及催化剂的垂直反应塔内，烟气中NOx与氨、尿素、碳氢化合物等还原剂在催化层中混合，在催化剂的作用下将NOx还原分解成N2和H2O。主要的化学反应为：
根据#3～#7机组锅炉现场情况，集尘器入口烟道上部空间狭窄，锅炉左侧或右侧设置SCR脱硝反应器。因此，锅炉设备1台SCR烟气脱硝系统，各系统催化剂按2+1层设置，采用高灰SCR布置。对于SCR系统的进出口烟道，采用新的钢结构支撑锅炉钢架，并在两柱之间安装非金属补偿装置进行相对隔离。SCR反应器采用蜂窝式钒钛钨催化剂，在正常条件下催化剂的化学寿命要求超过24000小时，机械寿命要求超过10年。反应器主要性能参数见表2。
表2SCR脱硝系统设计参数
3.3引风机改造
原有引风机已达到额定出力，无富余量。本次新增SCR系统和电除尘改为布袋除尘器后，其烟气系统阻力增加约2.5kPa，原有引风机压头不能满足烟气系统改造后的要求，需对原有引风机进行改造。在保持原有风量(#1～#3锅炉引风机风量197000m3/h，#4～#5锅炉引风机风量260000m3/h，#6～#7锅炉引风机风量280000m3/h不变的情况下，将#1～#5锅炉引风机风压从4.8kPa改至7.2kPa，#6～#7锅炉引风机风压从4.5kPa改至7.0kPa。
3、运行性能分析
通过在SCR反应器进出口增加温度测试点和氮氧化物浓度测试点，研究了不同过量空气系数对锅炉NOx转化率、不同烟气温度对SCR反应器脱硝效率的影响、不同烟气温度对SCR反应器氨逸出率和D的影响，分析了氨氮摩尔比对反硝化效率的影响。结果从图1可以看出，随着空气过剩系数的增加，氮氧化物的转化率逐渐增加。当空气过剩系数为1.4时，最大转化率约为60%。图2表明，随着SCR反应温度的升高，SCR的脱氮效率先升高后降低，在365℃左右，脱氮效率最高图3显示了氨氮摩尔比与氨逃逸率的关系，可以看出，氨逸出率在380℃时较低，约为5×10-6。但随着反应温度的降低，氨逸出量逐渐增加，尤其是当氨氮摩尔比较高时，氨逸出量较大。图4显示了氨氮摩尔比与反硝化效率之间的关系。结果表明，随着氨氮摩尔比的增加，反硝化效率增加，随着反应温度的升高，反硝化效率也增加。通过调试分析，得出当温度控制在360℃时，过量空气系数在0.9～1.0之间，氨氮摩尔比在1.2左右，电厂SCR系统的脱硝效率可达到90%以上。SCR系统脱硝效率可达到烟气出口氮氧化物质量浓度在45mg/Nm3以下，氧含量在6%～8%以下，出口二氧化硫质量浓度在15mg/Nm3以下，烟气出口温度在250～280℃之间，符合排放目标。
图1过量空气系数对锅炉NOx转化率影响
图2烟气温度对脱硝效率的影响
图3不同烟气温度和氨氮比的氨逃逸量
图4不同烟气温度和氨氮比的脱硝效率
结束语
目前燃煤电厂仍然是主要的电力企业，但随着国家环保要求的提高，燃煤电厂锅炉需要安装脱硝装置并进行除盐改造，以控制电厂的氮氧化物排放。为此，对燃煤电厂锅炉的脱硝改造进行了探讨，以提高燃煤电厂锅炉的综合治理脱硝能力，减少燃煤电厂锅炉对大气的污染，促进燃煤电厂的健康发展。
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论文作者:郭俊生
论文发表刊物:《电力设备》2019年第4期
论文发表时间:2019/7/5
标签：锅炉论文; 烟气论文; 电厂论文; 燃煤论文; 氧化物论文; 技术论文; 浓度论文; 《电力设备》2019年第4期论文;