蔗渣锅炉脱硝技术及运行分析

甘蔗制糖产业已成为广西最具优势的支柱产业, 广西蔗糖连续多年在中国市场上占45%左右的份额, 产能占全国60%。全区糖厂普遍装有自备电厂, 每个榨季 (约120天) 总发电量约20亿千瓦时。蔗渣发电量已经居全国生物质发电第一, 产生经济效益10亿元。蔗渣锅炉相比燃煤锅炉, 优势在于蔗渣燃烧过程中几乎没有二氧化硫的排放, 但其外排氮氧化物的治理, 已迫在眉睫。据有关统计, 2011年, 全区糖厂锅炉总台数为292台, 这些锅炉运行期间, 均产生氮氧化物。经对15家糖厂的31台蔗渣锅炉进行初步了解, 锅炉烟气氮氧化物排放浓度均在100-350mg/m3之间, 其中有16台锅炉烟气中氮氧化物浓度大于200mg/m3, 约占总台数的52%[1]。

按照《火电厂大气污染物排放标准》 (GB 13223-2011) 的规定, 采用生物质为燃料的发电锅炉参照循环流化床火力发电锅炉的污染物排放控制要求执行。本标准实施之日前, 环境影响评价文件通过审批的新、扩和改建的单台出力大于65t/h的锅炉, 烟气氮氧化物排放浓度要求控制在200mg/m3;本标准实施之日起, 环境影响评价文件通过审批的新、扩和改建的单台出力大于65t/h的锅炉, 其烟气氮氧化物排放浓度要求控制在100mg/m3。广西糖厂单台出力大于65t/h的锅炉近90台, 占总台数的30%。加快糖厂锅炉脱硝设施建设, 对广西氮氧化物减排的工作具有重要意义。

1 锅炉脱硝技术

锅炉氮氧化物控制技术主要分为两大类, 即燃烧中和燃烧后控制技术。其中燃烧中控制技术是根据氮氧化物的形成机理而产生的, 主要是控制燃烧过程中氮氧化物的生成, 即氮氧化物燃烧技术;第二类是对燃烧后烟气中的氮氧化物进行治理, 即烟气脱硝技术[1]。国内外对燃烧方式的改进以控制氮氧化物产生做了大量研究工作, 开发了许多低NOx燃烧技术和设备, 并已在燃煤锅炉和其他窑炉上进行了大量应用。烟气脱硝技术在近十年来, 也取得了突飞猛进的进展, 目前, 燃煤电厂脱硝应用的方法主要是选择性催化还原法 (SCR) 和选择性非催化还原法 (SNCR) 。

1.1 低NOx燃烧技术

影响氮氧化物的形成主要是以下四个方面:一是有机结合在燃料中氮的含量;二是反应区中氧、氮、一氧化氮和烃根的含量;三是燃烧温度的峰值;四是可燃物在火焰峰和反应区中的停留时间。以此, 在实施低NOx燃烧时, 一是通过控制火焰温度峰值或限制在火焰峰和反应区内的氧量, 二是通过一氧化氮的再燃烧来减少氮氧化物的形成[2]。

1.2 烟气脱硝技术

选择性催化还原法 (SCR) , 是通过还原剂氨或尿素, 在金属催化剂作用下, 选择性地与氮氧化物反应生成氮气和水。在SCR脱销工艺中, 影响脱氮氧化物效率的主要因素是反应温度、反应时间、催化剂性能等[3], 其运行成本主要受催化剂寿命的影响。

选择性非催化还原法 (SNCR) , 是把含有NHx基的还原剂, 喷入炉膛温度为800-1000℃的区域, 该还原剂迅速热分解成NH3并与烟气中的氮氧化物进行SNCR反应生成氮气。该方法以炉膛为反应器, 可通过对锅炉进行改造实现[4]。

1.3 蔗渣锅炉脱销技术适应性问题

糖厂蔗渣锅炉与火电厂燃煤锅炉氮氧化物的生成条件等因素相类似。一是氮氧化物90%以上的产生量主要与燃料种类、燃烧温度、停留时间等有关, 而与锅炉类型、工况条件等关系不大。二是糖厂蔗渣锅炉炉膛温度范围在850-960℃之间, 烟气出炉后, 温度很容易控制在250-550℃范围内, 脱硝反应所需的温度条件是完全可以满足要求的。因此, 现行的燃煤锅炉脱硝技术在调整相应技术参数的基础上, 可适用于蔗渣锅炉烟气氮氧化物的治理。

2 某糖厂75吨/小时蔗渣锅炉脱硝技术的应用介绍

结合某糖厂的1台75吨/小时蔗渣锅炉系统实际运行情况, 对蔗渣锅炉系统改造和脱硝效果进行分析探讨。75吨/小时蔗渣锅炉脱硝工程选择了“低NOx燃烧技术+SNCR”工艺, 主要采取以下几点控制措施:

2.1 低NOx燃烧技术改造

2.1.1 对蔗渣锅炉安装“低氮燃烧器”。

2.1.2 对锅炉现有老式喂料器和锅炉炉门进行改造, 采用新型密封式喂料器和密封式炉门;将原有水力冲渣设施改为密封式干式冲渣设施, 从而降低氮含量和氧浓度 (即降低过量空气系数) 。

2.1.3 通过将一部分燃烧后的烟气返回燃烧区循环使用的方式, 降低燃烧温度并控制燃烧区的温度分布, 同时降低炉内的燃烧区温度和氧气浓度, 降低氮氧化物的生成量。

2.1.4 将原有鼓、引风机手动控制改为DCS自动控制, 保证均匀的鼓风和燃料分配。

2.1.5 通过分级配风, 调整整个炉膛区域内空气和燃料的混合状态, 以实现降低氮氧化物产生量。

2.2 SNCR工艺建设

项目SNCR工艺选用尿素作为脱硝还原剂, 系统主要包括:尿素稀释计量系统和分配喷射系统。

2.2.1 稀释计量系统

尿素与稀释水在混合器内混合, 通过控制系统监控炉膛内氮氧化物和氧含量数据, 经过计算后调节尿素与稀释水的流量比例, 精确计量到炉内的尿素浓度, 以确保锅炉的氮氧化物排放浓度达标。

2.2.2 分配喷射系统

还原剂喷嘴布置在锅炉850-1100℃区域内, 尿素通过喷嘴喷出时被充分雾化后以一定的角度喷入炉膛内, 同时配置雾化空气, 保证尿素和烟气混合均匀。

2.2.3 自动控制系统

脱硝采用DCS控制方式, 根据在线监测的氮氧化物浓度及脱硝效率等要求, 对脱硝系统的运行实现自动控制, 并对关键参数进行检测。

2.3 调试运行结果

75吨/小时蔗渣锅炉脱硝系统试运行期间, 2015年2月3日-4日监测结果表明:采用“低氮燃烧+SNCR”工艺脱硝后, 蔗渣锅炉排放烟气的标况风量约为85000m3/h, 氮氧化物浓度为78-93mg/m3, 满足《火电厂大气污染物排放标准》 (GB 13223-2011) 相应标准要求。

3 结语

3.1“低氮燃烧技术+SNCR”工艺脱硝系统的设计必须充分考虑蔗渣锅炉主体设备的结构、接口和基础设施。

3.2 脱硝系统的关键是燃烧系统的温度以及还原剂与烟气中氮氧化物的混合控制。

3.3 脱硝运行成本是业主必须考虑的问题, 控制合理的脱硝成本, 积极争取政府在技术改造、节能减排等方面的专项资金支持, 是推动制糖行业脱硝工程发展和正常运行的有效手段。

摘要：介绍了广西某糖厂蔗渣锅炉脱硝装置的系统设计、调试运行结果, 得出了一系列制糖企业蔗渣锅炉加装脱硝设施建设与运行方面的参考意见。

关键词：蔗渣锅炉,氮氧化物,脱硝。

参考文献

[1] 邓延岗, 廖平德.糖厂蔗渣锅炉烟气脱硝应用探讨[J].广西蔗糖, 2013.73 (4) :41-44.

[2] 宋闯, 王刚, 李涛等.燃煤烟气脱硝技术研究进展[J].环境保护与循环经济, 2010.20 (2) :63-65.

[3] 张向炎, 杨小平.烟气脱硝技术的应用与进展[J].环境监测技术与进展, 2010, 23 (4) :63-66.

[4] 高岩, 栾涛, 彭吉伟等.燃煤电厂真实烟气条件下SCR催化剂脱硝性能[J].化工学报, 2013, 64 (7) :2611-2618.

[5] 屈卫东, 周建强, 杨建华等循环流化床锅炉SNCR脱硝系统优化及应用[J].热力发电, 2014.43 (1) 133-136.