某循环流化床锅炉脱硝工程设计

1 某循环流化床锅炉概况

北方某县城440 t/h 循环流化床锅炉，数量为2 台。2 台锅炉均为超高压单炉膛、膜式水冷壁结构。 锅炉为全钢架结构，通风模式采用自然循环、平衡通风，锅炉系统内设置采用离心力分离炉内气体成分的旋风分离器和和干式排渣系统。 两台锅炉的运行参数和初始烟气特征基本一致，详见表1。

表1 锅炉运行参数及初始烟气特征值

该单位两台循化流化床锅炉初始烟气中的氮氧化合物含量为350 mg/m3，不符合国家现行规定的燃煤锅炉氮氧化合物排放标准。 此外， 当地政府对污染物排放量指标也有较高要求，氮氧化合物的含量指标也不符合政府控制要求。 对当地空气质量进行检测发现，氮氧化合物含量处于临界值，偶尔还会出现超过限值的情形。 因此，对该集中供热系统中的循化流化床锅炉进行脱硝工程设计是必须的，也是迫切的。

2 循环流化床锅炉脱硝工艺比选

SNCR 脱硝工艺和SCR 脱硝工艺是锅炉脱硝较为成熟的技术，具体哪种工艺适合该锅炉脱硝工艺，要从技术因素和经济因素两方面进行对比分析，择优选择。SCR 技术的脱硝效率比SNCR 高，但SCR 技术的还原剂要根据锅炉烟气初始温度和初始特征进行判断，而且SCR 技术的催化反应器所占空间较大， 再加上案例项目锅炉初始烟气中氮氧化合物的含量并不算太高，所以SCR 技术并不是适合案例项目中锅炉脱硝的要求。 SCR 技术工艺复杂，催化剂和反应器的价格较高，工艺造价大概400 元/kW。

SNCR 技术中的氨参与了脱硝反应， 但是对温度要求较高，温度过高会产生附加的氮氧化合物，温度过低会影响化学反应效率，最适宜的温度范围为850~1 100 ℃。 而循环流化床锅炉运行过程中，是通过固体分离器来喷入还原剂，可以将还原剂和烟气进行充分混合； 并且锅炉的温度通常设置在800~1 100 ℃，不会产生额外的氮氧化合物。 SNCR 无须反应器的参与，模块设计相对简单，工艺造价大概80 元/kW。

基于此，SNCR 技术更适合本项目75 t/h 小型循环流化床锅炉脱硝工程。 还原剂选择方面重点考虑脱硝效率、脱硝安全性以及经济性。 效率最高的还原剂肯定是液态氨，但是安全性不足，氨水效率和安全性都可以，但是氨水购买和配置存在一定的限制措施，最后考虑尿素作为还原剂[1]。

3 SNCR脱硝系统设计

3.1 还原剂（尿素）各个相关模块设计

3.1.1 尿素溶解模块设计

循化流化床锅炉脱硝第一步是要将固体尿素在溶解罐中溶解成溶液并进行配置工作。溶解模块需要用到的设备主要有溶解罐、搅拌设备、加热器、输送设备以及各类配套控制设备和仪器。溶解罐的设计压力值≤0.049 MPa，固体尿素通过人工破除外包装袋后放入螺旋上料机进行自动上料，并送入溶解罐中进行尿素容易配置。 为更加精确控制加注水量，将加注水系统设定为远程自动控制，只需按动加注水按钮，除盐水便自动加入。 当溶解罐中加注水高度达到2 m 后，触发罐体自动停止加水信号器，立即停止加水，并远程操控搅拌器进行搅拌。

3.1.2 尿素溶液的储存和还原剂的输送模块设计

固体尿素搅拌成液体后需要存储在脱硝系统的一个公用储存系统内，储存系统包含一个标有不同液位的立式储罐、温度和压力显示器以及各类配套管网和操作阀门。 储存系统中的PLC 控制器可以根据立式储存罐中液位指示器和罐体内温度感应器传递的信号来控制尿素溶液存储模块， 当液位计在高位时发送报警信号，PLC 控制器便控制供料设备自动停止；当液位计在地位时发送的报警信号，PLC 控制器便控制供料设备自动启动。 由于尿素溶液在16 ℃以下会析出晶体，为了抑制尿素溶液的晶体析出， 尿素溶液存储系统中安装自动加热设备，保证尿素溶液温度始终处于30 ℃左右。 为了确保尿素溶液存储罐体内的压力处在设计压力范围内， 脱硝系统特意设计一个可根据罐内压力变化自动控制开启或者关闭的呼吸阀，保证了脱硝系统的正常平稳运行，尿素液体存储罐体侧面安装手扶爬梯，便于罐体后续的检查和维修。

脱硝系统中的还原剂输送指的是将还原剂从尿素溶液存储罐输送到计量混合模块，其控制路径是输送泵运行时发出信号到PLC 控制器，PLC 控制系统再综合循化流化床锅炉和锅炉脱硝系统的综合运行情况，来控制输送泵的关闭或者启动。 由于输送泵的重要性，在脱硝系统中采用一用一备的原则来设计输送泵，还原剂的最大输送压力为1.5 MPa。为了确保对泵送压力的动态实时监测，在每个泵上设计安装压力表。

3.2 稀释水模块设计

脱硝系统的稀释水系统主要作业是增加整个脱硝系统的抗冲击能力， 即保证脱硝系统运行工况发生变化时喷嘴处的溶液流量保持不变。 循化流化床锅炉运行过程中氮氧化合物浓度发生变化时， 系统所需要的氨气量也随着氮氧化合物浓度变化而发生变化， 继而导致喷射器中尿素流量也发生变化，当单位时间内喷出的尿素流量较大时，锅炉炉膛内的雾化效果将受到不利影响，影响脱硝效果。 通过电动阀门来控制稀释罐内除盐水的加入， 将稀释水模块的最高水位设定为2.6 m，当高出设定水位高度后自动停止除盐水的加入。 稀释水系统设计包括稀释水箱、稀释泵、操作阀门、输送系统和安全仪表。

3.3 计量混合模块设计

计量混合模块设计的基本原理是在还原剂运输管路和稀释水流动管路上设置性能可靠的流量计和调节阀门来配置其进入混合器中的流量，为其配置浓度匹配的尿素溶液。PLC 控制器在脱硝系统中起到了动态监测的作用，对尿素溶液压力、稀释水压力、 稀释水流量以及混合后管路压力进行动态实时监测。 此外，PLC 控制器还可以灵敏地监测到系统高低压力变化信号，对信号采取预设动作指令。 计量混合模块设计主要是在尿素溶液输送路径上设置电磁流量计来监测其流量大小，并通过电动调节阀来对尿素溶液流动的管路进行控制； 稀释水管上安设涡街流量计，来控制稀释水流动管路。 当氮氧化合物浓度发生变化时， 可以采取调节尿素溶液流量大小和调节稀释水流量大小来调节混合液浓度， 确保脱硝工程各个反应满足预设要求。 此外，为了防止尿素溶液或者稀释水在压力变化下发生回流现象，在管路上需要安设止回阀。

3.4 溶液喷射模块设计

在SNCR 脱硝系统设计中， 尿素溶液的雾化程度在很大程度上决定了锅炉的脱硝效果。 对该循化流化床锅炉各个组成结构进行系统分析后， 按照烟气和还原剂充分混合接触的基本原则，对喷枪位置进行了微调。 喷枪喷出的溶液进入反应区，在适宜温度下形成雾化液珠，雾化液珠加速将尿素分解成氨，提升了氨水和氮氧化合物的反应速率，提升了脱硝效率。为此，脱硝系统中喷射模块的喷枪设计为墙式喷枪，安装示意图，如图1 所示。

图1 墙式喷枪安装示意图

根据脱硝系统温度要求，选择热涂碳化钨作为喷枪材质，喷枪套筒内设计自动通冷风装置，保护喷枪。 喷枪喷射溶液过程中，利用计量混合模块PLC 控制系统，实时动态监测氮氧化合物浓度变化信号、 锅炉负荷变化信号以及锅炉炉膛燃烧情况信号，来动态控制还原剂喷入量，保证脱硝系统运行的安全性和经济性。 此外，为了确保烟道整个截面都在雾化的有效范围内，除了科学合理布设喷射点位外，采用高压高速的喷射策略可以防止喷枪长期喷射作业发生局部堵塞， 提升尿素溶液的喷射质量。

3.5 控制单元模块设计

SNCR 脱硝系统中控制单元的主要功能就是对尿素稀释作业进行实时动态调整， 控制系统做出反应的信号来源主要来自系统温度和GMSE 信息。 当设定的数值与锅炉脱硝系统实际运行过程中的数值存在差异时， 系统会自动发出报警信号。 循化流化床锅炉DCS 控制系统可以显示SNCR 脱硝系统正常运行下的出口处氮氧化合物浓度信号、 喷枪所在位置温度信号、 出口处的氨浓度信号以及锅炉运行过程中的负荷情况等。 SNCR 脱硝系统控制系统可远程操作也可就地操作，除了固体尿素外包装需要人工破除外， 其他环节均为全自动操控模式，控制系统除了可以精确计算尿素溶液的喷加量，还可以对稀释模块进行实时动态控制。

4 结语