大容量燃煤鍋爐低氮燃燒與脫硝系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行淺析

摘要：采用爐內(nèi)低氮燃燒和煙氣脫硝是降低燃煤鍋爐煙氣中氮氧化物的主要手段。低氮燃燒的空氣分級(jí)技術(shù)在降低氮氧化物的同時(shí)對(duì)鍋爐效率有不利的影響，采用電科院鍋爐性能測(cè)試試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)采用低氮燃燒技術(shù)降低氮氧化物供電煤耗的成本增加和采用脫硝技術(shù)降低氮氧化物還原劑成本的增加對(duì)比分析，總結(jié)出低氮燃燒和脫硝系統(tǒng)相互配合優(yōu)化運(yùn)行的基本方法。在保證燃煤鍋爐達(dá)標(biāo)排放的同時(shí)，最大化的實(shí)現(xiàn)了鍋爐的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：環(huán)保排放;氮氧化物;低氮燃燒;燃盡風(fēng);SCR脫硝;液氨;優(yōu)化運(yùn)行

0.引言

我國(guó)當(dāng)前的大氣環(huán)境形勢(shì)依然嚴(yán)峻，區(qū)域性大氣污染問(wèn)題突出，直接影響經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和人民群眾身體健康。2010年我國(guó)二氧化硫、氮氧化物排放總量位居世界第一位，重點(diǎn)區(qū)域城市的二氧化硫、可吸入顆粒物年均濃度是歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的2至4倍。“十二五”期間是我國(guó)全面建設(shè)小康社會(huì)的關(guān)鍵時(shí)期、工業(yè)化、城鎮(zhèn)化將繼續(xù)快速發(fā)展，為了切實(shí)改善定期環(huán)境質(zhì)量，降低大氣中氮氧化物的排放，國(guó)家規(guī)定加快燃煤機(jī)組低氮燃燒技術(shù)改造及脫硝設(shè)施建設(shè)、單機(jī)容量20萬(wàn)千瓦及以上、投運(yùn)年限20年內(nèi)的現(xiàn)役燃煤機(jī)組全部配套脫硝設(shè)施。

隨著國(guó)家環(huán)保部門對(duì)電力污染治理要求的不斷提高，結(jié)合中國(guó)大唐集團(tuán)公司節(jié)能減排工作的總體部署，天津大唐國(guó)際盤山發(fā)電有限責(zé)任公司2013年在3號(hào)機(jī)組大修時(shí)，進(jìn)行了鍋爐低氮燃燒系統(tǒng)改造和脫硝改造。

1.設(shè)備及項(xiàng)目簡(jiǎn)介

天津大唐國(guó)際盤山發(fā)電有限責(zé)任公司2*600MW火電機(jī)組是我國(guó)華北地區(qū)建設(shè)投產(chǎn)最早的600MW亞臨界火電機(jī)組，是京津唐電網(wǎng)的主力機(jī)組。被國(guó)家計(jì)委列為1996年利用國(guó)家外匯儲(chǔ)備購(gòu)買國(guó)產(chǎn)發(fā)電設(shè)備發(fā)展民族工業(yè)的試點(diǎn)項(xiàng)目。工程于1998年10月開工，其中三號(hào)機(jī)組于2001年12月18日正式投產(chǎn)，四號(hào)機(jī)組于2002年6月5日正式投產(chǎn)。

鍋爐由哈爾濱鍋爐有限責(zé)任公司制造HG-2023/17.6-YM4型鍋爐，亞臨界、一次中間再熱、固態(tài)排渣、單爐膛、Π型半露天布置、全鋼構(gòu)架、懸吊結(jié)構(gòu)、控制循環(huán)汽包鍋爐。鍋爐采用三分倉(cāng)回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器，平衡通風(fēng)，擺動(dòng)式四角切圓燃燒器。設(shè)計(jì)燃料為準(zhǔn)格爾煤。6套正壓直吹式制粉系統(tǒng)，配置ZGM123型中速磨煤機(jī)，A、B磨煤機(jī)對(duì)應(yīng)的燃燒器裝有等離子點(diǎn)火裝置。

1.1低氮燃燒系統(tǒng)介紹

3號(hào)鍋爐燃燒器改造采用“分拉垂直親和濃淡煤粉燃燒”立體分級(jí)低氮燃燒專利技術(shù)，即燃料分級(jí)與空氣分級(jí)同步進(jìn)行，利用垂直煤粉濃淡分離技術(shù)將同一股煤粉氣流分離成上下布置的濃相和淡相兩股射流，結(jié)合燃燒器頂部大間距布置5層頂部燃盡風(fēng)，頂部燃盡風(fēng)量增加到30%。通過(guò)采用上述技術(shù)，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)降低NOx生成及排放的目的。

主燃燒器采用CE公司傳統(tǒng)的大風(fēng)箱結(jié)構(gòu)，由隔板將大風(fēng)箱分隔成若干風(fēng)室，主燃燒器有6層煤粉風(fēng)室、9層二次風(fēng)室，4個(gè)油風(fēng)室組成。在各風(fēng)室的出口處布置數(shù)量不等的燃燒器噴嘴，油風(fēng)室可做上下各30°擺動(dòng)，一次風(fēng)煤粉噴嘴可上下擺動(dòng)各20°，二次風(fēng)空氣噴嘴可做上下各30°的擺動(dòng).

主燃燒器上下兩部分由兩組執(zhí)行器單獨(dú)控制。以此來(lái)改變?nèi)紵行膮^(qū)的位置，調(diào)節(jié)爐膛內(nèi)各輻射受熱面的吸熱量，從而調(diào)節(jié)再熱汽溫;燃燼風(fēng)(SOFA)燃燒器參照CE的風(fēng)箱結(jié)構(gòu)，由隔板將風(fēng)箱分隔成若干風(fēng)室，燃燼風(fēng)(SOFA)風(fēng)室噴嘴，既能做左右10°的擺動(dòng)，也可做上下30°的擺動(dòng)，以此來(lái)改變反切動(dòng)量矩，達(dá)到最佳平衡動(dòng)量矩效果的同時(shí)，通過(guò)改變?nèi)紶a風(fēng)(SOFA)同主燃燒器的間距，達(dá)到降低NOx排放及提高燃燒效率的目的，為了保證頂部燃盡風(fēng)的風(fēng)量，在原有大風(fēng)箱上加裝分風(fēng)擋板，系統(tǒng)布置如下圖：

改造后每角燃燒器共有24個(gè)風(fēng)室。燃燼風(fēng)(SOFA)風(fēng)室5個(gè)，空氣風(fēng)室9個(gè)，煤粉風(fēng)室6個(gè)(含2個(gè)等離子點(diǎn)火煤粉風(fēng)室)，油風(fēng)室4個(gè)。根據(jù)各風(fēng)室的高度不同，布置數(shù)量不等的噴嘴，燃燼風(fēng)(SOFA)風(fēng)室一個(gè)風(fēng)室布置五個(gè)噴嘴，煤粉風(fēng)室布置6個(gè)一次風(fēng)噴嘴，自下(底層)向往上數(shù)第一、二層是等離子燃燒器，滿初期點(diǎn)火節(jié)油要求。A層油風(fēng)室中間布置有帶穩(wěn)燃葉輪的噴嘴。

1.2SCR脫硝系統(tǒng)介紹

天津大唐國(guó)際盤山發(fā)電有限責(zé)任公司脫硝系統(tǒng)采取選擇性催化還原(SCR)法去除煙氣中NOx。還原劑采用純氨(純度≥99.6%)，由液氨槽車運(yùn)送液氨，利用卸料壓縮機(jī)，將液氨從槽車輸入液氨儲(chǔ)罐內(nèi)，并依靠自身重力和壓差將液氨儲(chǔ)罐中的液氨輸送到液氨蒸發(fā)槽內(nèi)利用輔汽提供的熱蒸發(fā)為氨氣，后經(jīng)與稀釋風(fēng)機(jī)鼓入的空氣在氨/空氣混合器中混合后,送達(dá)氨噴射系統(tǒng)。在SCR入口煙道處，噴射出的氨氣和來(lái)自鍋爐省煤器出口的煙氣混合后進(jìn)入SCR反應(yīng)器，SCR反應(yīng)器采用高灰型工藝布置(即反應(yīng)器布置在鍋爐省煤器與空氣預(yù)熱器之間)，通過(guò)催化劑進(jìn)行脫硝反應(yīng)，最終從出口煙道至鍋爐空預(yù)器，達(dá)到脫硝目的。整套脫硝裝置主要由SCR反應(yīng)區(qū)和氨站區(qū)兩個(gè)區(qū)域組成。

脫硝系統(tǒng)布置在鍋爐省煤器和空預(yù)器之間的位置。根據(jù)鍋爐機(jī)組現(xiàn)狀，SCR反應(yīng)器系統(tǒng)按一臺(tái)機(jī)組配置兩臺(tái)脫硝反應(yīng)器，煙道分兩路從省煤器后接出，經(jīng)過(guò)垂直上升后變?yōu)樗?，接入SCR反應(yīng)器，反應(yīng)器為垂直布置，經(jīng)過(guò)脫硝以后的煙氣經(jīng)水平煙道接入空預(yù)器入口煙道。

選擇性催化還原法(SCR)是利用氨(NH3)對(duì)NOx的還原功能，使用氨氣(NH3)作為還原劑，將體積濃度為5%的氨氣通過(guò)氨注入裝置(AIG)噴入溫度為280℃-420℃的煙氣中，在催化劑作用下，氨氣(NH3)將煙氣中的NO和NO2還原成無(wú)公害的氮?dú)?N2)和水(H2O)，“選擇性”的意思是指氨有選擇的進(jìn)行還原反應(yīng)，在這里只選擇NOx還原。其化學(xué)反應(yīng)式如下：

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O

催化劑是整個(gè)SCR系統(tǒng)的核心和關(guān)鍵，催化劑的設(shè)計(jì)和選擇是由煙氣條件、組分來(lái)確定的，影響其設(shè)計(jì)的三個(gè)相互作用的因素是NOx脫除率、NH3的逃逸率和SO2轉(zhuǎn)化率。

上述脫硝反應(yīng)是在反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行的，反應(yīng)器布置在省煤器和空氣預(yù)熱器之間。反應(yīng)器內(nèi)裝有催化劑層，進(jìn)口煙道內(nèi)裝有氨注入裝置和導(dǎo)流板，為防止催化劑被煙塵堵塞，每層催化劑上方布置了吹灰器。SCR脫硝反應(yīng)所需的還原劑氨氣，可以通過(guò)液氨、氨水及尿素三種化學(xué)藥品獲取。在能保證藥品正常供應(yīng)的情況下，優(yōu)先選擇液氨作為還原劑。

本工程煙氣在鍋爐省煤器出口處被平均分為兩路，每路煙氣垂直布置的SCR反應(yīng)器，經(jīng)過(guò)均流器后進(jìn)入催化劑層，每臺(tái)鍋爐配有二個(gè)SCR反應(yīng)器，經(jīng)過(guò)脫硝以后的煙氣直接接入空預(yù)器入口煙道，然后經(jīng)空預(yù)器、電除塵器、引風(fēng)機(jī)和脫硫裝置后，排入煙囪。在進(jìn)入煙氣催化劑前設(shè)有氨注入的系統(tǒng)，煙氣與氨氣充分混合后進(jìn)入催化劑反應(yīng)，脫去NOx。系統(tǒng)布置如下圖：

2.低氮燃燒系統(tǒng)和脫硝系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性比較

由于低氮燃燒降氮的主要原理是主燃燒區(qū)缺氧燃燒，因此低氮系統(tǒng)投入后造成鍋爐飛灰及大渣含碳量增大、CO含量增大，綜合表現(xiàn)為鍋爐效率降低，直接影響供電煤耗指標(biāo)。

華北電科院對(duì)600MW、450MW和300MW負(fù)荷下，低氮投入和退出工況的鍋爐主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)測(cè)試如下表：

上述數(shù)據(jù)明細(xì)可以看出，低氮投入的不利影響比較大。實(shí)際運(yùn)行中，如果退出低氮系統(tǒng)，為了保證NOX達(dá)標(biāo)排放，必然導(dǎo)致脫硝系統(tǒng)噴氨量的增加。需要說(shuō)明的是，低氮燃燒器性能驗(yàn)收試驗(yàn)時(shí)，改造廠家為了追求將爐膛出口氮氧化物降到200mg/Nm3的范圍內(nèi)，過(guò)度缺氧燃燒，導(dǎo)致飛灰含碳高達(dá)6.7%、CO含量高達(dá)2468ppm，因此鍋爐效率下降幅度較大。以下對(duì)450MW以上負(fù)荷低氮投退的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析(未考慮送風(fēng)機(jī)電耗的增加)。

2.1計(jì)算公式說(shuō)明

2.1.1理論噴氨量

理論噴氨量的計(jì)算公式：

液氨耗量=脫硝入口流量×脫硝入口濃度×(17/46)×氨氮摩爾比×10-6;

其中：

氨氮摩爾比=(氨逃逸率/脫硝入口濃度)×(17/46)+脫硝效率/100;

2.1.2氨逃逸率

氨逃逸率一般用ppm表示，脫硝入口濃度用mg/Nm3表示，其換算公式為：

mg/m3=M/22.4˙ppm˙[273/(273+T)]*(Ba/101325)

上式中：M----為氣體分子量;ppm----測(cè)定的體積濃度值;T----溫度;Ba----壓力

由于換算比較麻煩，下文中氨氮摩爾比采用與設(shè)計(jì)值換算的建議方法計(jì)算：設(shè)計(jì)效率80%對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)氨氮摩爾比為0.815，根據(jù)實(shí)際效率可以換算出實(shí)際的氨氮摩爾比。

2.2600MW工況經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

2.2.1低氮退出時(shí)脫硝噴氨量增加成本

600MW工況低氮低氮退出時(shí)，脫硝入口NOX為563mg/Nm3，煙氣流量為1800kNm3/h，如果脫硝出口NOX要達(dá)到100mg/Nm3，則：

脫硝效率應(yīng)為：(563-100)/563=82.2%

脫硝系統(tǒng)氨氣和NOX反應(yīng)的氨氮摩爾比為(80%效率對(duì)應(yīng)的摩爾比為81.5%，依此推算)：0.815/0.8*0.822=0.837

脫硝系統(tǒng)的理論噴氨量為(入口煙氣量×入口NOX含量/NO2分子量×氨氮摩爾比成氨氣分子量)：1800*563/46*0.837*17=313kg/h

600MW工況低氮低氮投入時(shí)，脫硝入口NOX為150mg/Nm3，煙氣流量為1800kNm3/h，如果脫硝效率要達(dá)到80%，則：

脫硝系統(tǒng)氨氣和NOX反應(yīng)的摩爾比為：0.815

脫硝系統(tǒng)的理論噴氨量為：1800*150/46*0.815*17=81kg/h

綜上，600MW負(fù)荷時(shí)低氮投退影響氨氣用量增加313-71=232kg/h，按3000元/噸單價(jià)計(jì)算，增加費(fèi)用為：232*3=696元/小時(shí);日氨氣成本增加：696*24=1.67萬(wàn)元;

2.2.2低氮投入時(shí)供電煤耗增加成本

按照上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)，600MW負(fù)荷低氮投入影響鍋爐效率下降1.8%，折合供電煤耗6.12g/kWh，標(biāo)煤?jiǎn)蝺r(jià)按700元/噸計(jì)算，增加費(fèi)用為：600000*6.12/1000000*700=2570元/小時(shí)，日燃煤成本增加2570*24=6.17萬(wàn)元

2.2.3600MW工況低氮投退經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

低氮投入時(shí)，燃料成本增加每日增加6.17萬(wàn)元，低氮退出時(shí)，氨氣成本每日增加1.67萬(wàn)元，則：低氮退出比低氮投入時(shí)每日節(jié)約費(fèi)用4.5萬(wàn)元(按負(fù)荷率100%計(jì)算)。

2.3450MW工況分析

2.3.1低氮退出時(shí)脫硝噴氨量增加成本

450MW工況低氮低氮退出時(shí)，脫硝入口NOX為327mg/Nm3，煙氣流量為1500kNm3/h，如果脫硝出口NOX要達(dá)到100mg/Nm3，則：

脫硝效率應(yīng)為：(327-100)/327=71%不滿足環(huán)保要求，應(yīng)按80%計(jì)算

脫硝系統(tǒng)氨氣和NOX反應(yīng)的摩爾比為：0.815

脫硝系統(tǒng)的理論噴氨量為：1500*327/46*0.815*17=147kg/h

450MW工況低氮低氮投入時(shí)，脫硝入口NOX為179mg/Nm3，煙氣流量為1500kNm3/h，如果脫硝效率要達(dá)到80%，則：

脫硝系統(tǒng)氨氣和NOX反應(yīng)的摩爾比為：0.815

脫硝系統(tǒng)的理論噴氨量為：1500*179/46*0.815*17=81kg/h

綜上，450MW負(fù)荷時(shí)低氮投退影響氨氣用量增加147-81=66kg/h，按3000元/噸單價(jià)計(jì)算，增加費(fèi)用為：66*3=198元/小時(shí);日氨氣成本增加：198*24=4752元;

2.3.2低氮投入時(shí)供電煤耗增加成本

按照上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)，450MW負(fù)荷低氮投入影響鍋爐效率下降1.14%，折合供電煤耗3.88g/kWh，標(biāo)煤?jiǎn)蝺r(jià)按700元/噸計(jì)算，增加費(fèi)用為：450000*3.88/1000000*700=1222元/小時(shí)，日燃煤成本增加1222*24=2.9萬(wàn)元

2.3.3450MW工況低氮投退經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

低氮投入時(shí)，燃料成本增加每日增加2.9萬(wàn)元，低氮退出時(shí)，氨氣成本每日增加4752元，則：低氮退出比低氮投入時(shí)每日節(jié)約費(fèi)用2.42萬(wàn)元(按負(fù)荷率75%計(jì)算)。

75%的負(fù)荷率接近年實(shí)際負(fù)荷率，因此450MW的分析數(shù)據(jù)具有一定的代表性。

2.4300MW工況分析

300MW負(fù)荷下，低氮投入時(shí)的NOX比低氮退出時(shí)還高，即低氮投入時(shí)鍋爐效率低，噴氨量大，肯定不經(jīng)濟(jì)，未做具體數(shù)據(jù)分析。

3.低氮燃燒系統(tǒng)和煙氣脫硝系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行規(guī)定

為了實(shí)現(xiàn)煙氣中NOX達(dá)標(biāo)排放，3號(hào)鍋爐在大修時(shí)同步進(jìn)行了“低氮燃燒+SCR煙氣脫硝”改造。電科院試驗(yàn)表明600MW、450MW和300MW三個(gè)典型負(fù)荷下，低氮燃燒系統(tǒng)分別投入和退出工況相比鍋爐效率分別降低1.82、1.14、0.16個(gè)百分點(diǎn)，對(duì)機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性影響較大。

通過(guò)低氮燃燒系統(tǒng)投入時(shí)燃料增加的成本和退出運(yùn)行時(shí)脫硝液氨增加的成本綜合分析，認(rèn)為以SCR煙氣脫硝系統(tǒng)為主要降低NOx手段，盡量少用低氮燃燒系統(tǒng)以減少對(duì)供電煤耗的影響是最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行方式。

3.1低氮燃燒投入運(yùn)行的主要運(yùn)行調(diào)整內(nèi)容

1)適當(dāng)降低總風(fēng)量同時(shí)關(guān)小主燃燒區(qū)的燃料周界風(fēng)、輔助風(fēng)擋板為主燃燒區(qū)營(yíng)造缺氧燃燒的大環(huán)境;

2)兩側(cè)大風(fēng)箱的分風(fēng)擋板保持50%左右的開度，打開頂部燃盡風(fēng)擋板，實(shí)現(xiàn)空氣分級(jí);

3)燃燒器采用垂直濃淡燃燒器，實(shí)現(xiàn)燃料分級(jí)燃燒(設(shè)備結(jié)構(gòu)，運(yùn)行中無(wú)法調(diào)整)。

3.2優(yōu)化基本原則

通過(guò)上述分析，鍋爐低氮燃燒系統(tǒng)和煙氣脫硝系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的基本原則如下：

在脫硝系統(tǒng)可以完全滿足NOX達(dá)標(biāo)排放的前提下，弱化或退出低氮燃燒系統(tǒng)運(yùn)行(保持正常的總風(fēng)量和主燃燒區(qū)二次風(fēng)門開度、兩側(cè)大風(fēng)箱分風(fēng)擋板全開、關(guān)閉頂部燃盡風(fēng)擋板)，以降低對(duì)鍋爐效率的影響。

3.3低氮燃燒和脫硝系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)定

1)試驗(yàn)證明將5層燃盡風(fēng)擋板全部關(guān)至10%，送風(fēng)機(jī)電流會(huì)上升2-3A，同時(shí)低氮改造時(shí)將原有的頂部反切風(fēng)OFA1、OFA2堵了盲板，不再具有反切風(fēng)的功能不利于汽溫偏差的調(diào)整;為了降低對(duì)送風(fēng)機(jī)電流的影響，同時(shí)保留汽溫偏差的調(diào)整手段，低氮退出運(yùn)行期間規(guī)定：上四層燃盡風(fēng)(SOFA2-5)關(guān)至10%，最底層燃盡風(fēng)(SOFA1)可以根據(jù)汽溫偏差以及脫硝入口NOX情況進(jìn)行調(diào)整，原則上開度不應(yīng)過(guò)大;

2)機(jī)組低負(fù)荷350MW以下，應(yīng)避免最上層磨運(yùn)行，同時(shí)降低氧量運(yùn)行(空預(yù)器入口氧量不得低于2.0%)、適當(dāng)關(guān)小主燃燒區(qū)二次風(fēng)門(不得小于25%)，保持大風(fēng)箱差壓大于0.3kPa以上有利于降低脫硝入口NOX;

3)正常運(yùn)行中脫硝入口標(biāo)態(tài)NOX應(yīng)維持在400-500mg/Nm3之間，超過(guò)500mg/Nm3(按80%效率計(jì)算，此時(shí)對(duì)于脫硝出口NOX為100mg/Nm3)時(shí)，可以適當(dāng)投入頂部燃盡風(fēng)，維持脫硝系統(tǒng)達(dá)標(biāo)運(yùn)行;

4)脫硝系統(tǒng)安裝邊界效率方式運(yùn)行，在保證出口NOX不超過(guò)100mg/Nm3前提下，脫硝效率保證大于80%且接近于80%運(yùn)行;

5)當(dāng)脫硝入口NOX長(zhǎng)時(shí)間偏高，噴氨調(diào)整門開度已經(jīng)大于90%時(shí)，如果脫硝效率或出口NOX接近要求值而調(diào)整無(wú)效時(shí)，可就地手動(dòng)稍開噴氨調(diào)整門旁路手動(dòng)門以增大噴氨量;

6)由于脫硝系統(tǒng)系統(tǒng)投入，SCR區(qū)域、空預(yù)器差壓增長(zhǎng)速度加快，送風(fēng)機(jī)搶風(fēng)、引風(fēng)機(jī)喘振可能性增大，運(yùn)行中嚴(yán)格執(zhí)行防止送風(fēng)機(jī)搶風(fēng)、引風(fēng)機(jī)喘振及處理的相關(guān)措施;

7)隨著脫硝催化劑活性的降低，脫硝無(wú)法滿足NOX達(dá)標(biāo)排放時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)低氮系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行調(diào)整，必須保證煙氣達(dá)標(biāo)排放。