600 MW火電機組NOx分級控制技術(shù)應(yīng)用

周 沖

(浙江大唐烏沙山發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 寧波 315722)

600 MW火電機組NOx分級控制技術(shù)應(yīng)用

周 沖

(浙江大唐烏沙山發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 寧波 315722)

2015年兩會召開之際，央視記者柴靜的紀(jì)錄片《穹頂之下》在各媒體平臺的廣泛熱播引發(fā)了全民對環(huán)境污染問題前所未有的思考，氮氧化物NOx對大氣的污染和人類健康的危害也為人們所充分認(rèn)識。文中以浙江大唐烏沙山發(fā)電公司600 MW機組為示例，闡述了其原有鍋爐燃燒系統(tǒng)存在的問題及利用NOX分級控制技術(shù)對其進(jìn)行綜合脫硝改造的具體方案。結(jié)合改造后的實際運行數(shù)據(jù)，分析了改造后的具體效益。對國內(nèi)外同類火電機組降低NOx排放、保護(hù)環(huán)境具有一定的借鑒意義。

NOx分級控制技術(shù)；低NOx燃燒器；選擇性催化還原技術(shù)(SCR)；環(huán)境保護(hù)

0 引 言

2015年兩會進(jìn)行之際，央視記者柴靜的紀(jì)錄片《穹頂之下》在各媒體平臺的廣泛熱播引發(fā)了全民熱議，它將環(huán)境污染問題徹底推到了前臺，也將全體國民的環(huán)保意識提升到了一個新的高度，環(huán)保話題一度成為今年兩會到來之際最熱門的話題。事實上，環(huán)境保護(hù)問題一直是近年來高層重點關(guān)注的問題。眾所周知，我國環(huán)境承載能力已達(dá)到或接近上限，以消耗資源和破壞環(huán)境為代價的經(jīng)濟發(fā)展模式已經(jīng)走到了盡頭。保護(hù)人民群眾的生命權(quán)重于保護(hù)財產(chǎn)權(quán)，中央高層也已經(jīng)意識到生態(tài)文明建設(shè)的重要性。

0.1 NOx排放的的危害及新國標(biāo)

我國約70%的電力來源于以燃燒化石燃料為主的燃煤發(fā)電廠，伴隨其工業(yè)生產(chǎn)過程而必然產(chǎn)生的NOx氣體也成為環(huán)境污染的重大元兇之一。它對環(huán)境的損害作用極大，既是形成酸雨的主要物質(zhì)之一，也是形成大氣中光化學(xué)煙霧的重要物質(zhì)和消耗O3的一個重要因子。實驗研究表明，氮氧化物可刺激肺部，使人較難抵抗感冒之類的呼吸系統(tǒng)疾病，呼吸系統(tǒng)有問題的人士如哮喘病患者，會較易受二氧化氮影響。對兒童來說，氮氧化物可能會造成肺部發(fā)育受損。研究指出長期吸入氮氧化物可能會導(dǎo)致肺部構(gòu)造改變。而其對臭氧的破壞還會增加相關(guān)區(qū)域人群罹患皮膚癌癥的概率。

根據(jù)國家環(huán)保部新修訂的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，從2014年7月1日開始，對長三角等重點地區(qū)現(xiàn)有火電機組氮氧化物污染物排放量的標(biāo)準(zhǔn)升級為100 mg/Nm3，作為國有大型發(fā)電企業(yè)，貫徹環(huán)保理念，降低NOx的排放量勢在必行。

0.2 示例機組存在的問題

選取浙江大唐烏沙山發(fā)電有限責(zé)任公司的#1、#2、#3作為示例機組，該類型機組鍋爐為哈爾濱鍋爐廠制造，鍋爐型號為HG-1890/25.4-YM4型，配備了由英國三井巴布科克能源有限公司(Mitsui Babcock Energy Limited)設(shè)計、制造的低NOx軸向旋流燃燒器(LNASB)。其全部30只燃燒器分三層布置，每層的前、后墻各布置5只，整體采用前后墻對沖方式燃燒。其中，前墻最下層的5只燃燒器裝有等離子體點火裝置，且在最上層旋流燃燒器上方，前后墻各布置1層燃盡風(fēng)口，每層布置5只，共10只。鍋爐自投運以來燃燒狀況穩(wěn)定，經(jīng)濟性較高。但也存在一些問題，亟待解決：首先是鍋爐燃燒器磨損嚴(yán)重，直接影響鍋爐的正常運行，同時鍋爐燃燒器結(jié)渣嚴(yán)重；再者是鍋爐NOx排放量較高(一次風(fēng)與二次風(fēng)混合過早，為煤粉燃燒提供了充分的氧氣和高溫環(huán)境，不利于控制燃料型和熱力型NOx生成[1-2]；燃盡風(fēng)率偏小[3])。而且由于建廠時國內(nèi)技術(shù)水平的限制，該機組在設(shè)計制造時并未配備相應(yīng)的脫硝裝置系統(tǒng)。這些問題會直接影響機組的NOx排放，因此必須對機組進(jìn)行技術(shù)改造。

1 分級控制設(shè)備改造思路及方案探討

NOx是唯一可通過燃燒技術(shù)改進(jìn)控制的燃煤污染。從工業(yè)生產(chǎn)流程上分，NOx控制技術(shù)主要有兩種：低氮燃燒技術(shù)和煙氣脫硝技術(shù)。

低氮燃燒技術(shù)又分為三類：(1)改進(jìn)燃燒運行參數(shù)(運行調(diào)整)；(2)空氣分級燃燒，包括1)低氮燃燒器(設(shè)備改造)，2)整體空氣分級；(3)燃料分級燃燒。

從煙氣中脫硝的方法有兩種：(1)濕式流程的氧化吸收法；(2)干式流程的選擇性催化還原法(SCR)和選擇性非催化還原法(SNCR)。目前，使用較多的是選擇性催化還原干式流程法(SCR)。

由此，可以得出NOx排放控制的總體原則和思路是：應(yīng)在可能的條件下，盡可能采用多種技術(shù)相結(jié)合，最大限度降低污染生成，例如：可綜合采用低NOx燃燒器的空氣分級技術(shù)，再采用選擇性催化還原法(SCR)對尾部煙氣進(jìn)行脫硝，以及進(jìn)行燃燒運行優(yōu)化調(diào)整，分級、多線程地降低總的NOx生成。以示例機組為例，分級控制設(shè)備改造具體方案如下：

1.1 低氮燃燒技術(shù)改造

從機組運行的安全性和經(jīng)濟性出發(fā)，經(jīng)過綜合考慮，鍋爐主要做如下改造：

(1)將除等離子燃燒器外的25只LNASB燃燒器的一次風(fēng)組件更換為中心給粉燃燒器一次風(fēng)組件。改造后的燃燒器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 改造后的低氮燃燒器結(jié)構(gòu)

在鍋爐原燃盡風(fēng)上方新增一層燃盡風(fēng)裝置。前、后墻各新增5只燃盡風(fēng)裝置，總計新增10只，燃盡風(fēng)裝置的布置如圖2所示。

圖2 改造后的OFA 噴口布置圖

新增的燃盡風(fēng)裝置采用內(nèi)直流、外旋流的進(jìn)風(fēng)方式，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 改造后OFA 燃燒器結(jié)構(gòu)圖

1.2 SCR煙氣脫硝技術(shù)改造

選擇性催化還原法(SCR)煙氣脫硝是目前世界范圍內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的脫硝技術(shù)[4-5]，該反應(yīng)對催化劑的要求是活性高、壽命長、經(jīng)濟上合算、不產(chǎn)生二次污染、能經(jīng)受起臟煙氣污染、不易受影響。通常采用以二氧化鈦(TiO2)為基體的堿金屬如鐵、鉻、銅、鈷或銅等作催化劑。具有脫硝效率高、氨的逃逸率低、運行穩(wěn)定、維護(hù)方便等優(yōu)點。其具體反應(yīng)機理為：

通過還原劑氨氣(NH3)和催化劑V2O5/TiO2在290～400℃溫度下，有選擇的和煙氣中的NOx反應(yīng)并生成無毒的氮氣 (N2)和水蒸氣(H2O)的過程，主要反應(yīng)如下：

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O

6NO2+8NH3→7N2+12H2O

SCR脫硝裝置主要由煙氣系統(tǒng)、SCR反應(yīng)器本體、供氨與噴氨系統(tǒng)、催化反應(yīng)器、聲波吹灰系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。

示例機組烏沙山發(fā)電公司自2011年開始，歷時三年時間，以每年一臺機組的速度，先后對#3、#2、#1機組進(jìn)行了此項技術(shù)改造，此類脫硝改造均需結(jié)合機組A修進(jìn)行，總工期控制在70天左右為宜。該公司選用的系統(tǒng)是由清華同方環(huán)境有限責(zé)任公司引進(jìn)意大利TKC公司技術(shù)，結(jié)合清華大學(xué)熱能系多年來在SCR煙氣脫硝技術(shù)方面的研究而專門設(shè)計制造的。每臺機組的脫硝技術(shù)改造工程均配有兩套SCR反應(yīng)器裝置及一套共用的還原劑制備系統(tǒng)，為烏沙山電廠600 MW機組提供完整可運行的脫硝裝置。SCR煙氣脫硝系統(tǒng)所用催化劑是蜂窩狀催化劑，可以再生；其第一層催化劑的脫硝效率不低于50%。而還原劑則是純度為99.5%的液氨。

在具體施工階段，將SCR反應(yīng)器布置在鍋爐省煤器出口與空氣預(yù)熱器入口之間。離開省煤器的熱煙氣在進(jìn)入SCR反應(yīng)器前與氨氣(在遠(yuǎn)離SCR反應(yīng)器的上游煙道中噴入)充分均勻混合后進(jìn)入反應(yīng)器，氨在反應(yīng)器中催化劑的作用下，選擇性地與煙氣中的NOx(主要為NO和少量的NO2)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將NOx轉(zhuǎn)換成無害的氮氣(N2)和水蒸氣(H2O)，從而完成脫硝過程，脫硝后的凈煙氣從反應(yīng)器底部流出，經(jīng)出口煙道進(jìn)入下游的空氣預(yù)熱器。整個工藝流程則涉及煙氣流、氨流、氮氣流、蒸汽流及水流等主要物料流，其中主要物流流向如下：

(1)原煙氣：來自鍋爐省煤器的未脫硝煙氣→SCR系統(tǒng)入口→噴氨格柵→煙氣/氨混合器→導(dǎo)流板→整流裝置→催化劑層。

(2)凈煙氣：催化劑層→SCR反應(yīng)器出口→空氣預(yù)熱器入口。

(3)氨：載氨槽車→液氨儲罐→氨蒸發(fā)槽→氨緩沖槽→氨/空氣混合器→噴氨格柵→煙氣/氨混合器→SCR反應(yīng)器。

(4)氮氣：對于氮氣系統(tǒng)：由氮氣儲罐分別到儲氨槽、蒸發(fā)槽、緩沖槽、稀釋槽、氨/空氣混合器。

(5)廢水：卸氨區(qū)→稀釋槽→廢水池。

1.3 每臺機組脫硝技改配套改造項目

(1)1座還原劑存儲制備站的配套增容改造；(2)1套脫硝配套鍋爐鋼結(jié)構(gòu)改造；(3)2臺空預(yù)器配套改造；(4)2臺引風(fēng)機實行增壓風(fēng)機與引風(fēng)機合一改造，取消原機組脫硫系統(tǒng)增壓風(fēng)機，并且將原引風(fēng)機由靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機改為低轉(zhuǎn)速的雙級動葉可調(diào)軸流風(fēng)機，從而提高風(fēng)機運行效率、降低電耗，并且提高風(fēng)煙系統(tǒng)安全穩(wěn)定性(改造中烏沙山電廠選用成都凱凱凱電站風(fēng)機有限公司產(chǎn)品，新改動調(diào)引風(fēng)機型號為HU26646-12型，兩級葉片選用一級高壓葉片、一級低壓葉片。經(jīng)過改造可使風(fēng)機年節(jié)約電費約286.2萬元)；(5)2臺送風(fēng)機節(jié)能優(yōu)化改造(降低風(fēng)機裕量，減小電機功率和風(fēng)機軸功率，改造中烏沙山電廠選用上海鼓風(fēng)機廠風(fēng)機設(shè)備)。

2 分級控制脫硝改造效益分析

近年來，為從經(jīng)營領(lǐng)域降低企業(yè)生產(chǎn)成本，該電廠實行煤種摻燒，所用燃煤種類較多且品質(zhì)較差，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到當(dāng)初設(shè)計煤種的品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，電廠摻燒不同煤種后的NOx排放瞬時值有時高達(dá)425 mg/Nm3。 這既達(dá)不到當(dāng)前和未來的國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，又對地區(qū)環(huán)境污染埋下嚴(yán)重隱患，實施脫硝改造勢在必行。烏沙山發(fā)電廠降NOx分級治理改造工程是列入寧波市“十二五”重大建設(shè)項目規(guī)劃的重大技術(shù)改造項目，有著非同一般的環(huán)保價值和政治意義。

經(jīng)過觀測改造后最近一年來的運行實時數(shù)據(jù)(如圖4所示)，示例機組(烏沙山#1—#3機組)在經(jīng)過本輪NOx分級治理后，利用低氮燃燒器改造和SCR脫硝改造等技術(shù)改造同時結(jié)合運行人員日常運行優(yōu)化調(diào)整，在不同負(fù)荷條件下，各機組脫硝效率均可長期維持在80%以上，雙側(cè)對稱布置共設(shè)三層催化劑平臺中目前已使用兩層，這兩層壓力之和基本不超過400Pa，在正常脫硝效率時NOx煙氣污染物排放實測值≤55 mg/Nm3以下，在脫硝效率較低時NOx煙氣污染物排放實測值≤80 mg/Nm3，完全滿足2014年7月國家環(huán)保部新修訂的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》對長三角等重點地區(qū)現(xiàn)有火電機組氮氧化物污染物排放量的標(biāo)準(zhǔn)升級為100 mg/Nm3的嚴(yán)格要求。

圖4 分級脫硝改造后的機組實時運行數(shù)據(jù)(2015年4月)

#1—#3機組經(jīng)過此輪技術(shù)改造后，由浙江省電力試驗研究院現(xiàn)場分別試驗證明，各機組新投產(chǎn)的脫硝設(shè)備脫硝效率均≥80%，每臺機組脫硝前NOx年排放量為5 645 t，而脫硝后NOx的年排放量為1 129 t，單臺機組年消減量為4516t，三臺每年共向?qū)幉ǖ貐^(qū)減排13 548 t，減排效果明顯。該改造經(jīng)過多臺機組長期運行論證合理有效，對國內(nèi)其它地區(qū)同類型機組或相似機組的NOx污染物排放控制具有重要的實際參考價值。

這一系列環(huán)保改造是烏沙山發(fā)電公司為堅決貫徹國家環(huán)保戰(zhàn)略、踐行央企社會責(zé)任、維護(hù)地區(qū)和諧發(fā)展向大唐集團(tuán)公司和寧波市政府交出的一份滿含誠意的答卷，全國各電力從業(yè)人員都正在為還子孫后代碧水藍(lán)天貢獻(xiàn)著自己的一份份力量，未來，我們共同努力，一定會做的更好！愿APEC藍(lán)能夠永遠(yuǎn)保持下去！

[1] 李永華, 王麗麗, 等. 空氣分級燃燒低NOx排放數(shù)值模擬研究[J]. 鍋爐技術(shù), 2009, 40(6): 1-4.

[2] 劉 霞. 400t/h四角切圓煤粉爐分級燃燒技術(shù)降低NOx排放的研究與數(shù)值模擬[學(xué)位論文]. 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文，2004.

[3] 羅 睿，陳冬林，劉 創(chuàng)，等. 火電廠SCR煙氣脫硝反應(yīng)器模擬系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[J]. 熱力發(fā)電，2011，40(2)：44-47.

[4] 徐明厚, 鄭楚光. 燃煤鍋爐燃燒過程與NOx排放的模型與數(shù)值計算[J]. 工程熱物理學(xué)報，2001, 22(2): 249-252.

[5] 閆順林，周 沖，董 標(biāo),等．加熱器抽汽壓損對機組能效影響的圖譜分析[J]．應(yīng)用能源技術(shù)，2011(11)：4-8.

Application of NOxHierarchical Control Technology in 600 MW Thermal Power Generation Units

ZHOU Chong

(Zhejiang Datang Wushashan Power Generation Co., Ltd, Ningbo 315722, Zhejiang Province, China)

At China two conferences 2015, the CCTV reporter ChaiJing's documentary “Under th Dome” has attracted the thoughts on environmental pollution of all citizens, the pollution of NOxto the air and human health has also been realized. This paper takes the 600 MW units in WuShashan power generation Co., Ltd as examples, introduces its inherent vice in the boiler burning system and the denitration tansformation plans using NOxhierarchical control technology. It analyzed its specific benefits of this technical transformation. This paper has a certain reference meaning on reducing NOxemission and environment protection of similar units at home and abroad.

NOxhierarchical control technology; Low NOxpulverized burner; The selective catalytic reduction; Environmental protection

2015-03-28

2015-04-10

周沖(1985-)，男，畢業(yè)于華北電力大學(xué)，工學(xué)碩士學(xué)歷,研究方向為發(fā)電廠系統(tǒng)及設(shè)備優(yōu)化設(shè)計與優(yōu)化運行。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.05.009

TK229.4

B

1009-3230(2015)05-0023-04