1 036 MW機組燃煤鍋爐NOx低排放研究

蔡 純， 李培鵬, 趙宇珉， 馮庭有

(1. 華能海門電廠， 廣東汕頭 515132; 2. 華東電力設計院， 上海 200063)

1 036 MW機組燃煤鍋爐NOx低排放研究

蔡 純1， 李培鵬1, 趙宇珉2， 馮庭有1

(1. 華能海門電廠， 廣東汕頭 515132; 2. 華東電力設計院， 上海 200063)

以某電廠4臺1 036 MW機組為例，對燃煤鍋爐NOx的排放特性及其影響因素，從爐內(nèi)燃燒控制技術、煙氣處理技術等進行分層次研究，確定影響NOx排放的因素、幅度，并提出各階段控制關鍵要點及注意事項。實踐表明：鍋爐長期運行中NOx排放質(zhì)量濃度在40 mg/m3以內(nèi)，對電廠的節(jié)能環(huán)保具有一定的價值。

鍋爐； 燃燒； 氮氧化物； 脫硝

筆者通過對燃煤鍋爐燃燒過程中產(chǎn)生的氮氧化物的具體數(shù)值全程分析，結合鍋爐燃燒前期、中期、后期的運行控制特性以及煙氣處理技術，從低氧燃燒、分層配風、集中配粉、煙氣脫硝噴氨等技術分層次研究，尋求最優(yōu)的爐內(nèi)低NOx燃燒控制技術和爐外煙氣脫硝控制技術。圍繞百萬千瓦等級的燃煤鍋爐，對現(xiàn)有設備和系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整控制，精確組織和控制燃燒，最終實現(xiàn)在能夠保證鍋爐效率、不會造成脫硝SCR反應器下游空氣預熱器堵塞等安全的前提下，顯著地降低了NOx排放質(zhì)量濃度，實現(xiàn)鍋爐NOx排放質(zhì)量濃度均值低于50 mg/m3的最新近零排放標準，超過燃氣輪機的NOx排放水平，對電廠的節(jié)能、環(huán)保、減排具有一定的運行借鑒意義。

1 設備概況

某電廠4臺1 036 MW機組脫硝系統(tǒng)采用SCR脫硝裝置，催化劑層數(shù)按2+1模式布置，初裝2層預留1層。2層催化劑條件下脫硝效率不小于60%，反應器按初裝2層催化劑脫硝效率不小于80%的空間及載荷來設計。脫硝催化劑采用蜂窩式催化劑，還原劑采用液氨。脫硝系統(tǒng)連續(xù)運行煙溫為300～420 ℃。根據(jù)最新火電廠大氣污染物排放標準，對于第3時段燃煤w(Vdaf)>20%的鍋爐，已執(zhí)行NOx最高允許排放質(zhì)量濃度100 mg/m3的標準[1]。

2 降低NOx排放質(zhì)量濃度的方法

目前，降低燃煤產(chǎn)生的NOx有兩種有效方式:一是低NOx燃燒技術，二是尾部煙氣脫硝技術。尾部煙氣處理采用選擇性催化技術及非催化技術除去尾氣中的NOx[2]；而爐內(nèi)采用低氧燃燒、煙氣再循環(huán)、低NOx燃燒器、空氣分級和燃料分級等低NOx燃燒技術來抵制NOx的生成。

2.1 低NOx燃燒器

該電廠燃燒設備系統(tǒng)為前、后墻布置。前、后墻各布置2層和3層HT-NR3旋流燃燒器，各墻每層8只，共40只；在前墻A層布置8只NR3等離子燃燒器；同時在前、后墻上部各布置1層燃盡風噴口，其中每層2只側(cè)燃盡風(SAP)噴口，8只燃盡風(AAP)噴口[3]。燃燒器采用分級燃燒和火焰內(nèi)NOx還原技術(見圖1)。

圖1 火焰內(nèi)NOx還原技術

對于旋流燃燒器而言，由于其特有的結構，能夠單獨地控制火焰結構，在火焰內(nèi)實現(xiàn)NOx還原(見圖1)。A、B、C、D區(qū)分別為：揮發(fā)分析出區(qū)、富燃料狀態(tài)下產(chǎn)生還原性媒介質(zhì)產(chǎn)生區(qū)、NOx還原區(qū)、氧化區(qū)。在C區(qū)，A、D區(qū)生成的NO和B區(qū)生成的還原劑HC化合，進行NOx的火焰內(nèi)還原；同時D區(qū)隨著外二次風的卷吸和混入，焦炭燃燒，生成的NOx火焰內(nèi)還原一部分進入C區(qū)還原。另外，燃燒器設置穩(wěn)燃環(huán)、導流環(huán)，可使二次風向外擴展，火焰還原區(qū)域擴大，提高火焰內(nèi)還原NOx的能力[4]。在日立公司三代燃燒器中(見圖2)，隨著離燃燒器火焰距離的進一步增大，其中的NOx達到峰值，隨后再與HC化合物反應，轉(zhuǎn)化成氮氫化合物NX(主要包括NH3、NH2、NH、N等中間產(chǎn)物)，最終把NOx還原為N2，使NOx大幅下降。

圖2 NOx 還原參量控制曲線

2.2 分層、分級燃燒

全爐膛分級燃燒，在兩級分級燃燒方式中，提供給燃燒器的風量少于其正常燃燒所需要的風量，燃燒所需要的其余風量通過燃燒器上方的燃盡風風口來提供(見圖3)。這種布置方式對于減少NOx生成是非常有效的。通過鍋爐爐膛內(nèi)一次、二次風量的分配，確保燃燒區(qū)總體處于缺氧狀態(tài)。

圖3 燃燒器布置

而爐膛內(nèi)NOx的水平通過改變?nèi)紵齾^(qū)域的化學當量來實現(xiàn)，即調(diào)節(jié)燃燒器和燃盡風之間的風量比例(見圖4)，燃燒器區(qū)域風量為0.75～0.90的化學當量比，燃盡風區(qū)域為0.25～0.39的化學當量比。上排燃燒器距離燃盡風距離為7 m，通過采用燃盡風，抑制還原性介質(zhì)可盡量避免與空氣中的氧量發(fā)生氧化反應。這個距離足夠大，以延長煙氣在還原區(qū)的停留時間，盡可能使NOx還原成N2。燃盡風進入爐膛以前的區(qū)域都是燃料富集區(qū)，燃料在此區(qū)域的駐留時間較長，有助于燃料中的氮和已經(jīng)生成的NO分解，通過給燃燒器的分級配風來極大地抑制在燃燒器區(qū)域NOx的生成[5]。

圖4 分級燃燒簡化系統(tǒng)

2.3 脫硝技術

SCR技術原理為：在催化劑作用下，向溫度約300～420 ℃的煙氣中噴入NH3，將NOx還原成N2和H2O。鍋爐的煙氣以一定速度進入SCR反應器的前部煙道，在催化劑作用下與NH3發(fā)生反應，進行脫硝后流入空氣預熱器。3層SCR脫硝裝置的脫硝效率可達80%～90%。通常采用TiO2為機體的堿金屬催化劑，其最佳煙溫為300～400 ℃。若鍋爐省煤器出口處煙溫低于300 ℃，NH3與煙氣中的SO3反應生成粘結的液體，沉積于催化劑上，使其活性降低。對于NH3的用量，如果NH3太少，不能達到預期的脫硝效果；NH3太多，會造成NH3泄漏。

3 NOx低排放實踐

3.1 低氧燃燒

NOx排放值與燃料特性、燃燒方式、燃燒器特性、爐膛熱力參數(shù)選取等因素有關[6]。由于燃燒過程本身復雜，故對鍋爐NOx的排放值只能在一定假設條件下，按照經(jīng)驗進行預測。其排放數(shù)值可簡化表述為：

ρ(NOx)= ρ(NOx)bFfFO2FCOF+

f(Vdaf,Ndaf)ηb

(1)

式中：ρ(NOx)b為NOx排放經(jīng)驗值，主要受燃燒器和燃盡風區(qū)域的化學當量及煤粉細度的影響；Ff為煤質(zhì)影響因素，主要受揮發(fā)分、w(N2)的影響；FO2為爐膛出口鍋爐空氣系數(shù)；FCOF為爐內(nèi)還原時間；f(Vdaf,Ndaf)為按照經(jīng)驗擬合出的表達式；ηb為與燃燒器形式有關的影響因素。

一般情況，在鍋爐確定燃燒煤種情況下，其排放控制主要受燃燒控制和煙氣脫硝技術，故從此角度出發(fā)，確定最佳控制煙氣排放指標。

燃燒過程中產(chǎn)生的NOx主要是NO和NO2，還有一定量的N2O。在絕大多數(shù)燃燒方式中，產(chǎn)生的NO體積分數(shù)占90%以上。圖5表示了火焰中NOx形成和破壞機理。從圖5可看出：在氧化性氣氛中，供燃燒用的空氣中的氮以及化學地結合在燃料中的雜環(huán)氮化物熱分解后生成NOx，而在還原氣氛(缺氧、貧氧狀態(tài))中則還原成N2。

通常燃料型NOx、熱力型NOx、快速型NOx分別占70%～80%、15%～20%、5%，燃料型NOx是鍋爐燃燒中主要可控部分。

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)燃料氮轉(zhuǎn)換成NOx的量主要取決于空氣燃料混合比(簡稱空燃比)，較少依賴于反應溫度[6]。缺氧狀態(tài)使氮缺乏競爭能力，對于減少NOx的形成至關重要。圖6表示ρ(NOx)與爐內(nèi)φ(O2)的實驗結果。由圖6表明：運行時φ(O2)的變化對NOx排放影響最大，隨著φ(O2)的增加，鍋爐ρ(NOx)呈線性增加。如果φ(O2)<2%時，會使氣體不完全燃燒的ρ(CO)劇增，使熱效率降低；低氧濃度會使爐膛內(nèi)的某些地區(qū)成為還原性氣氛，從而降低灰熔點引起爐壁結渣與腐蝕。

圖6 鍋爐滿負荷時NOx排放量與爐內(nèi)氧量動態(tài)特性

鍋爐負荷變化時，送入爐內(nèi)的風量必須與送入爐內(nèi)的燃料量相適應，這就要求對鍋爐風量控制的及時、匹配，準確跟蹤燃料量、負荷指令、環(huán)保指標、經(jīng)濟指標CO等，確保鍋爐的經(jīng)濟、安全、高效燃燒(見圖7)。由圖7可以看出：負荷在300～1 036 MW爐膛出口φ(O2)由初始的6%～3.5%優(yōu)化下降到5%～2.6%，既滿足了排放環(huán)保指標的低區(qū)間，又滿足了鍋爐的高效運行。

圖7 變負荷爐膛出口氧量自適應優(yōu)化基本曲線

3.2 分段燃燒+燃料分級

空氣分級燃燒的基本原理是將燃料的燃燒過程分階段來完成。第一階段，在3/4的空氣量下，即缺氧狀態(tài)下進行富燃料燃燒，確保在還原性氣氛中降低NOx的生成及反應率，抑制生成量；第二階段是一個充分燃燒過程，將1/4燃盡風與第一階段貧氧燃燒產(chǎn)物及煙氣混合，從而完成全部燃燒過程。實踐中發(fā)現(xiàn)：

(1) 試驗證明燃燒器區(qū)域空氣當量在0.85以下[5]，NOx顯著降低。

(2) 燃盡風擋板開度大時，能有效減少NOx(見圖8)。對控制全爐膛的風量和氧量的分配，避免還原性介質(zhì)在氧化性氣氛下被氧化，使燃燒初期剩余的還原性介質(zhì)可有一定的時間和空間與燃燒初期產(chǎn)生的NOx和煤粉燃燒過程中生成的NOx發(fā)生反應，以達到降低NOx的目的，特別是在某個臨界點，燃盡風的變化影響NOx明顯。同時，為了確保爐膛完全燃燒，降低可燃物質(zhì)量分數(shù)比，必須選擇一個最優(yōu)點，這通常由鍋爐燃燒試驗驗證得出，如某1 000 MW鍋爐試驗驗證得到額定負荷下燃盡風控制在300～400 t/h，占總風量的8%～12%左右最為合適。

圖8 鍋爐滿負荷時燃盡風變化燃燒動態(tài)特性

根據(jù)NOx的生成特性，運行中需要注意：(1)在升降負荷時由于風量的變化會造成NOx增大以及脫硝噴氨有3～5 min的滯后性，脫硝進、出口NOx變化提前，氧量和噴氨自動進行干預；(2)及時停用制粉系統(tǒng)，通過制粉系統(tǒng)高煤量運行、集中燃燒遏制NOx產(chǎn)生；(3)燃燒調(diào)整，調(diào)平左、右側(cè)風量，確保氧量均衡，脫硝系統(tǒng)入口A、B側(cè)NOx均衡。

3.3 煙氣脫硝技術

3.3.1 噴氨量的自動控制及脫硝效果

自動控制噴氨量時，通常并非負荷越高，噴氨量越大，而與鍋爐氧量相關。一般情況下800～850 MW時噴氨量最大，滿負荷時反而不高，主要因為滿負荷鍋爐風機出力已經(jīng)達上限，實際氧量偏低，造成NOx較小，CO較高(見圖9)。

圖9 鍋爐變負荷過程脫硝進、出口NOx質(zhì)量濃度動態(tài)特性

由圖9可以看出：脫硝SCR進口NOx變負荷均值在250 mg/m3左右，而出口基本在40 mg/m3左右。

3.3.2 稀釋空氣的供應控制

稀釋風機產(chǎn)生的稀釋風不但起稀釋氨氣的作用，同時還具有防止噴氨噴嘴堵塞的作用。因此，無論是否噴氨，在鍋爐引風機投入運行之前，就應該將稀釋風機投入運行，當鍋爐引風機停運后，方可停運稀釋風機。

3.3.3 常見問題控制

在運行中有以下問題：

(1) 積灰堵塞。在燃煤電站的SCR系統(tǒng)的長期運行中，經(jīng)常會遇到反應器孔道堵塞、催化劑積灰腐蝕。正常運行中必須加強壓差監(jiān)視和提高吹灰頻率及效果，盡量減少顆粒物對于反應器孔道的堵塞和腐蝕。

(2) NH4HS04腐蝕。NH4HS04為黏性半流體物質(zhì)，一旦附著在催化劑上，將造成催化劑與煙氣隔絕，脫硝效果降低，同時堵塞催化劑孔隙，產(chǎn)生“搭橋”。硫酸鹽(尤其是硫酸氫氨)對下游的空氣預熱器產(chǎn)生堵塞。嚴重時造成堵塞跳閘，甚至被迫停機。

(3) 催化劑失效。利用檢修周期定期對脫硝催化劑再生顯得極為必要和有效。

4 結語

該機組采用低氧燃燒和分級燃燒技術后，爐內(nèi)生成的NOx排放質(zhì)量濃度可控制在250 mg/m3左右；而經(jīng)過SCR脫硝后，煙氣排放的NOx質(zhì)量濃度在40 mg/m3左右，達到了NOx低排放的目標。

[1] 中華人民共和國質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會. GB 13223—2011 火電廠大氣污染物排放標準[S]. 北京：中國環(huán)境科學出版社，2012.

[2] 黃偉.燃煤電廠NOx污染及其控制技術[J].電力環(huán)境保護, 2004，20(3):22-23.

[3] 韓才元,徐明厚,周懷春，等. 煤粉燃燒[M]. 北京:科學出版社,2001.

[4] 劉文瑩. 低NOx控制新技術[J]. 國際電力,2001(1):59-62.

[5] 曾漢才. 大型鍋爐高效低NOx燃燒技術的研究[J]. 鍋爐制造,2001(1):1-11.

[6] 毛健雄,毛健全,趙樹明. 煤的清潔燃燒[M]. 北京:科學出版社,2000.

Study on Low NOxEmission of 1 036 MW Coal-fired Boilers

Cai Chun1, Li Peipeng1, Zhao Yumin2, Feng Tingyou1

(1. Huaneng Haimen Power Plant, Shantou 515071, Guangdong Province, China;2. East China Electric Power Design Institute, Shanghai 200063, China)

Taking 4 1 036 MW units in a power plant as examples, detailed analysis was conducted to the NOxemission characteristics of the coal-fired boilers from the aspects of in-furnace combustion and gas treatment technology, etc., so as to determine the influencing factors and degrees, and to put forward key control points at each stage and the matters needing attention. It has been found that the NOxemission can be kept to be below 40 mg/m3in the long-term operation of boilers. This may serve as a reference for energy saving and environmental protection of relevant power plants.

boiler; combustion; NOx; denitrification

2014-11-26

蔡 純(1969—)，女，工程師，主要從事電廠熱工控制優(yōu)化工作。

E-mail: caichun1969@sohu.com

X511

A

1671-086X(2015)04-0300-04