全負荷脫硝技術在超臨界燃煤機組的應用

陳志秋，羅國堅

(廣東珠海金灣發(fā)電有限公司，廣東 珠海 519000)

全負荷脫硝技術在超臨界燃煤機組的應用

陳志秋，羅國堅

(廣東珠海金灣發(fā)電有限公司，廣東 珠海 519000)

摘要：在低負荷階段，廣東珠海金灣發(fā)電有限公司(以下簡稱“金灣電廠”)兩臺鍋爐的脫硝系統(tǒng)因煙溫低而退出運行，造成煙氣污染物的超標排放。為了使低負荷時氮氧化物(NOx)的排放達到最新環(huán)保要求，金灣電廠對鍋爐進行了脫硝改造：首先在鍋爐尾部煙道加裝了脫硝裝置并對省煤器進行分級改造，然后進行低氮燃燒調整以及啟停機運行的優(yōu)化。改造后，煙囪出口NOx的質量濃度小于30 mg/m3(標準狀態(tài)下)，40%～60%負荷階段脫硝裝置投運率100%，有效地減少污染物的排放，較好地解決鍋爐因煙溫低而脫硝系統(tǒng)不能投入運行的問題。

關鍵詞：全負荷脫硝改造；分級省煤器；低氮燃燒調整；啟停機優(yōu)化；超低排放

隨著對燃煤電廠氮氧化物(NOx)的排放要求越來越嚴格，最新版的《火電廠大氣污染排放標準》已經實施[1]，燃煤電廠需要采取一系列措施來控制NOx的排放。本文對廣東珠海金灣發(fā)電有限公司(以下簡稱“金灣電廠”)鍋爐的脫硝技術改造、燃燒調整、啟停機技術優(yōu)化進行介紹和分析。

1設備概況

金灣電廠3、4號鍋爐為上海鍋爐廠設計制造的超臨界燃煤、螺旋管圈直流鍋爐，單爐膛、四角切圓燃燒，采用低NOx同軸燃燒系統(tǒng)(lowNOxconcentricfiringsystem，LNCFS)(LNCFS—III型)。配6層制粉系統(tǒng)及7層燃盡風(overfireair，OFA) (5層分離燃盡風(separatedoverfireair，SOFA)、2層緊湊燃盡風(close-coupledoverfireair，CCOFA))。脫硝裝置為高灰型選擇性催化還原(selectivecatalyticreduction，SCR)工藝，催化劑層數按2+1模式布置，初裝2層預留1層，結構為平板式。

2NOx生成原理和控制技術[2]

2.1NOx生成原理

煤燃燒過程中形成的NOx有3 種：燃料型、熱力型和快速型。其中快速型所占比例很小，可略去不計。熱力型的NOx生成量與燃燒反應溫度和氧濃度有關，是氮氣在高溫下直接氧化而成，高溫高氧是其生成的主要原因。在溫度足夠高時，熱力型NOx可占總量的20%左右。降低熱力型生成量的措施有：避免爐膛局部高溫；降低爐膛高溫區(qū)的氧濃度；縮短煙氣在高溫區(qū)的停留時間。

燃料型的NOx在幾個類型中份額較大，是NOx的主要來源，在揮發(fā)物燃燒及焦炭燃燒過程中均能產生這種現象，其生成量與火焰附近的氧濃度有關：在氧化氣氛下，揮發(fā)分氮直接被氧化成NOx；在還原氣氛下，揮發(fā)分氮可將部分已生產的NOx還原成N2。通常燃料型NOx占總量的60%～80%，而揮發(fā)分燃燒生成的NOx又占其中的60%～80%。揮發(fā)分的燃燒主要發(fā)生在煤粉燃燒初期，因此應在煤粉火焰核心區(qū)域營造一種還原氣氛，即欠氧富燃區(qū)來減少NOx的生成。

2.2NOx控制技術

電廠鍋爐燃燒產生的NOx污染排放控制技術主要有以下兩種方式：

a) 采用低氮燃燒技術來減少NOx生成。這種方法主要依賴燃燒設備和燃燒技術的進步，通過改進工藝和設備、改進燃燒來降低燃料燃燒過程中NOx的生成，該方法脫硝效率有限，如果燃燒器性能不好，往往會降低熱效率，使得不完全燃燒熱損失增加。目前，采用各種低NOx燃燒技術一般可以使NOx的排放量降低30%～70%，揮發(fā)分越高的煤，NOx的排放量降低越多，但若要使煙氣中NOx的含量有更大程度的降低，還須采用煙氣脫硝技術和研究新的低NOx燃燒技術。

b) 采用煙氣脫硝技術來減少NOx排放。常用的煙氣脫硝技術是SCR和選擇性非催化還原(selectivenon-catalyticreduction，SNCR)，這兩種方法都是通過在煙氣中加入氨或尿素溶液等還原劑，在一定溫度下與煙氣中的氮氧化物發(fā)生還原反應，生成無害的氮氣和水，不同之處是前者有催化劑的參與，催化劑的參與降低了反應溫度(由不加催化劑時的1 000 ℃左右降至300～380 ℃或更低)，并提高反應效率。

3脫硝技術應用和優(yōu)化

3.1低氮燃燒技術的應用

金灣電廠3、4號鍋爐采用低NOxLNCFS，其技術特點主要有：

a) 強化著火煤粉噴嘴，能使火焰穩(wěn)定在噴嘴出口一定距離內，使揮發(fā)分在富燃料的氣氛下快速著火，保持火焰穩(wěn)定，從而有效降低NOx的生成。煤粉噴嘴四周布置有周界風，將煤粉分級燃燒減少NOx的生成。

b) 每相鄰兩層煤粉噴嘴之間有一層輔助風噴嘴，采用同心切圓燃燒方式(concentricfiringsystem，CFS)，部分二次風氣流在水平方向分級，在始燃階段推遲了空氣和煤粉的混合，NOx形成量少。

c)LNCFS通過在爐膛的不同高度布置CCOFA和SOFA，將爐膛分成3個相對獨立的部分：初始燃燒區(qū)、NOx還原區(qū)和燃料燃盡區(qū)。每個區(qū)域的過量空氣系數由3個因素控制：總的OFA風量、CCOFA和SOFA風量的分配以及總的過量空氣系數。這種改進的空氣分級方法通過優(yōu)化每個區(qū)域的過量空氣系數，在有效降低NOx排放的同時能最大限度地提高燃燒效率。

3.2全負荷SCR脫硝技術

3.2.1SCR脫硝技術改造

根據最新環(huán)保政策和實際生產需求，金灣電廠3、4號鍋爐煙氣脫硝系統(tǒng)采用龍凈環(huán)保股份有限公司提供的SCR的煙氣脫硝技術。3、4號鍋爐的脫硝工程采用EP+C(設計供貨由一家單位承包，施工由另一家單位承包)建設模式，采用高灰型SCR工藝，催化劑層數按 2+1模式布置，即初裝 2 層預留 1 層， 在設計工況、處理 100%煙氣量、在布置 2 層催化劑條件下脫硝裝置的脫硝效率均不小于 80%。如圖1所示。

1—鍋爐；2—省煤器；3—噴氨格柵；4—SCR催化劑；5—空氣預熱器；6—電除塵；7—脫硫塔；8—煙囪；9—混合器；10—氨緩沖槽；11—氨蒸發(fā)器；12—液氨儲罐；13—稀釋風機。圖1　金灣電廠3、4號鍋爐SCR系統(tǒng)

SCR脫硝技術原理：從鍋爐省煤器來的煙氣經SCR裝置入口補償器、噴氨格柵、反應器入口補償器，然后進入反應器內(無旁路煙道)， 還原劑(氨)在催化劑的作用下與煙氣中的NOx反應生成無害的氮和水，從而去除煙氣中的NOx，經處理后的煙氣直接進入鍋爐空預器內[3-4]。SCR化學反應公式和原理圖(如圖2所示)如下：

4NO+4NH3+O2→ 4N2+6H2O；

4NH3+6NO→ 6H2O+5N2；

8NH3+6NO2→ 12H2O+7N2；

NO+NO2+2NH3→ 2N2+3H2O.

圖2　SCR反應原理

SCR脫硝系統(tǒng)催化劑的工作溫度是在一定范圍的，溫度過高(超過450 ℃)時催化劑會加速老化；當溫度在 300 ℃左右時，在同一催化劑的作用下，會發(fā)生另一副反應，反應如下：

2SO2+O2→2SO3；

NH3+H2O+SO3→NH4HSO4.

即生成氨鹽，該物質黏性大，易黏結在催化劑和鍋爐尾部的受熱面上，影響鍋爐安全運行。因此，原則上在催化劑環(huán)境的煙氣溫度在 305～425 ℃之間時方允許噴射氨氣進行脫硝。為了提高脫硝投運率，金灣電廠根據催化劑廠家提供的資料進行了相關允許噴氨溫度進行修正，在SO2濃度低時對應噴氨溫度也降低，最低為 293 ℃。

3.2.2分級省煤器的應用

由于金灣電廠經常參與調峰，尤其是非用電高峰時深度調峰，低負荷時煙氣溫度不能滿足脫硝投運要求，造成脫硝系統(tǒng)退出運行，NOx排放超標，難以滿足全負荷工況下的低NOx排放要求[5-7]。因此金灣電廠進行了省煤器受熱面分級改造，如圖3所示。

1—鍋爐；2—分隔屏過熱器；3—末級過熱器；4—再熱器；5—高溫省煤器；6—空氣預熱器；7—SCR反應器；8—低溫省煤器；9—電除塵。圖3　省煤器受熱面分級改造

改造原理：在進行熱力計算的基礎上，將原有省煤器部分(靠煙氣下游部分拆除)，在SCR反應器后增設一定量的省煤器熱面。給水直接引至位于SCR反應器后面的省煤器，然后通過連接管道引至位于SCR反應器前面的省煤器中。通過減少SCR反應器前省煤器的吸熱量，達到提高SCR反應器入口溫度在305 ℃以上的目的。煙氣通過SCR反應器脫氮之后，進一步通過SCR反應器后的省煤器來吸收煙氣中的熱量，以保證空氣預熱器進、出口煙溫基本不變，即在保證SCR最低穩(wěn)燃負荷以上所有負荷正常投運的同時，保證鍋爐的熱效率等性能指標不受影響。

3、4號鍋爐通過省煤器受熱面的分級改造后，將進入SCR的煙氣溫度提高了約45 ℃，在額定負荷時進入脫硝設備的煙溫為 385 ℃，最大負荷時煙溫不超過 400 ℃，在42%負荷250MW時進入脫硝設備的煙溫在320 ℃以上。這樣既可滿足脫硝設備對煙氣溫度的要求，又不會造成排煙溫度上升、鍋爐效率降低。改造后氣溫、噴水量等鍋爐總體性能基本維持原狀。

在以上SCR改造和省煤器分級改造后，在250～600MW可持續(xù)調峰負荷階段，金灣電廠3、4號鍋爐可保持脫硝系統(tǒng)全程投入，并將脫硝效率保持在85%以上，極大地減少了NOx的排放。

3.3脫硝NOx排放調整優(yōu)化

金灣電廠預計在2016年污染物排放濃度要全部優(yōu)于國家特別排放標準，SO2的質量濃度(以下簡稱“濃度”)不超過35mg/m3(標準狀態(tài)下，下同)，NOx濃度不超過50mg/m3，粉塵濃度不超過 5mg/m3，實現燃煤機組“到達燃機排放標準”，即“近零排放”。為了降低機組的NOx排放，提高機組環(huán)保性能和減輕環(huán)保設備運行壓力，從影響NOx產生各個因素入手，對4號鍋爐進行燃燒調整試驗，得到了各負荷段最佳運行方式。燃燒調整的主要內容包括：SOFA調整、氧量優(yōu)化調整、偏置風和燃料風的調整等。

a)SOFA風量的調整：維持機組運行方式不變的情況下，通過改變SOFA風量，分析受熱面的壁溫分布的變化，同時觀測對鍋爐汽溫、結焦特性及NOx的影響，綜合分析得出該負荷下的最佳SOFA風量。

b) 氧量優(yōu)化調整：首先測量省煤器出口(即SCR入口)氧量，并與分散控制系統(tǒng)(distributedcontrolsystem，DCS)進行對比后得出氧量修正系數，并將修正后的氧量系數置入DCS中。其次通過變氧量試驗，在機組負荷300～600MW之間，通過手動偏置降低氧量設定值，了解氧量變化對NOx排放、風機電流、灰渣含碳量、飛灰含碳量、鍋爐排煙損失、鍋爐熱效率的影響，確定鍋爐效率最高的氧量值，并對氧量曲線進行相應的修改。

c) 燃料風、偏置風的調整：維持鍋爐負荷、磨煤機投運方式、氧量及其余二次風門不變的情況下進行變偏置風調整試驗，觀察偏置二次風和燃料風的變化對鍋爐壁溫偏差、鍋爐汽溫、結焦特性及NOx的影響[8-9]。

在經過以上調整試驗后，得出了機組在各負荷階段的最佳運行方式，并將其置入DCS曲線中，爐膛與二次風箱差壓修改函數見表1、SOFA修改函數見表2、風量修改函數見表3。

表1爐膛與二次風箱差壓修改函數

風量設定值/%修改前差壓設定值/Pa修改后差壓設定值/Pa038035047.3442040058.0256050063.7060056077.5578065082.12820690

注：風量設定值為額定風量的百分比，下同。

表2　SOFA風修改函數

注：SOFA1指1號SOFA風門，其他類似。

表3風量修改函數

負荷1/MW修改前風量%負荷2/MW修改后風量%232.3046.01232.3044.01272.8554.63255.8047.58300.0060.40312.9053.9409.2073.50399.5065.23500.0084.50498.6078.50545.7088.59548.3083.50600.0093.45602.6090.30

注：負荷1和負荷2為試驗過程中記錄的兩個基本相同的負荷，由于試驗過程存在一定偏差，兩者數值近似相等，可視為同一負荷。

從表1和表2可以看出，風箱差壓在低風量的時候設定比以往更低，SOFA開度比以往更大，這在低負荷總風量一定的情況下，增加了二次風門的開度，適當增大SOFA開度，降低主燃燒區(qū)域氧量，可減少NOx的生成。

根據氧量優(yōu)化調整試驗結果，還做了相應的風量優(yōu)化函數，從表3可以看出，修改后的風量比原風量減少了2%～7%，進一步降低了主燃燒區(qū)域的氧量，最大限度地控制NOx的生成。

經過以上燃燒調整優(yōu)化后，在低負荷階段金灣電廠4號鍋爐SCR入口處NOx平均濃度由負荷為250MW時的306mg/m3下降至150mg/m3，顯著減少了SCR系統(tǒng)的噴氨量，減少了空氣預熱器堵塞的風險，并使SCR出口NOx排放量一直保持在30mg/m3以下，調整前后的效果如圖4和圖5所示。

圖4　燃燒調整前4號鍋爐NOx排放情況

圖5　燃燒調整后4號鍋爐NOx排放情況

3.4啟停機技術優(yōu)化調整

由于受到脫硝催化劑反應溫度的限制，在啟停機階段(負荷為0～250MW)脫硝系統(tǒng)仍舊無法保持運行，根據國家環(huán)保標準《火電廠大氣污染物排放標準》限值要求以及《廣東省排污許可證管理辦法》規(guī)定： 自2014年7月1日起排放的NOx濃度超過500mg/m3(小時平均值，下同)或半年內兩次以上超標排放濃度超過 300mg/m3，以及月平均濃度超過 100mg/m3，就吊銷排污許可證。為了減少污染物的排放，必須對機組的啟停方式進行優(yōu)化，以滿足環(huán)保要求。因此，金灣電廠在啟機階段采取了以下優(yōu)化調整措施，以改善污染物的排放[10]。

3.4.1啟機階段

a) 降低鍋爐啟動給水流量100t/h，減少啟動燃料的消耗，減少啟機過程中污染物的排放，機組并網后恢復正常給水流量。及時投入輔汽加熱除氧器，當機組四段抽汽壓力大于0.2MPa時，將除氧器的四段抽汽源投入，提高給水溫度；高壓加熱器(以下簡稱“高加”)隨機滑啟滑停，當再熱器壓力升至0.1MPa、溫度300 ℃時，逐步全開2號高加抽汽電動閥，危急疏水閥開啟，投入2號高加提高給水溫度。汽輪機掛閘后1號、3號高加隨機滑啟，以提高給水溫度，減少鍋爐水冷壁吸熱，提高煙氣溫度。

b) 在鍋爐升溫升壓期間用輔汽對A/B汽泵進行沖轉暖機，四段抽汽壓力大于0.4MPa時將給水泵汽輪機汽源切至4號抽供，并將A/B汽泵并入給水，提高給水流量，盡快提高機組負荷，當煙溫合適時投入脫硝系統(tǒng)運行。由于煤種對鍋爐NOx排放有明顯的影響，含氮量高、灰分高、揮發(fā)分低的煤種一般NOx排放會較高，反之會較低。按照啟機計劃和煤場溝通上煤計劃，啟機時安排上低含氮量、低灰分、高揮發(fā)分、熱值高的煤種，以減少NOx等污染物的排放。

在按照以上優(yōu)化策略調整后，4號機組啟動階段的污染物排放得到了很好的控制， 在2015年10月對4號機組啟動期間，NOx排放濃度控制在500mg/m3以下，未超過廣東省排污許可標準。從4號機組并網到脫硝系統(tǒng)投入僅用1.5h，脫硝系統(tǒng)投入后NOx排放值在30mg/m3以下，大幅縮短了高污染物排放的時間，減少了NOx排放總量，4號機組啟動過程污染物排放情況如圖6所示。

圖6　2015年10月4號機組啟機時污染物的排放情況

3.4.2停機階段

a) 機組開始減負荷至250MW，然后進行廠用電切換，啟動備用電動給水泵，逐臺停運磨煤機，直至剩最后三臺磨煤機，根據SCR入口煙溫情況繼續(xù)降低機組負荷，當機組負荷已經降低至接近脫硝退出，停止降負荷(通常負荷在220MW左右)，停運第4臺磨煤機，保持兩臺制粉系統(tǒng)運行，保持等離子系統(tǒng)運行。

b) 快速退出高、低加汽側運行，高加在機組即將解列前執(zhí)行，退出時間不宜過久，防止SCR入口煙溫下降過多，造成脫硝退出。關閉A/B給煤機進口閘板門，當A/B給煤機跑空時，手動打閘汽輪機，鍋爐主燃料跳閘(mainfueltrip，MFT)，發(fā)電機解列。由于高、低加剛解列不久，給水溫度未大幅下降，且機組負荷維持在230～250MW，煙氣溫度相對來說還比較高，在停機過程中實現了脫硝系統(tǒng)的全程投入，環(huán)保數據全程不超標的新記錄。

在采用以上優(yōu)化調整措施后，3號機組整個停機過程中NOx的排放一直保持較低的水平，小于50mg/m3，符合廣東省排污許可標準，顯著減少污染物的排放，污染物排放情況如圖7所示。

圖7　2015年10月3號機組停機時污染物的排放

4結束語

通過對金灣電廠3、4號鍋爐脫硝系統(tǒng)的改造和燃燒調整、啟停機優(yōu)化等一系列措施，成功在全負荷工況下實現脫硝系統(tǒng)連續(xù)運行，有效降低了鍋爐SCR入口NOx平均濃度，明顯減少噴氨量，降低了空預器堵塞的風險，減輕了環(huán)保設備運行壓力。在啟停機階段，通過一系列的優(yōu)化措施，有力地控制了NOx等污染物的排放平均濃度值和縮短污染物排放時間和總量。

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ApplicationofFullLoadDenitrationTechnologyinSupercriticalCoal-firedUnit

CHENZhiqiu,LUOGuojian

(GuangdongZhuhaiJinwanPowerGenerationCo.,Ltd.,Zhuhai,Guangdong519000,China)

Abstract：In the stage of low load, denitration systems of two boilers in Guangdong Zhuhai Jinwan power generation co., ltd. ( hereinafter referred as Jinwan power plant) was out of service due to low gas temperature which caused discharge beyond standards of flue gas pollutants. In order to ensure emission of NOx satisfy the newest environmental protection requirement at the time of low load, Jinwan power plant conducted denitration transformation for the boiler which was firstly to add denitration device for the tail flue of boiler and carry out classification transformation for the economizer, then make adjustment for low nitrogen combustion and optimization on start and stop of the unit. After transformation, per hour average material quality concentration of NOx at the exit of chimney is less than 30 mg/m3 in standard condition and operational percentage of denitration device in 40%～60% load stage reaches to 100% which effectively reduces emission of pollutants and well solves the problem of the denitration system being unable to be put into operation for reason of low gas temperature.

Key words：full load denitration transformation; staged economizer; low nitrogen combustion adjustment; optimization on start and stop of unit; ultra low emission

收稿日期：2015-11-16

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.05.006

中圖分類號：TK227

文獻標志碼：A

文章編號：1007-290X(2016)05-0026-06

作者簡介：

陳志秋(1985)，男，廣東韶關人。工程師，工學學士，現從事火力發(fā)電廠集控運行工作。

羅國堅(1983)，男，廣東云浮人。助理工程師，工學學士，現從事火力發(fā)電廠集控運行工作。

(編輯王朋)