某2×600MW機組“W”火焰鍋爐氮氧化物超低排放改造方案分析

時光，張楊，裴煜坤，馮前偉，楊用龍，朱躍（.華電內(nèi)蒙古能源有限公司，內(nèi)蒙古呼和浩特0000；.華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州30030）

某2×600MW機組“W”火焰鍋爐氮氧化物超低排放改造方案分析

時光1，張楊2，裴煜坤2，馮前偉2，楊用龍2，朱躍2
（1.華電內(nèi)蒙古能源有限公司，內(nèi)蒙古呼和浩特010020；2.華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030）

“W”火焰鍋爐超低排放改造難點在于氮氧化物控制。針對某2×600MW機組“W”火焰鍋爐氮氧化物超低排放改造項目進行模型分析，從改造工期、施工方案、改造投資、能耗物耗、運行成本、運行可靠性等多方面進行了全面論述，可供后續(xù)開展相關(guān)工作借鑒與參考。

“W”火焰鍋爐；氮氧化物；超低排放；技術(shù)經(jīng)濟比較

0 引言

自2014年5月30日浙能嘉華電廠8號1000MW機組首次實現(xiàn)超低排放，2014年9月12日三部委聯(lián)合下發(fā)《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃（2014-2020年）》（發(fā)改能源[2014]2093號）以來，燃煤機組超低排放改造工作迅速推進，煤電煙氣治理水平全面提升。考慮到“W”火焰鍋爐N O x生成特性以及相應(yīng)配套脫硝技術(shù)可靠性與經(jīng)濟性等問題[1]，國家及各地方政府尚未對其作強制性超低排放要求。但目前湖南、貴州、四川等地區(qū)已明確鼓勵“W”火焰鍋爐進行超低排放改造，部分發(fā)電企業(yè)已率先開展相關(guān)改造工作，長期來看“W”火焰鍋爐超低排放已成為大勢所趨[2]。針對某2×600MW機組“W”火焰鍋爐氮氧化物超低排放改造工程方案進行分析與討論，為后期類似工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 項目概況

某2×600MW機組鍋爐為D G1950/25.4-Ⅱ8型超臨界參數(shù)、W型火焰燃燒、垂直管圈水冷壁變壓運行直流鍋爐，鍋爐設(shè)計N O x排放濃度為1090m g/m3（標(biāo)態(tài)、干基、6%O2，下同），配置S C R煙氣脫硝裝置，采用液氨作為還原劑，初裝2層催化劑時，設(shè)計在鍋爐正常負荷范圍內(nèi)，S C R入口N O x濃度為1100m g/m3條件下，性能考核試驗時的脫硝效率不低于88%，在催化劑質(zhì)量保證期期滿之前，脫硝效率不低于83%，且N O x排放濃度不超過187m g/m3。當(dāng)前實際運行條件下，鍋爐N O x生成濃度能夠控制在700m g/m3以下（個別時段超出），S C R出口按200m g/m3達標(biāo)排放進行控制。

1.2 工藝論證

低氮燃燒是國內(nèi)外燃煤鍋爐控制N O x排放的優(yōu)先選用技術(shù)，但考慮到某2×600MW機組鍋爐已經(jīng)采用當(dāng)前“W”火焰鍋爐較為先進的低氮燃燒技術(shù)，當(dāng)前實際運行N O x濃度能夠控制在較優(yōu)水平[3]，進一步進行低氮改造的空間及必要性不大，因此不建議再作低氮燃燒改造。S C R脫硝技術(shù)應(yīng)用于燃煤鍋爐脫硝效率可達90%以上，而S N C R技術(shù)應(yīng)用于大型煤粉爐一般脫硝效率能夠達到30%-50%。在此基礎(chǔ)上模型分析相應(yīng)提出兩個改造方案:

方案一:在對當(dāng)前低氮燃燒系統(tǒng)進行進一步優(yōu)化調(diào)整的基礎(chǔ)上，盡可能在不影響鍋爐燃燒的條件下降低N O x生成濃度，在此基礎(chǔ)上直接對現(xiàn)有S C R脫硝裝置進行提效改造?？紤]到S C R提效改造如進行反應(yīng)器加層改造則工程量及投資非常大，因此盡量采用催化劑添加/更換方案[4]；

方案二:在對當(dāng)前低氮燃燒系統(tǒng)進行進一步優(yōu)化調(diào)整的基礎(chǔ)上，為穩(wěn)定可靠實現(xiàn)N O x超低排放要求，先采用S N C R技術(shù)降低S C R入口N O x濃度，在此基礎(chǔ)上再對S C R脫硝裝置提效改造，即S N C R+S C R提效改造。

1.3 設(shè)計參數(shù)

通過對比當(dāng)前實際運行參數(shù)與原設(shè)計參數(shù)，當(dāng)前鍋爐N O x生成濃度低于原設(shè)計值。為盡量提高后續(xù)運行可靠性，在對當(dāng)前低氮燃燒系統(tǒng)進行進一步優(yōu)化調(diào)整的基礎(chǔ)上，仍在當(dāng)前常規(guī)運行值基礎(chǔ)上留取一定裕量，將初始N O x濃度定為800m g/m3。若采用方案一S C R提效改造，則相應(yīng)S C R脫硝入口N O x濃度將按800m g/m3進行設(shè)計；若采用方案二S N C R+S C R提效改造，則相應(yīng)要求S N C R部分將N O x濃度由800m g/m3降至500m g/m3以內(nèi)（其中S N C R脫硝效率要求不低于37.5%），相應(yīng)S C R脫硝入口N O x濃度將按600m g/m3進行設(shè)計。其余參數(shù)相較原設(shè)計條件變化不大，仍維持不變。

性能指標(biāo)方面以50m g/m3作為出口N O x排放濃度限值，相應(yīng)脫硝效率分別為93.8%（方案一）與91.7%（方案二），其余性能指標(biāo)均參考設(shè)計規(guī)范確定。

1.4 改造范圍

表1 改造設(shè)計參數(shù)及性能指標(biāo)匯總

方案一僅考慮S C R提效，由于入口濃度明顯低于原設(shè)計值，導(dǎo)致還原劑消耗量較設(shè)計值有所降低，因此還原劑制備區(qū)可不做改造。但經(jīng)核算，僅增加備用層催化劑因高度受限，無法滿足性能指標(biāo)要求，因此需要在加裝備用層催化劑的基礎(chǔ)上再更換一層舊催化劑，在加裝備用層催化劑的同時須同步加裝配套吹灰器，并對反應(yīng)器內(nèi)流場構(gòu)件進行局部改造或調(diào)整。

方案二采用S N C R+S C R聯(lián)合脫硝，S C R部分還原劑制備區(qū)可不做改造，經(jīng)核算加裝備用層催化劑能夠滿足性能指標(biāo)要求，同步加裝配套吹灰器，并對反應(yīng)器內(nèi)流場構(gòu)件進行局部改造或調(diào)整；S N C R部分由于采用尿素作為還原劑，需新建還原劑制備系統(tǒng)，新增爐區(qū)混合、計量、分配模塊及噴槍等。

1.2.4 體外透皮試驗。黨參總皂苷用蒸餾水配成質(zhì)量濃度44.70 mg/mL黨參總皂苷水溶液。在透皮擴散儀接收池中加入生理鹽水接收液，將鼠皮固定在擴散儀上，移取1 mL待測液加到供給池中，開啟擴散儀(溫度設(shè)定為37 ℃，轉(zhuǎn)速300 r/min)，定時取樣，取樣后補加等體積接收液，分光光度計測定接受液中藥物含量，計算藥物累積滲透量Qn[12]。

兩個方案主要新增工藝設(shè)備見表2。

表2 主要新增工藝設(shè)備

2 方案比較與討論

2.1 工期與施工方案

某2×600MW機組“W”火焰鍋爐氮氧化物超低排放改造工程無特大設(shè)備，基本通過小型汽車式起重機和鍋爐自身吊裝系統(tǒng)即可滿足吊裝需求。S N C R還原劑區(qū)建設(shè)可在機組運行期間進行，S N C R反應(yīng)區(qū)噴槍布置以及S C R部分加裝催化劑等工作須在停爐期間完成，具體工期安排可根據(jù)機組檢修時間，按照表3所列時間倒排工程進度。由于方案一S C R提效僅需增加/更換催化劑以及進行配套的吹灰器安裝、流場局部調(diào)整等工作，而方案二在此基礎(chǔ)上，S N C R部分還涉及新建還原劑制備區(qū)、鍋爐開孔布置噴槍等工作，因此方案二工程量明顯大于方案一。

表3 改造工程實施過程及周期

2.2 改造投資

針對方案一，工程靜態(tài)投資為3450萬元，單位投資28.02元/k W。其中S C R脫硝裝置系統(tǒng)投資2720萬元:工藝系統(tǒng)投資2539萬元、電氣系統(tǒng)投資27萬元和熱控系統(tǒng)投154萬元。此外還包括其他費用482萬元，基本預(yù)備費160萬元。見表4。

針對方案二，工程靜態(tài)投資為5135萬元，單位投資42.79元/k W。其中S N C R脫硝裝置系統(tǒng)投資2376萬元:工藝系統(tǒng)投資1991萬元、電氣系統(tǒng)投139萬元、熱控系統(tǒng)投資137萬元和調(diào)試工程投資109萬元；S C R脫硝裝置系統(tǒng)投資1851萬元:工藝系統(tǒng)投資1670萬元、電氣系統(tǒng)投資27萬元和熱控系統(tǒng)投154萬元。此外還包括其他費用660萬元，基本預(yù)備費245萬元。

表4 改造投資估算

根據(jù)上述改造方案測算的改造前后所增加能耗物耗見表5，其中尿素耗量是按照實際運行S N C R氨氮摩爾比為1.4進行測算。在此基礎(chǔ)上按液氨單價3000元/t、尿素單價2500元/t、催化劑單價12000元/m3、低壓蒸汽單價135元/t、除鹽水單價27元/t、廠用電價0.3363元/k Wh進行測算，兩種改造方案的運行成本分別見表6?？梢钥闯龇桨敢荒赀\行成本遠低于方案二，具體差異主要在于S N C R所需還原劑耗量巨大，直接造成年約5000萬元的材料費成本，S N C R還原劑成本占到總運行成本約75%，所增加的上網(wǎng)電費達到15.33元/MWh，甚至超出10元/MWh的超低排放電價補貼。

表5 消耗品用量

表6 改造后總成本分析

2.4 運行可靠性及注意事項

雖然上述兩種改造方案在技術(shù)上均是可行的，但在實際運行中，S C R脫硝要長期穩(wěn)定達到90%以上的脫硝效率，且將NH3逃逸控制在性能保證范圍內(nèi)，不對下游設(shè)備造成不利影響，運行難度相當(dāng)大，因此在實際運行中仍應(yīng)盡可能優(yōu)化燃燒系統(tǒng)運行方式，條件允許時可配合使用配煤摻燒的方式，盡可能降低S C R脫硝入口N O x濃度，同時高度關(guān)注下游設(shè)備運行狀態(tài)，對可能出現(xiàn)的異常狀況及時進行分析處理，將S C R脫硝裝置維持在健康高效狀態(tài)。相較而言，S N C R+S C R提效方案，由于前置S N C R能夠脫除一部分N O x，因此S C R部分脫硝壓力明顯降低，但在實際運行中，仍應(yīng)注意低氮燃燒、S N C R、S C R之間的協(xié)調(diào)配合，盡量使三者協(xié)同控制氮氧化物維持在較為經(jīng)濟高效的水平。

3 結(jié)語

“W”火焰鍋爐超低排放的主要難點在于氮氧化物，當(dāng)前技術(shù)通過低氮燃燒深度控制氮氧化物生成后，通過S C R提效或S N C R+S C R改造實現(xiàn)超低排放是可行的。針對某2×600MW機組“W”火焰鍋爐進行了氮氧化物超低排放改造工程方案分析，可得出以下幾點結(jié)論:

（1）由于增設(shè)S N C R涉及大量新增設(shè)備與配套改造，因此S N C R+S C R改造方案工程量及投資明顯高于直接S C R提效方案。

（2）由于“W”火焰鍋爐初始N O x生成濃度極高且高效率所需氨氮摩爾比較高，采用S N C R技術(shù)導(dǎo)致的脫硝能耗物耗及年運行成本顯著增加，明顯高于直接S C R提效方案。

（3）相對而言，前部增設(shè)S N C R將大大降低后部S C R運行難度與風(fēng)險，因此S N C R+S C R方案運行可靠性優(yōu)于直接S C R提效方案。

（4）在鍋爐初始N O x濃度可控、運維水平較高的條件下，從經(jīng)濟性角度出發(fā)，推薦采用直接S C R提效方案，否則建議采用S N C R+S C R提效方案。但無論采用哪種方案，在實際運行中均應(yīng)進行精細化運維控制，以確保脫硝系統(tǒng)維持在穩(wěn)定、高效、經(jīng)濟狀態(tài)。

[1]楊立強，張楊，何勝，等.煤電機組“超低排放”技術(shù)路線及應(yīng)用分析[J].發(fā)電與空調(diào)，2016，37（3）:10-17.

[2]朱法華，許月陽，王圣.燃煤電廠超低排放技術(shù)重大進展回顧及應(yīng)用效果分析[J].環(huán)境保護，2016，44（6）:59-63.

[3]潘棟，王春昌，丹匯杰，等.“W”火焰鍋爐低氮燃燒改造策略分析[J].熱力發(fā)電，2013，42（12）:137-140.

[4]胡永鋒.燃煤電廠煙氣N O x超低排放改造方案對比分析[J].石油石化節(jié)能與減排，2015，5（6）:32-37.

Model Analysis on NOx Ultra Low Emission Retrofit in 2×600MW“W”Type Flame Boiler

SHI Guang1，ZHANG Yang2，PEI Yu-kun2，F(xiàn)ENG Qian-wei2，YANG Yong-long2，ZHU Yue2
（1.Huadian Inner Mongolia Energy Incorporated Company，Huhhot 010020，China；2.Huadian Electric Power Research Institute,Hangzhou 310030，China）

N O x control i s t h e d i ff iculty o f t h e ultra lo w emi ss ion retro f it in“W”T y p e f lame b oiler.O n t h e b a s i s o f mo d el analy s i s on 2×600MW“W”ty p e f lame b oiler，t h e p ro j ect time-limit，con s truction s c h eme, in v e s tment，ener g y an d material con s um p tion，runnin g co s t an d o p erational relia b ility h a v e b een d ee p ly calculate d an d d i s cu ss e d，an d t h e re s ult s can b e u s e d f or f urt h er re f erence.

“W”ty p e f lame b oiler；ultra lo w emi ss ion；D e-N O x；tec h no-economic com p ari s on

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.03.002

T K299.6，X773

B

2095-3429（2017）03-0006-04

2017-05-08

修回日期：2017-05-31

時光（1975-），男，山東鄒城人，本科，工程師，主要從事電力企業(yè)科技、環(huán)保方面的技術(shù)管理工作。