300MW燃煤機(jī)組脫硝改造技術(shù)及經(jīng)濟(jì)分析

吳云松

摘 要：隨著工業(yè)用電量和生活用電量的激增，我國發(fā)電廠負(fù)荷不斷增加，隨之而來環(huán)境污染問題也日益嚴(yán)重，氮氧化物已經(jīng)成為最主要的大氣污染物，而其主要來源于煤炭燃燒，因此燃煤機(jī)組脫硝成為我國發(fā)電廠亟待解決的問題。文章主要以東源曲靖能源有限公司（曲靖電廠）燃煤機(jī)組為原型，對(duì)其低氮燃燒器改造和SCR脫硝技術(shù)運(yùn)用展開分析。

關(guān)鍵詞：300MW燃煤機(jī)組；脫硝技術(shù)；經(jīng)濟(jì)分析

中圖分類號(hào)：TM62 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）29-0040-02

調(diào)查表明，我國煤炭燃燒排放的氮氧化物約占全國總排放量的70%，而火力發(fā)電廠是我國的“燃煤大戶”，燃煤機(jī)組的脫硝技術(shù)直接決定了其氮氧化物排放量。脫硝技術(shù)主要有SCR和SNCR兩種，但其經(jīng)濟(jì)成本投入不同，脫硝流程主要包括燃煤前脫硝、燃燒過程脫硝和燃燒后脫硝。

1 燃煤機(jī)組介紹

目前，300MW燃煤機(jī)組的鍋爐主要采用擺動(dòng)式直流燃燒器，利用單爐膛進(jìn)行四角式布置，采用切圓燃燒方式；鍋爐送粉則是通過五臺(tái)中速磨煤機(jī)采用直吹的方式進(jìn)行，直吹的一次風(fēng)則需要五層噴嘴設(shè)計(jì)，其中點(diǎn)火油槍需要布置三層，三層運(yùn)行的連續(xù)蒸發(fā)量帶動(dòng)，在最下層采用等離子點(diǎn)火技術(shù)。油燃燒器采用兩級(jí)點(diǎn)火的形式，針對(duì)連續(xù)蒸發(fā)量的百分之三十計(jì)算。直流燃燒器借助四角式的布置，在擺動(dòng)式能夠連續(xù)運(yùn)行，提高燃燒效率。熱態(tài)運(yùn)行的過程中，除直吹的一次風(fēng)可帶動(dòng)燃燒器擺動(dòng)外，二次風(fēng)的噴入再次加大擺動(dòng)角度，滿足爐內(nèi)氣溫調(diào)節(jié)要求。

曲靖電廠一期#1、#2鍋爐燃燒器與二期#3、#4鍋爐設(shè)計(jì)略有不同，一期為24只6層布置，二期為20只5層布置，燃燒器經(jīng)低氮改造為垂直濃淡分離煤粉燃燒器，擺角度數(shù)仍為±30°，水平位置固定；保持12只簡(jiǎn)單機(jī)械霧化油燃燒器不變。在水平斷面上，一期燃燒爐的一次風(fēng)射流在爐內(nèi)形成φ1000mm和φ700mm的兩個(gè)大小切圓，二次風(fēng)射流與一次風(fēng)射流偏置3°，二期燃燒爐的一次風(fēng)射流在爐內(nèi)形成的大切圓增大小切圓減小，分別為φ1032mm和φ548mm，兩次風(fēng)射流偏置增加到7°，減少結(jié)渣及氮氧化物的排放。

2 脫硝改造技術(shù)分析與篩選

2.1 低氮燃燒技術(shù)比較與選擇

曲靖電廠鍋爐為東鍋引進(jìn)嫁接型一次中間再熱、單爐膛、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、露天倒U型布置、全鋼架、全懸吊結(jié)構(gòu)、亞臨界自然循環(huán)汽包燃煤鍋爐。低氮燃燒技術(shù)是進(jìn)行脫硝改造的前提，是火力發(fā)電廠的首要選擇，當(dāng)電廠采用低氮燃燒技術(shù)之后，若煙氣排放的含氮量仍然超標(biāo)，再考慮引進(jìn)脫硝設(shè)備。目前應(yīng)用比較廣泛的低氮燃燒技術(shù)主要有四種。

2.1.1 煙氣再循環(huán)

300MW燃煤機(jī)組首次排放的煙氣含氮量極高，因此一般通過煙氣再循環(huán)來降低其氮氧化物含量，但是這一程序的實(shí)施并不簡(jiǎn)單。煙氣再循環(huán)裝置是由大型風(fēng)機(jī)和煙道搭建而成，由風(fēng)機(jī)對(duì)空氣預(yù)熱器的煙氣進(jìn)行抽吸，排放入煙道，此時(shí)煙氣中粉塵濃度很高，會(huì)大大縮短煙機(jī)壽命。另外，設(shè)備占據(jù)的空間較大，現(xiàn)場(chǎng)布置麻煩。所以，煙氣再循環(huán)技術(shù)一般用在燃油和燃?xì)庋b置中，燃煤機(jī)組應(yīng)用煙氣再循環(huán)技術(shù)反而會(huì)增加煙氣飛灰含量，出現(xiàn)結(jié)焦加重的現(xiàn)象。

2.1.2 空氣分級(jí)燃燒

實(shí)際上，我國很多電廠的燃煤機(jī)組已經(jīng)采用了空氣分級(jí)燃燒鍋爐，進(jìn)一步實(shí)施分級(jí)則需要對(duì)原有的設(shè)備進(jìn)行改造，而一旦開展大規(guī)模改造，就會(huì)破壞原有的分級(jí)系統(tǒng)。另外，從鍋爐本身來看，空氣分級(jí)燃燒會(huì)形成強(qiáng)還原性氣體，從而加劇鍋爐結(jié)渣和腐蝕，縮短鍋爐使用壽命。

2.1.3 燃料分級(jí)燃燒

燃料分級(jí)燃燒是低氮燃燒技術(shù)的重要法寶，但對(duì)于應(yīng)用直吹式燃料系統(tǒng)的300MW燃煤機(jī)組而言，燃料分級(jí)燃燒的難度很大，不僅需要增加磨煤機(jī)，還要對(duì)鼓風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改動(dòng)，改造過程很復(fù)雜。而且并不是所有的燃煤機(jī)組都能進(jìn)行再次改造，在改造前需要進(jìn)行繁瑣的模擬和運(yùn)算，即使能夠進(jìn)行改造，改造后的鍋爐同樣會(huì)出現(xiàn)鍋爐結(jié)渣和腐蝕嚴(yán)重的問題，很難將燃料完全燃燒，還有可能影響飛灰的利用。

2.1.4 建設(shè)低氮燃燒器（LNB）

低氮燃燒器是低氮燃燒技術(shù)中運(yùn)用最廣泛的一項(xiàng)，其綜合了煙氣再循環(huán)、空氣分級(jí)燃燒和燃料分級(jí)燃燒技術(shù)，擁有良好的脫硝效果，煙氣排放脫硝率在30%～50%左右，能夠?qū)⑷济簷C(jī)組的氮氧化物濃度控制在500mg/Nm3左右。如果是四角式布置的燃燒鍋爐，煙氣含氮量基本能控制在400mg/Nm3以下。

低氮燃燒器對(duì)氮氧化物濃度的降低作用顯著，最高可降低50%的含氮量，所以，應(yīng)該在應(yīng)用非催化還原技術(shù)之前，先利用低氮燃燒器進(jìn)行一次脫硝處理，不僅能夠提高最終脫硝效率，而且經(jīng)濟(jì)成本不高；其次，將舊式燃煤機(jī)組的改造工程簡(jiǎn)單，低氮燃燒器是一項(xiàng)獨(dú)立的設(shè)備，更換設(shè)備遠(yuǎn)比改造鍋爐系統(tǒng)簡(jiǎn)單得多，場(chǎng)地基本沒有限制，對(duì)鍋爐本身的負(fù)面作用較小。

我廠鍋爐低氮燃燒器改造將一次風(fēng)噴口改為垂直濃淡分離，擺角度數(shù)保持不變，一二次風(fēng)率及風(fēng)速基本不變；在主燃燒器上部增加4層可擺動(dòng)SOFA燃盡風(fēng)，風(fēng)量維持在25%附近，以控制氮氧化物排放；引風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速提高至990轉(zhuǎn)/分鐘，風(fēng)機(jī)全壓提高至6600Pa；更換了部分蓄熱元件。

2.2 煙氣脫硝技術(shù)比較與選擇

低氮燃燒技術(shù)是降低煙氣含氮量的首選，但僅僅依靠低氮燃燒技術(shù)只能將煙氣排放的氮氧化物濃度維持在300～350mg/m3之間，為了達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，還需要進(jìn)行爐膛外煙氣脫硝，主要包括SNCR和SCR兩項(xiàng)技術(shù)，采用非催化或催化技術(shù)進(jìn)行還原，SNCR技術(shù)的成本相對(duì)較低，但其脫硝效率僅為40%左右，SCR技術(shù)的催化作用可將脫硝效率提高至80%左右，而且SNCR脫硝技術(shù)的應(yīng)用限制較多，對(duì)機(jī)組負(fù)荷、供電煤質(zhì)、以及溫度窗口都有嚴(yán)格的要求。因此，為了滿足煙氣含氮濃度（<100mg/m3）要求，多數(shù)電廠SCR脫硝技術(shù)，在還原劑的選擇上，相較于耗費(fèi)量巨大的尿素，優(yōu)選考慮液氨。 我廠使用的SCR技術(shù)是在金屬催化劑的作用下，以NH3作為還原劑，將氮氧化合物通過還原反應(yīng)得到氮?dú)猓∟2）和水（H2O），而且NH3不和煙氣中的剩余氧氣（O2）反應(yīng)。endprint

3 脫硝技術(shù)改造的經(jīng)濟(jì)分析

脫硝技術(shù)改造的經(jīng)濟(jì)分析一般從兩個(gè)角度出發(fā)：投資費(fèi)用與運(yùn)行費(fèi)用。首先，火力電廠應(yīng)計(jì)算設(shè)備改造和安裝費(fèi)用，然后對(duì)脫硝過程所需物料以及能夠循環(huán)利用的產(chǎn)物進(jìn)行核算。

3.1 投資費(fèi)用

公式如下：

F=F0×α；α=i/[1-（1+i）-n]

其中：F0為初始投資，主要包括設(shè)計(jì)費(fèi)、建設(shè)費(fèi)和其他突發(fā)費(fèi)用；F為年平均投資，α為年均投資系數(shù)，i為貼現(xiàn)率；n為該裝置使用年限。

機(jī)組容量、改造工程的建設(shè)難度以及材料使用是影響初始投資的重要因素，本公式采用均化投資的概念，將各項(xiàng)費(fèi)用在裝置壽命期內(nèi)進(jìn)行攤銷。

3.2 運(yùn)行費(fèi)用（Y）

燃煤脫硝設(shè)備的運(yùn)行費(fèi)用主要包括材料（還原劑、催化劑等）費(fèi)用、勞動(dòng)費(fèi)用（員工工資和管理開支），另外還包括維護(hù)費(fèi)用，即設(shè)備定期檢修和維護(hù)工作產(chǎn)生的費(fèi)用。煙氣氮氧化物含量直接決定了花費(fèi)的材料費(fèi)用，是影響運(yùn)行費(fèi)用的重要因素。

3.3 脫硝成本

脫硝成本主要包括兩部分，一是脫除一噸氮氧化物的費(fèi)用，一是用電量成本。計(jì)算公式如下：

F′=F+Y；C=F′/W；K=F′/E

其中：F′為年脫硝成本；C為脫除一噸氮氧化物的費(fèi)用（元/kg）；K增加一度電的成本（元/kWh）；W為每年脫除氮氧化物的量（kg）；E為每年發(fā)電總量（kWh）。

4 結(jié)束語

綜上所述，降低煙氣排放氮含量，燃煤機(jī)組脫硝是我國火力發(fā)電廠必須重視的問題，解決這一問題的首要選擇是低氮燃燒技術(shù)，但單純依靠低氮燃燒很難將煙氣含氮量控制在合格標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)，必須結(jié)合爐膛外煙氣脫硝設(shè)備。通過經(jīng)濟(jì)分析可以發(fā)現(xiàn)脫硝技術(shù)成本主要包括投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用，只有將投資費(fèi)用細(xì)化，合理規(guī)劃燃煤機(jī)組脫硝程序，才能真正為火力電廠創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)其可持續(xù)發(fā)展。

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