1000MW超超臨界火力發(fā)電機(jī)組降低NOx措施研究

銅山華潤(rùn)電力有限公司 張建華 李京 王松

0 引言

在燃煤電廠排放的大氣污染物中，NOx因?yàn)閷?duì)生態(tài)環(huán)境和人體健康危害極大，且難以處理，所以成為重點(diǎn)控制排放的污染物之一。目前控制NOx排放的主要措施有燃燒調(diào)整及燃燒后脫硝兩種。通過(guò)設(shè)置低NOx燃燒器，合理的進(jìn)行燃燒調(diào)整，增加SCR脫硝技術(shù)，可有效的控制NOx的排放量，減輕電廠SCR運(yùn)行成本，進(jìn)一步降低NOx排放量，對(duì)治理大氣污染、保持良好的空氣環(huán)境具有積極的意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

銅山華潤(rùn)電力2×1000MW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)機(jī)組，配置上海鍋爐廠制造的SG-3044/27.46-M53x超超臨界參數(shù)、直流爐、單爐膛、一次再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)、切圓燃燒方式塔式鍋爐。機(jī)組脫硝方式采用鍋爐低氮燃燒技術(shù)和選擇性催化還原法（SCR）脫硝技術(shù)。

1.1 低NOx同軸燃燒系統(tǒng)（LNTFS）

燃燒方式采用低NOx同軸燃燒系統(tǒng)，煤粉燃燒器為四角布置、切向燃燒、擺動(dòng)式燃燒器，通過(guò)分析煤粉燃燒時(shí)NOx的生成機(jī)理，建立早期著火和使用控制氧量的燃料/空氣分段燃燒技術(shù)，分層布置噴嘴和二次風(fēng)，減少揮發(fā)份氮轉(zhuǎn)化成NOx，達(dá)到有效降低NOx產(chǎn)生的目的。系統(tǒng)主要組件為：緊湊級(jí)燃盡風(fēng)（CCOFA）；可水平擺動(dòng)的分離燃盡風(fēng)（SOFA）；預(yù)置水平擺角的輔助風(fēng)噴嘴（CFS）；強(qiáng)化著火（EI）煤粉噴嘴。

煤粉燃燒器采用典型的LNTFS燃燒器布置，一共設(shè)有12層煤粉噴嘴，在煤粉噴嘴四周布置有燃料風(fēng)（周界風(fēng)）。燃燒器風(fēng)箱分成獨(dú)立的3組，下面2組風(fēng)箱各有6層煤粉噴嘴，對(duì)應(yīng)3臺(tái)磨煤機(jī)，在每相鄰2層煤粉噴嘴之間布置有1層燃油輔助風(fēng)噴嘴。每相鄰2層煤粉噴嘴的上方布置了1個(gè)組合噴嘴，其中預(yù)置水平偏角的輔助風(fēng)噴嘴（CFS）和直吹風(fēng)噴嘴各占約50%出口流通面積。該系統(tǒng)采用6臺(tái)直吹式中速磨煤機(jī)，容量的選擇使得在任何負(fù)荷情況下至少有一臺(tái)磨煤機(jī)處于備用狀態(tài)。每臺(tái)磨煤機(jī)對(duì)應(yīng)提供2層燃燒器所需的煤粉。磨煤機(jī)出口的4根煤粉管道在燃燒器前通過(guò)一個(gè)1分2的分配器，分成8根煤粉管道，進(jìn)入4個(gè)角燃燒器的2層煤粉噴嘴中。

圖1 煤粉燃燒器詳圖

1.2 選擇性催化還原法（SCR）脫硝技術(shù)

脫硝工藝采用選擇性催化還原法（SCR）的方式，SCR工藝系統(tǒng)主要包括：催化劑及其反應(yīng)器、氨儲(chǔ)存系統(tǒng)、氨噴射系統(tǒng)、脫硝公用系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等。

SCR還原劑采用液氨，催化劑是以氧化鈦為基體，其結(jié)構(gòu)型式采用板式，催化劑安裝在一個(gè)固定反應(yīng)器的箱體內(nèi)，采用2+1層布置。

脫硝裝置安裝在省煤器至空預(yù)器的區(qū)段，能夠保證對(duì)兩臺(tái)機(jī)組進(jìn)行100%煙氣量進(jìn)行脫硝處理。在鍋爐燃用設(shè)計(jì)煤種50%BMCR～100%BMCR工況下、煙氣溫度在320～420℃范圍內(nèi)時(shí)，處理煙氣量時(shí)的保證脫硝效率不小于70%（入口煙氣NOx含量350mg/Nm3）。

SCR系統(tǒng)包括：煙氣系統(tǒng)、SCR反應(yīng)器和催化劑、空氣預(yù)熱器系統(tǒng)以及相應(yīng)的煙風(fēng)道系統(tǒng)、催化劑的吹灰系統(tǒng)、氨的空氣稀釋和加注系統(tǒng)、煙氣取樣系統(tǒng)。SCR系統(tǒng)反應(yīng)器本體是實(shí)現(xiàn)還原反應(yīng)場(chǎng)所，在SCR區(qū)將氨氣與空氣混合后注入SCR反應(yīng)器進(jìn)口煙道，與煙氣充分混合后，氨作為還原劑在催化劑的作用下與氧化氮反應(yīng)生成水和氮?dú)?，使得SCR出口氧化氮濃度降到規(guī)定值。

圖2 SCR系統(tǒng)流程圖

2 影響NOx排放因素分析

2.1 配風(fēng)方式對(duì)NOx排放的影響

低NOx同軸燃燒器通過(guò)在爐膛的不同高度布置CCOFA和SOFA風(fēng)檔板，將爐膛分成三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分：初始燃燒區(qū)，NOx還原區(qū)和燃料燃盡區(qū)。

機(jī)組正常運(yùn)行中應(yīng)盡量使用倒寶塔式配風(fēng)，開(kāi)大上層CCOFA和SOFA風(fēng)檔板，關(guān)小下層輔助風(fēng)及燃料風(fēng)檔板，使初始燃燒區(qū)下層一次風(fēng)所攜帶的煤粉處在缺氧條件下燃燒，缺氧燃燒時(shí)煤粉的燃燒速度和溫度均會(huì)降低，能夠有效的減少熱力型NOx的生成[1]。同時(shí)，燃料中釋放的含氮中間產(chǎn)物HCN、NH3等會(huì)將NO分解成N2，可以有效抑制燃料型NOx的生成。

通過(guò)在燃料燃盡區(qū)內(nèi)保持煤粉富氧燃燒，會(huì)有一部分殘留的氮被氧化成NOx，因殘留量較低且火焰溫度較低，熱力型NOx生成量較少，未燃盡的煤粉和可燃?xì)怏w可以得到有效燃盡，亦可降低鍋爐爐渣可燃物含量[2]。表1為機(jī)組正常運(yùn)行中，調(diào)整配風(fēng)方式對(duì)NOx生成量的對(duì)比。

表1 調(diào)整配風(fēng)方式對(duì)NOx生成量的對(duì)比

由表1可以看出，此種配風(fēng)方式對(duì)降低NOx排放量效果明顯，故機(jī)組正常運(yùn)行中，應(yīng)盡量開(kāi)大上層CCOFA和SOFA風(fēng)檔板運(yùn)行。因開(kāi)大此擋板對(duì)風(fēng)箱爐膛差壓影響很小，故不會(huì)影響鍋爐燃燒穩(wěn)定性。

2.2 過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)NOx排放的影響

通過(guò)過(guò)量空氣系數(shù)的調(diào)整與控制是降低NOx排放濃度的有效措施，低氧燃燒可以降低爐膛燃燒溫度，有效抑制并還原NOx。但若過(guò)度低氧燃燒，會(huì)使煤粉燃盡率降低，鍋爐燃燒穩(wěn)定性降低，造成煤粉燃燒效率的降低，進(jìn)而降低鍋爐效率[3,6]。所以在鍋爐正常運(yùn)行調(diào)整中，根據(jù)不同的煤質(zhì)情況，應(yīng)維持合理的過(guò)?？諝庀禂?shù)。

低NOx同軸燃燒器每個(gè)區(qū)域的過(guò)量空氣系數(shù)由三個(gè)因素控制：總的OFA風(fēng)量，CCOFA和SOFA風(fēng)量的分配以及總的過(guò)量空氣系數(shù)?？諝夥旨?jí)方法通過(guò)優(yōu)化每個(gè)區(qū)域的過(guò)量空氣系數(shù)，有效降低NOx排放的同時(shí)能最大限度地提高燃燒效率。表2為機(jī)組負(fù)荷800MW，煤量300t/h穩(wěn)定運(yùn)行，降低氧量運(yùn)行時(shí)NOx排放對(duì)比。

表2 改變氧量對(duì)NOx排放影響

機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)鍋爐負(fù)荷小于650MW時(shí)，因鍋爐穩(wěn)燃要求，一般維持氧量偏高運(yùn)行，容易造成NOx排放量超標(biāo)，造成噴氨流量增大，使SCR運(yùn)行成本增加。此時(shí)應(yīng)通過(guò)提高磨組出口溫度、調(diào)整風(fēng)門擋板使?fàn)t膛燃燒集中等方式穩(wěn)定燃燒，進(jìn)而可以進(jìn)一步降低氧量運(yùn)行，控制NOx排放正常。

2.3 磨組運(yùn)行方式對(duì)NOx排放的影響

機(jī)組運(yùn)行時(shí)保持鍋爐負(fù)荷在800MW穩(wěn)定運(yùn)行，過(guò)量空氣系數(shù)和配風(fēng)方式等參數(shù)不變，通過(guò)不同的磨組運(yùn)行方式進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 磨組運(yùn)行方式對(duì)NOx排放影響

由表3可以看出，底層磨組運(yùn)行時(shí)NOx的排放量要比上層磨組運(yùn)行時(shí)要低，主要原因在于當(dāng)上層磨組運(yùn)行時(shí)，高溫區(qū)域沿爐膛高度方向比較長(zhǎng)，熱力型NOx的生成量會(huì)增加，下層磨組運(yùn)行時(shí)，高溫區(qū)域沿爐膛高度方向比較短，可以減少熱力型NOx的生成。故在機(jī)組運(yùn)行中，應(yīng)盡量保持下層磨組運(yùn)行，以降低NOx的生成[4,5]。但下層磨組運(yùn)行時(shí)，火焰中心相應(yīng)下移，主再熱汽溫會(huì)相應(yīng)下降，應(yīng)通過(guò)提高燃燒器擺動(dòng)噴嘴、提高過(guò)熱度等方式調(diào)整，保證主再熱汽溫在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行值。

3 提高SCR效率措施

3.1 提高煙氣溫度

根據(jù)SCR反應(yīng)原理4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O，NO+NO2+2NH2→2N2+3H2O，催化劑以氧化鈦為基體時(shí)，一般當(dāng)煙氣在320～420℃范圍內(nèi)，催化劑在此溫度范圍內(nèi)才具有活性。機(jī)組正常運(yùn)行中，當(dāng)SCR進(jìn)口煙氣溫度達(dá)到320℃時(shí)，集控運(yùn)行人員即投入噴氨系統(tǒng)，進(jìn)行脫硝的正常運(yùn)行。

根據(jù)環(huán)保要求，在保證SCR出口NOx含量低于65mg/Nm3的前提下，通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)氨調(diào)節(jié)閥，使得SCR脫硝效率大于60%，通?？刂圃?5%～85%范圍內(nèi)。確定能保證催化劑性能的煙氣溫度要求大于320℃，不允許在320℃以下運(yùn)行。為延長(zhǎng)催化劑壽命，運(yùn)行中一般控制煙氣長(zhǎng)期最低溫度為320℃，短期運(yùn)行最低溫度為300℃，短期運(yùn)行最長(zhǎng)時(shí)間為5小時(shí)，需要相同時(shí)間（5小時(shí)在325℃以上）恢復(fù)催化劑活性。

當(dāng)機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間在低負(fù)荷（500MW左右）運(yùn)行時(shí)，爐膛內(nèi)部熱負(fù)荷低使SCR煙氣入口溫度下降。脫硝考核標(biāo)準(zhǔn)要求機(jī)組負(fù)荷在500MW以上必須投入脫硝運(yùn)行。故機(jī)組負(fù)荷低時(shí)應(yīng)通過(guò)提高磨組出口溫度、提高一二次風(fēng)溫度等措施，提高爐膛溫度，使煙氣溫度滿足SCR最佳工作工況。

3.2 穩(wěn)定SCR供氨壓力及溫度

機(jī)組運(yùn)行中，應(yīng)保持供氨壓力及溫度穩(wěn)定，供氨壓力波動(dòng)會(huì)改變供氨流量，進(jìn)而影響SCR出口排放量。供氨壓力上升，會(huì)造成氨用量的浪費(fèi)，供氨壓力下降，會(huì)造成SCR出口NOx排放量超標(biāo)。機(jī)組運(yùn)行中供氨壓力應(yīng)盡可能維持在0.3MPa穩(wěn)定，超出0.27～0.33MPa時(shí)及時(shí)調(diào)整。

運(yùn)行中應(yīng)保證氨站汽化器加熱汽源壓力溫度穩(wěn)定，特別當(dāng)冬天外界汽溫低時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)供氨系統(tǒng)的檢查，防止出現(xiàn)供氨管路或儀表上凍，引起供氨壓力下降或失去監(jiān)視。

3.3 加強(qiáng)SCR吹灰

SCR吹灰設(shè)計(jì)要求每月一次或兩次，以便保持較高的催化劑表面清潔度，吹灰汽源取自機(jī)組一再進(jìn)口蒸汽，吹灰時(shí)采取單支逐個(gè)方式，以保證吹灰效果。實(shí)際機(jī)組運(yùn)行中，可適當(dāng)提高吹灰頻率，維持每周一次SCR吹灰，吹灰時(shí)應(yīng)保證吹灰壓力不低于1.2MPa，以保證吹灰效果。SCR吹灰后應(yīng)及時(shí)投入空預(yù)器吹灰，保證空預(yù)器受熱面清潔。