W型鍋爐全過程氮氧化物控制技術研究及應用

范煥霞，暢曉峰

（1.陽城國際發(fā)電有限責任公司，山西 晉城 048102；2.大唐電力燃料有限公司陜西代表處，陜西 西安 710075）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟增長及電力工業(yè)的快速發(fā)展，燃煤電廠產(chǎn)生的NOx污染物總量大幅增加[1-2]。為緩解NOx造成的大氣污染問題，2013年9月10日國務院出臺《大氣污染防治行動計劃》（國發(fā)〔2013〕37號）（簡稱《大氣十條》），山西省也在2014年、2015年先后出臺了《山西省人民政府辦公廳關于推進全省燃煤發(fā)電機組超低排放的實施意見》（晉政辦發(fā)〔2014〕62號）、《山西省現(xiàn)役燃煤發(fā)電機組超低排放改造提速三年推進計劃》（晉經(jīng)信電力字〔2015〕77號），這些文件對區(qū)域內(nèi)燃煤機組煙氣達標排放提出了明確的時間和要求。

W型火焰鍋爐需在爐膛區(qū)域維持較高的燃燒溫度以解決無煙煤難著火及難燃燼的問題[3]，正常運行時，火焰中心溫度通常高達1600℃以上，爐內(nèi)生成的氮氧化物質(zhì)量濃度高達1000～1300 mg/m3，比常規(guī)煤粉爐內(nèi)生成的氮氧化物質(zhì)量濃度500～700 mg/m3高出較多。因此，W型火焰鍋爐實現(xiàn)超低排放的難度更大[4-7]。針對這一問題，開展了燃燒前、中、后全過程控制技術的研究，充分利用精細化煤種摻配、低NOx燃燒技術、選擇性非催化還原 SNCR（selective non-catalytic reduction） +選擇性催化還原SCR（Selective Catalytic Reduction） 煙氣脫硝技術，實現(xiàn)了8臺W型火焰鍋爐超低排放的目標，為國內(nèi)同類型機組超低排放改造提供了良好的借鑒經(jīng)驗。

1 煤粉爐氮氧化物生成機理

在煤粉燃燒的過程中，NOx的生成量與燃燒的溫度和燃燒區(qū)的過量空氣系數(shù)密切相關，根據(jù)其形成的條件不同大致可以分為燃料型、熱力型、快速型三大類[8]。

燃料型NOx是燃燒原料中含有的氮化合物在燃燒過程中發(fā)生熱分解，并進一步氧化而生成的，同時還存在NO的還原反應。燃煤鍋爐中產(chǎn)生的NOx大約70%～80%是燃料型NOx，其生成和還原，與煤種特性、煤中氮化合物存在狀態(tài)、燃燒中氧濃度、燃燒溫度等因素密切相關。一般情況下，燃料型NOx的主要來源是揮發(fā)分N，其占燃料型NOx總量的60%～80%，其余為焦炭N所形成。在氧化性環(huán)境中生成的NOx遇到還原性氣氛時，會還原成N2。因此，鍋爐燃燒最初生成的NOx，并不等于其排放濃度，而隨著燃燒條件的改變，生成的NOx可能被還原或被破壞。燃料中N在燃燒過程中轉(zhuǎn)化為NOx的量與煤的揮發(fā)分及燃燒過量空氣系數(shù)有關。

熱力型NOx是由空氣中的N2與O2在燃料燃燒時所形成的高溫環(huán)境下反應生成的NO和NO2總和。熱力型NOx反應發(fā)生的必要條件是高溫，溫度對熱力型NOx生成速率的影響成指數(shù)函數(shù)關系。在1350℃時，熱力型NOx的生成量很小，隨著溫度的升高，NOx的生成量迅速增加，當溫度達到1600℃時，熱力型NOx的生成量占到爐內(nèi)NOx生成量的25%～30%。而影響熱力型NOx生成的另一個因素是反應環(huán)境中的氧濃度，NOx生成速率與氧濃度的平方根成正比。

快速型NOx主要是由燃料中的CH原子團撞擊N2，產(chǎn)生CN化合物，并與O2進一步反應產(chǎn)生的，由于反應過程較快，故稱之為快速型。快速型NOx在燃煤鍋爐中占很少比例。

圖1 雙旋風筒燃燒器及其配風裝置

2 全過程NOx控制技術措施

燃煤電站鍋爐NOx控制技術主要包括低NOx燃燒技術和SCR技術，但是，W型鍋爐的NOx生成量（1000～1300 mg/m3）遠超其他爐型，僅通過常規(guī)NOx控制技術無法實現(xiàn)超低排放的目標。為此，電廠提出了精細化煤種摻配、燃燒優(yōu)化調(diào)整（低NOx燃燒技術）、SNCR+SCR催化還原技術相結合的全過程NOx控制技術方案。

2.1 精細化煤種摻配

W型鍋爐原設計采用煤粉濃淡兩相分離、分級送風，設計有乏氣擋板以調(diào)節(jié)主配口煤粉濃度，另外每個燃燒器配有6個二次風擋板，詳情如圖1所示。

現(xiàn)階段，W型鍋爐低NOx燃燒器技術尚不成熟，改造后的效果良莠不齊。因此，電廠未選擇低NOx燃燒器改造的技術路線，而是結合精細化煤種摻配，并進行細致的燃燒優(yōu)化調(diào)整工作。實際運行中，通過調(diào)整燃燒器旋流強度、燃燒器配風方式和煤粉細度等關鍵因素，使得主燃燒區(qū)的火焰溫度和O2濃度均得以降低，控制了部分NOx的生成，對精細化煤種摻配起到了很好的輔助作用。

為有效降低爐膛內(nèi)的燃燒火焰溫度及燃燒區(qū)過量空氣系數(shù)，采用了精細化煤種摻配的控制手段，從而抑制了部分燃料型NOx和熱力型NOx的生成。電廠采用摻配煙煤、增加爐膛吸熱量等手段（去除部分受熱面耙釘）降低爐膛溫度，使熱力型氮氧化物的生成量相應降低。在無煙煤中摻配一定比例的煙煤，利用不同煤種燃燒特性的較大差異，優(yōu)化燃燒組織，提高燃燒穩(wěn)定性和燃燒效率，降低NOx生成量。利用煙煤揮發(fā)分高、活化能小、著火點低的特性，與氧氣快速反應，達到著火點，形成第一級燃燒；利用第一級燃燒形成的高溫煙氣，裹挾無煙煤粉，克服無煙煤揮發(fā)分低、活化能大、著火點高、不易燃燒的缺點，幫助點燃無煙煤粉，形成第二級燃燒。利用兩級燃燒技術，合理組織燃燒，確保第一級燃燒對第二級燃燒的促進作用，延長火焰行程，提高爐膛火焰充滿度，降低火焰中心峰值溫度，以降低飛灰可燃物和NOx生成量。另外，去除下爐膛受熱面的部分耙釘，增加了水冷壁的吸熱量，降低了爐膛溫度，氮氧化物生成量也相應降低。在綜合統(tǒng)籌電量、負荷、煤價（周邊市場環(huán)境）、煤耗、油耗、環(huán)保運行成本等多方面要素的前提下，先后進行了摻燒煤種、摻燒方式、摻燒比例等多方面的試驗，通過對大量摻燒試驗數(shù)據(jù)進行篩選，選取典型、有效數(shù)據(jù)進行邏輯分析后總結出一套深度配煤摻燒技術方案，得到了綜合效益最大化的摻燒配比。隨著摻配煤質(zhì)揮發(fā)分含量的升高，爐膛出口NOx生成量呈逐漸降低的趨勢，從而實現(xiàn)了從源頭控制NOx生成的目的。詳情見圖2。

目前，依據(jù)“負荷—煤質(zhì)（發(fā)熱量、硫分、揮發(fā)分等）”曲線及時調(diào)整摻配比例，在保證安全、環(huán)保的前提下，加大經(jīng)濟煤種的比例。實際運行中，無煙煤與摻配煤種比例已穩(wěn)定在50%左右，入爐煤揮發(fā)分穩(wěn)定在18%～20%，有效減少了NOx生成量，對W型火焰鍋爐實現(xiàn)超低排放起到了至關重要的作用。目前，在機組75%負荷時，入爐煤低位熱值低至19235 kJ/kg，比設計值降低4972 kJ/kg，干燥無灰基揮發(fā)分保持在16%～20%，比設計值升高8.86%～12.86%，干燥基硫分放寬到2.0%。入爐煤揮發(fā)分由14%提升至20%。

圖2 NOx排放與入爐煤揮發(fā)分的關系

2.2 SNCR脫硝控制措施

在采用精細化煤種摻配和燃燒優(yōu)化調(diào)整措施后，W型鍋爐出口的NOx質(zhì)量濃度仍維持在較高的水平（約900～1100 mg/m3）。為此，電廠目前采用高效SNCR脫硝技術對煙氣進行一級NOx脫除。SNCR是目前主要的煙氣脫硝技術之一，其實質(zhì)是在無催化劑作用情況下，在爐膛850～1100℃這一溫度范圍內(nèi)，均勻地噴入NH3或尿素等氨基還原劑，還原劑迅速分解，可選擇性地還原煙氣中的NOx，生成N2和H2O，脫除效率可達40%左右。

電廠選取尿素作為SNCR系統(tǒng)還原劑，SNCR系統(tǒng)包括：尿素溶液制備和存儲系統(tǒng)、混合與分配模塊、噴射系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。尿素溶液儲存系統(tǒng)按單元設置，總儲存容量按照不小于2臺鍋爐SNCR裝置滿足鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量BMCR（Boiler maximum continuous rating） 工況下5 h的總消耗量來設計。從存儲系統(tǒng)來的尿素溶液和稀釋水在混合與分配模塊中，還原劑以一定的數(shù)量和稀釋水混合，并分成若干等份，壓縮空氣也被送至混合與分配模塊，均勻地分配到各支噴槍。SNCR系統(tǒng)配置20個溶液混合與分配模塊和12個壓縮空氣分配模塊，混合與分配模塊都就近布置在噴射系統(tǒng)附近鍋爐平臺上。SNCR噴槍設置在鍋爐屏過折焰角區(qū)域，前墻4層，后墻2層，每層12支，兩側(cè)對稱布置，每臺鍋爐共72支噴槍。根據(jù)鍋爐負荷及爐膛溫度，系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)噴射的層級。噴槍采用特制壓縮空氣霧化的雙流體噴槍，可將尿素溶液霧化成極細的分布均勻的液滴，并安裝有保護和吹掃套管，以防噴嘴堵塞和飛灰侵蝕。噴槍套筒采用獨立的冷卻空氣進行冷卻，每臺鍋爐設置2臺吹掃風機，1運1備。

采用SNCR技術后，在15%負荷時爐膛溫度即可達到1000℃以上，滿足了SNCR系統(tǒng)的投運溫度（爐溫大于850℃），即可投運SNCR系統(tǒng)。SNCR系統(tǒng)投運后，總排口NOx可控制在50 mg/m3以下，基本實現(xiàn)了啟動過程中氮氧化物的全負荷超低控制。

SNCR脫硝系統(tǒng)投運后，爐膛出口NOx濃度可降低40%左右，在其后部設置SCR脫硝系統(tǒng)進行二級煙氣NOx脫除，達到國家超低排放要求。

2.3 SCR脫硝控制技術

國際日趨嚴格的NOx排放控制法規(guī)，促使NOx控制技術的研究得到了前所未有的發(fā)展。選擇性催化還原法（SCR） 具有很高的NOx脫除率，雖然它的投資和運行費用較高，但仍是目前應用最廣泛的一種煙氣脫硝工藝。根據(jù)不同種類催化劑的適宜工作溫度范圍，SCR可分為高溫（345～590℃） 工藝、中溫（260～380℃） 工藝和低溫（80～300℃） 工藝。

電廠選取高溫SCR脫硝裝置，安裝于鍋爐省煤器和空氣預熱器之間的煙道上，在此溫度段催化劑有足夠的活性。缺點是這里的煙氣尚未經(jīng)過除塵，飛灰顆粒對催化劑的沖蝕較厲害，飛灰中的有害物質(zhì)，特別是砷（As）氧化物對催化劑的活性損害會比較大。又由于催化劑處于高溫煙氣中，煙溫受上游燃燒設備的直接影響，溫度過高會使催化劑燒結失活，容易造成催化劑壽命縮短。

SCR脫硝工藝：NH3通過固定于氨噴射格柵上的噴嘴噴入煙氣中，與煙氣混合均勻后一起進入填充有催化劑的脫硝反應器，NOx與NH3在催化劑的作用下發(fā)生還原反應。氨噴射裝置是SCR的一個十分重要的設備，一般電廠選用噴嘴加靜態(tài)混合器裝置，噴嘴數(shù)量相對較少，主要通過噴嘴上部的靜態(tài)混合器對煙氣流場的擾動來保證混合的均勻性。SCR系統(tǒng)改造后，可脫除總煙氣中約55%以上的NOx，結合SNCR系統(tǒng)，煙氣中95%以上的NOx可被順利脫除，從而實現(xiàn)超低排放的目標。

2.4 全過程NOx控制技術運行效果

經(jīng)過幾年不斷的技術改造和運行優(yōu)化調(diào)整，目前電廠8臺W型鍋爐已全部實施精細化煤種摻配、燃燒優(yōu)化調(diào)整（低NOx燃燒）、SNCR+SCR催化還原技術相結合的全過程NOx控制技術。改造后機組NOx排放結果如下：機組運行在60%～90%汽輪機額定功率工況（Turbine heat acceptance，THA） 之間時，煙氣脫硫 （Flue Gas Desulphurization，F(xiàn)GD）出口NOx實際排放質(zhì)量濃度可維持在10～60 mg/m3之間，平均排放質(zhì)量濃度約35 mg/m3，滿足國家電站鍋爐超低排放標準要求限值。

3 結論

電廠為降低W型鍋爐NOx排放，滿足國家電站鍋爐超低排放標準的限值要求，實施了包括精細化煤種摻配、燃燒優(yōu)化調(diào)整（低NOx燃燒技術）、SNCR+SCR催化還原技術相結合的全過程NOx控制技術方案。經(jīng)過幾年不斷的技術改造和運行優(yōu)化調(diào)整，得到了較好的實際效果和工程經(jīng)驗。

采用SNCR技術后，在15%負荷時爐膛溫度即可達到在1000℃以上，滿足了SNCR系統(tǒng)的投運溫度（爐溫大于850℃）要求，可先投運SNCR系統(tǒng)。SNCR系統(tǒng)投運后，總排口NOx可控制在50 mg/m3以下。隨著鍋爐負荷的升高，SCR入口煙溫逐漸升高，機組負荷至45%時，空預入口煙溫達到320℃以上，滿足SCR投運溫度要求。此時雖然鍋爐氮氧化物生成量相應增加但由于及時投運SCR系統(tǒng)，在SNCR和SCR的控制下總排口氮氧化物依然可以控制在50 mg/m3以下，達到了超低排放要求。

a）通過精細化配煤摻燒和燃燒調(diào)整，提高入爐煤揮發(fā)分、降低熱值、調(diào)整煤粉旋流強度和分級配風方式等，有效降低了爐膛出口NOx生成總量約200 mg/m3，起到從源頭控制NOx排放的目的。

b）采取了SNCR與SCR聯(lián)合煙氣后處理技術，其中，SNCR系統(tǒng)的NOx脫除效率約為40%，SCR系統(tǒng)的NOx脫除效率約為55%（按爐膛出口總NOx含量計算）。

c） 實施全過程NOx控制技術改造后，當機組負荷在15%～90%THA之間變化時，F(xiàn)GD出口NOx實際排放質(zhì)量濃度可維持在10～60 mg/m3之間，平均排放質(zhì)量濃度約35 mg/m3，滿足國家電站鍋爐超低排放標準要求限值。

針對W型鍋爐的全過程NOx控制技術經(jīng)過電廠8臺鍋爐的實踐，充分說明其適用性，運行效果滿足國家電站鍋爐超低排放標準要求，對國內(nèi)同類型機組的改造具有非常好的借鑒意義。