9E燃?xì)廨啓C(jī)DLN1.0燃燒系統(tǒng)超低排放改造研究

洪亞光

(江蘇華電吳江熱電有限公司， 江蘇蘇州 215221)

伴隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國火電機(jī)組裝機(jī)容量顯著增加，大氣污染物排放量快速增長，其中氮氧化物(NOx)作為主要排放物之一引起各方重視。GB 13223—2011 《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中對火電機(jī)組NOx排放質(zhì)量濃度做出如下規(guī)定：燃煤機(jī)組排放質(zhì)量濃度限額為100 mg/m3，燃?xì)鈾C(jī)組排放質(zhì)量濃度限額為50 mg/m3 [1]。

隨著國家對環(huán)保的進(jìn)一步重視，各地對節(jié)能減排工作的不斷深入，越來越嚴(yán)格的電力排放標(biāo)準(zhǔn)相繼出臺。2018年4月，深圳市要求NOx排放質(zhì)量濃度不高于15 mg/m3。2019年6月，江蘇省印發(fā)《固定式燃?xì)廨啓C(jī)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(征求意見稿)，要求現(xiàn)有燃?xì)鈾C(jī)組NOx排放質(zhì)量濃度不高于15 mg/m3，新建機(jī)組不高于10 mg/m3。

9E燃?xì)廨啓C(jī)大多采用干式低氮(DLN1.0)燃燒技術(shù)實現(xiàn)低NOx預(yù)混燃燒，但實際的NOx排放質(zhì)量濃度仍處于20～50 mg/m3，無法滿足最新環(huán)保要求。目前，控制燃?xì)廨啓C(jī)NOx排放的措施大致分為低NOx燃燒技術(shù)升級或新增脫硝裝置兩類。最具代表性的低NOx燃燒技術(shù)升級為DLN1.0+升級改造，深圳9E燃?xì)廨啓C(jī)電廠大多采用此方案。新增脫硝裝置大多應(yīng)用于F、H級與其他等級燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組。筆者基于9E燃?xì)廨啓C(jī)DLN1.0燃燒室實際情況，對其超低排放改造主要技術(shù)方案進(jìn)行分析研究，為國內(nèi)電廠后期改造提供參考依據(jù)。

1 DLN1.0燃燒系統(tǒng)概況

1.1 DLN1.0工作原理

燃?xì)廨啓C(jī)一般是以天然氣為燃料，天然氣在燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室中燃燒，燃燒過程中產(chǎn)生的NOx主要為熱力型。在燃燒過程中NOx的生成量與燃燒方式，特別是燃燒溫度和過量空氣系數(shù)等燃燒條件有關(guān)。基于上述特點，各類低氮燃燒器被相繼開發(fā)。DLN技術(shù)的關(guān)鍵在于預(yù)混燃燒，即在燃料燃燒前，燃料與空氣充分混合，隨后進(jìn)入燃燒火焰區(qū)點燃。這種通過增加火焰鋒面空燃比的燃燒方式有效降低了燃燒室內(nèi)部的火焰溫度，進(jìn)而抑制熱力型NOx的產(chǎn)生[2]。

1.2 DLN1.0燃燒室結(jié)構(gòu)

9E燃?xì)廨啓C(jī)配備的DLN1.0燃燒室主要由噴嘴端蓋、一級燃料噴嘴組件、二級燃料噴嘴組件、導(dǎo)流襯套、火焰筒、過渡段組成[3]。圖1為燃燒室剖面結(jié)構(gòu)圖。其中，二級燃料噴嘴組件包含二級燃料噴嘴和切換噴嘴。燃燒區(qū)沿軸向劃分為一區(qū)燃燒室和二區(qū)燃燒室。一級燃料噴嘴組件端部、火焰筒內(nèi)對應(yīng)二級燃料噴嘴處均布置旋流器，與火焰筒內(nèi)文丘里組件一同實現(xiàn)燃料與助燃空氣的充分混合。通過合理地分配進(jìn)入一、二級燃料噴嘴的燃料量，在一區(qū)燃燒室內(nèi)預(yù)混的燃料與空氣經(jīng)進(jìn)一步混合后進(jìn)入二區(qū)燃燒室，被高溫火焰點燃，燃燒后的高溫?zé)煔庠诳諝庀♂屪饔孟逻M(jìn)入透平做功。

圖1 DLN1.0燃燒室剖面結(jié)構(gòu)圖

2 超低排放改造

根據(jù)DLN1.0實際運(yùn)行情況，在基本負(fù)荷時，其NOx排放質(zhì)量濃度一般低于30 mg/m3，遠(yuǎn)低于國家現(xiàn)行50 mg/m3排放標(biāo)準(zhǔn)，但無法滿足15 mg/m3排放要求，因此，需要進(jìn)一步進(jìn)行超低排放改造。針對DLN1.0燃燒系統(tǒng)的超低排放改造，主流技術(shù)方案有兩種：一種是OEM廠商提供的燃燒系統(tǒng)升級；另一種是在余熱鍋爐流道內(nèi)部加裝脫硝裝置。通過對兩種技術(shù)方案進(jìn)行研究分析和對比，為后期改造方案的選擇提供依據(jù)。

2.1 燃燒系統(tǒng)升級改造

針對更高標(biāo)準(zhǔn)的NOx排放要求，GE公司借鑒60 Hz的7E燃?xì)廨啓C(jī)上設(shè)計的DLN1.0+燃燒技術(shù)并將其應(yīng)用于50 Hz的9E DLN1.0機(jī)組上，研發(fā)出適用于9E燃?xì)廨啓C(jī)的DLN1.0+燃燒系統(tǒng)。DLN1.0+燃燒系統(tǒng)是在DLN1.0燃燒系統(tǒng)基礎(chǔ)上根據(jù)優(yōu)化的燃燒模式重新設(shè)計而成，在設(shè)計上滿足10～15 mg/m3NOx排放質(zhì)量濃度，同時將燃燒系統(tǒng)的檢修周期拓展到32 000 h或1 300次啟停。

2.1.1 升級改造范圍

DLN1.0+燃燒系統(tǒng)對原有燃燒系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行同步改造。硬件改造包括采用以下新型部件：端部由螺紋連接改為密封程度更優(yōu)的螺栓連接的一級噴嘴(見圖2)；改進(jìn)整體式密封和空氣通道的新型無法蘭連接的二級燃料噴嘴；帶有完全機(jī)加工的螺栓連接式端蓋，改進(jìn)的旋流器，鎳基合金(Nimonic)和帶C級熱障涂層的新型火焰筒；新型火焰筒襯套；帶C級熱障涂層的新整體裝配式過渡段(見圖3)及相關(guān)安裝硬件；帶C級熱障涂層的新型聯(lián)焰管。這些改進(jìn)一方面通過流場改善優(yōu)化燃燒，主要為二級燃料噴嘴將主燃料通道與空氣流路交換，并設(shè)置節(jié)流孔，優(yōu)化空燃比，結(jié)合火焰筒預(yù)混孔分布的改變實現(xiàn)燃料和空氣充分預(yù)混從而進(jìn)一步降低NOx排放量；另一方面通過采用更高強(qiáng)度的基體合金材料與耐熱性能更優(yōu)的涂層技術(shù)延長了部件壽命，顯著地延長了燃?xì)廨啓C(jī)的檢修周期。

圖2 DLN1.0+燃燒系統(tǒng)一級噴嘴

圖3 DLN1.0+燃燒系統(tǒng)過渡段

在控制邏輯上，DLN 1.0+燃燒系統(tǒng)升級范圍包括：(1)將原溫控線控制升級成先進(jìn)的參數(shù)修正控制(CPC)系統(tǒng)與新增燃燒室動態(tài)監(jiān)測(CDM)系統(tǒng)。兩者將硬件的安全邊界、排放情況、燃燒穩(wěn)定性等以參數(shù)化的形式制成一定的控制邏輯，燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行在參數(shù)化的各個邊界條件中，大幅度提高了燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行靈活性，更好地控制了排放。(2)新增自動恢復(fù)系統(tǒng)，可監(jiān)測異常燃燒，并將控制邏輯自動恢復(fù)至預(yù)混模式，避免基本負(fù)荷運(yùn)行中斷。

2.1.2 改造效果

表1為DLN1.0與DLN1.0+燃燒系統(tǒng)的對比。

表1 DLN1.0與1.0+燃燒系統(tǒng)對比

由表1可以看出：除了降低NOx排放質(zhì)量濃度，DLN1.0+燃燒系統(tǒng)還顯著地增加了燃燒室部件的檢修周期和壽命。若與先進(jìn)的熱通道升級(AGP)部件相搭配，可取消燃?xì)廨啓C(jī)小修，進(jìn)一步降低燃?xì)廨啓C(jī)電廠運(yùn)維成本。同時，CPC系統(tǒng)與CDM系統(tǒng)的引入將原有周期性、季節(jié)性被動燃燒調(diào)整轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂葡到y(tǒng)自行調(diào)節(jié)。一方面降低燃燒調(diào)整費(fèi)用，另一方面增加了燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行的靈活性與燃燒的穩(wěn)定性。某電廠改造后的排放測試與性能試驗結(jié)果表明，改造后NOx排放質(zhì)量濃度完全滿足15 mg/m3要求，經(jīng)修正，燃?xì)廨啓C(jī)功率增加0.34%，熱耗降低0.17%。

2.2 余熱鍋爐脫硝改造

對于燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，低NOx燃燒是對NOx產(chǎn)生的源頭進(jìn)行控制，在燃燒室中進(jìn)行。余熱鍋爐脫硝改造則是對產(chǎn)生的NOx進(jìn)行脫除，在鍋爐煙道中進(jìn)行，一般采用選擇性催化還原(SCR)脫硝技術(shù)。

2.2.1 SCR脫硝工藝流程

與燃煤機(jī)組相似，余熱鍋爐SCR脫硝即在催化劑作用下，SCR脫硝系統(tǒng)選擇性地使氨和氧與燃?xì)廨啓C(jī)煙氣中的NOx反應(yīng)，形成N2和水，從而降低NOx排放質(zhì)量濃度。

余熱鍋爐SCR脫硝裝置主要由煙氣與還原劑兩大系統(tǒng)構(gòu)成。其中，經(jīng)還原劑系統(tǒng)產(chǎn)生的稀釋氨氣通過噴氨柵格后，被均勻地噴入煙氣流道中進(jìn)行混合，隨后進(jìn)入催化劑模塊，氨氣在催化劑驅(qū)動下與煙氣中NOx發(fā)生還原反應(yīng)實現(xiàn)煙氣脫硝，脫硝煙氣流經(jīng)下游各級換熱面模塊后最終排入大氣。

2.2.2 系統(tǒng)流程及設(shè)備布置

針對9E燃?xì)廨啓C(jī)，典型的SCR脫硝裝置主要包括反應(yīng)器、催化劑、噴氨系統(tǒng)、還原劑儲存及制備系統(tǒng)，系統(tǒng)布置見圖4。

圖4 SCR脫硝系統(tǒng)布置

考慮催化劑活性溫度，反應(yīng)器一般布置于高壓蒸發(fā)器換熱面下游區(qū)域，反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行催化劑支撐及安裝導(dǎo)向布置。常規(guī)還原劑氨氣制備來源主要可分為液氨、氨水與尿素三種，此例為氨水制備。氨水原料通過輸送泵送入儲罐，儲罐中的氨水經(jīng)計量泵通過壓縮空氣霧化進(jìn)入蒸發(fā)混合裝置，與此同時，蒸發(fā)混合裝置抽取余熱鍋爐內(nèi)部分高溫?zé)煔鈱崿F(xiàn)氨水蒸發(fā)，形成氨氣送入噴氨格柵進(jìn)行脫硝反應(yīng)。

2.2.3 催化劑選擇

催化劑是SCR脫硝系統(tǒng)的核心部件[4]。燃?xì)廨啓C(jī)煙氣中NOx比例與燃煤機(jī)組存在區(qū)別，其NO2含量很高。在燃?xì)廨啓C(jī)實際運(yùn)行中，NO2含量約占煙氣中NOx含量的50%(體積分?jǐn)?shù))以上。高的NO2含量可以促進(jìn)SCR脫硝反應(yīng)，進(jìn)一步提高NOx的轉(zhuǎn)化率。同時，天然氣燃燒產(chǎn)生的煙氣成分中基本不含粉塵與SO2，可以有效避免催化劑堵塞與中毒的問題。此外，燃?xì)廨啓C(jī)排氣中NOx濃度遠(yuǎn)低于燃煤機(jī)組，加之燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷波動大，相應(yīng)溫度與煙氣NOx濃度變化梯度大，催化劑運(yùn)行工況不穩(wěn)定，催化劑工況適應(yīng)性需要得到保證。在余熱鍋爐空間布置上，空間較為狹窄，噴氨裝置一般布置于低溫段的尾部煙道，較低的煙氣溫度將會降低催化劑的活性，因此燃?xì)廨啓C(jī)催化劑必須具有較高的低溫活性。

2.3 方案對比

DLN1.0+燃燒系統(tǒng)通過對原燃燒系統(tǒng)軟硬件升級改造，無新增設(shè)備，保持系統(tǒng)一致性，燃?xì)廨啓C(jī)性能略有提高。采用最新技術(shù)燃燒部件能夠顯著拓展燃?xì)廨啓C(jī)檢修間隔，控制邏輯的更新提高了燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

DLN1.0+技術(shù)作為OEM公司推出的一種技術(shù)更新，對燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)國產(chǎn)化提出了極大的挑戰(zhàn)。由于引入時間早，技術(shù)成熟，9E燃?xì)廨啓C(jī)國內(nèi)市場化競爭激烈，較多的燃?xì)廨啓C(jī)電廠選擇與國內(nèi)第三方燃?xì)廨啓C(jī)服務(wù)公司簽訂長期協(xié)議或不簽長期協(xié)議實現(xiàn)開放競爭，E級燃?xì)廨啓C(jī)國內(nèi)技術(shù)水平得以快速發(fā)展。一旦進(jìn)行DLN1.0+升級改造，從某些方面考慮，電廠用戶后期將不得不進(jìn)行AGP升級改造，電廠后期的運(yùn)維成本大幅提高。與此同時，改造將引起原DLN1.0的高價值燃燒資本部件無法處置，大量固定資產(chǎn)閑置。

SCR脫硝改造由于需要在余熱鍋爐中新增加噴氨格柵和催化劑，會導(dǎo)致余熱鍋爐的阻力增加。新增阻力會導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)效率和聯(lián)合循環(huán)效率下降，造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。SCR脫硝系統(tǒng)存在氨逃逸、增加設(shè)備運(yùn)維工作量和增加運(yùn)維費(fèi)用、增加安全監(jiān)管工作量、需要考慮員工職業(yè)健康等諸多問題。同時，部分9E機(jī)組在原設(shè)計時并未預(yù)留SCR脫硝系統(tǒng)的安裝位置，一方面需要對余熱鍋爐換熱面進(jìn)行改造，另一方面需要選取高效催化劑，從而進(jìn)一步增加改造的投資與后期運(yùn)維費(fèi)用。

DLN1.0+升級改造、SCR脫硝改造這兩種方案的全面對比見表2。

表2 兩種技術(shù)方案對比

3 結(jié)語

9E燃?xì)廨啓C(jī)現(xiàn)有的DLN1.0燃燒系統(tǒng)NOx排放質(zhì)量濃度無法滿足15 mg/m3要求，DLN1.0+升級改造與SCR硝脫系統(tǒng)改造是兩種針對性的超低排放改造方案。DLN1.0+具有顯著的技術(shù)先進(jìn)性，有利于燃?xì)廨啓C(jī)安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，但不利于燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)國產(chǎn)化，改造與運(yùn)維費(fèi)用高昂。SCR脫硝改造對燃?xì)廨啓C(jī)效率有一定影響，新增設(shè)備將會帶來一些管理問題。兩種技術(shù)方案整體費(fèi)用較高，DLN1.0+升級改造主要在于初期改造與后期備件的采購，SCR脫硝系統(tǒng)改造在于后期催化劑更換將大幅增加燃?xì)廨啓C(jī)電廠經(jīng)營壓力。關(guān)于兩種改造方案的選擇，電廠應(yīng)結(jié)合實際情況進(jìn)行綜合考慮。