基于高硫煤燃燒的NOx排放控制優(yōu)化

段 寶， 范 龍

(國家電投集團電站運營技術(北京)有限公司西北分公司， 西安 710077)

隨著深入落實《煤電節(jié)能減排升級改造行動計劃》，目前絕大多數(shù)燃煤機組已接近“燃氣輪機組排放限值”，即煙塵、二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)的排放質(zhì)量濃度分別達到10 mg/m3、35 mg/m3、50 mg/m3的限值。

受煤炭市場供應的影響，部分電廠需要摻燒高硫煤。實際燃用煤的硫含量大幅升高后，一方面會造成脫硫系統(tǒng)出力和石灰石耗量的明顯增加，但因多數(shù)脫硫系統(tǒng)設計裕量較大，SO2排放質(zhì)量濃度在可控范圍內(nèi)；另一方面，在燃燒高硫煤時為防止水冷壁區(qū)域出現(xiàn)嚴重的高溫腐蝕和結渣，主要采取增加燃燒區(qū)風量的調(diào)整方式，這會使鍋爐爐膛出口即選擇性催化還原(SCR)脫硝系統(tǒng)入口的煙氣中NOx含量顯著升高，影響對SCR脫硝系統(tǒng)出口指標的控制，即出現(xiàn)了耗氨(NH3)量增加、NH3與NOx混合均勻性降低及NH3逃逸率升高等問題。同時，高硫煤燃燒產(chǎn)物中SO2含量的增加，一定程度上增加SCR脫硝反應器中SO2/三氧化硫(SO3)轉(zhuǎn)換率，也促進煙氣中硫酸銨或硫酸氫銨的生成，增加空氣預熱器等尾部煙道堵塞的風險，進而多方面影響到SCR脫硝系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行[1]。

筆者結合某350 MW超臨界燃煤鍋爐實際摻燒高硫煤的經(jīng)驗，對SCR脫硝系統(tǒng)運行參數(shù)進行分析，總結運行調(diào)整和控制經(jīng)驗。

1 鍋爐及SCR脫硝系統(tǒng)

該鍋爐采用DG1159/25.4-Ⅱ型超臨界參數(shù)變壓運行螺旋管圈直流爐，前后墻對沖燃燒方式，鍋爐主要參數(shù)見表1(BMCR工況為鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量工況，BRL工況為鍋爐額定工況)，文中的NOx排放質(zhì)量濃度均為折算到標準狀態(tài)下的數(shù)值。鍋爐煙氣脫硝采用SCR脫硝技術，液氨作為還原劑；催化劑層數(shù)按“2+1”模式布置，鍋爐已進行超低排放改造，SCR脫硝催化劑實際裝設3層。

表1 鍋爐主要技術參數(shù)

2 摻燒高硫煤后運行參數(shù)變化

鍋爐的設計煤種及燃用的低硫煤和高硫煤的煤種分析見表2。原先長期燃用較為接近設計煤種的低硫煤，鍋爐、SCR脫硝系統(tǒng)及脫硫系統(tǒng)均正常穩(wěn)定運行。摻燒質(zhì)量分數(shù)約為40%的高硫煤后，直接造成脫硫系統(tǒng)出力、石灰石耗量的增加；但因脫硫系統(tǒng)的設計裕量較大，脫硫系統(tǒng)出口的SO2質(zhì)量濃度在可控范圍內(nèi)。燃用高硫煤易使鍋爐水冷壁區(qū)域產(chǎn)生高溫腐蝕和結渣，可通過增加主燃區(qū)風量、調(diào)整制粉系統(tǒng)組合等燃燒配風方式有效控制該問題[2]；但燃用高硫煤易使鍋爐爐膛出口NOx質(zhì)量濃度升高，煙道中硫酸銨或硫酸氫銨的生成量增加，會對SCR脫硝系統(tǒng)出口NOx質(zhì)量濃度、SO2/SO3轉(zhuǎn)換率、NH3與NOx的混合效果、NH3逃逸率等關鍵指標的控制，以及SCR脫硝反應器本體和空氣預熱器等設備的安全穩(wěn)定運行產(chǎn)生較大影響。

表2 煤種分析 %

在BRL工況，鍋爐摻燒高硫煤前(燃用質(zhì)量分數(shù)為100%的低硫煤)、摻燒高硫煤后(燃用低硫煤與高硫煤的質(zhì)量比為6∶4)，SCR脫硝反應器主要參數(shù)對比見表3。

表3 摻燒高硫煤前后SCR脫硝反應器主要參數(shù)對比

3 運行參數(shù)變化分析

3.1 入口NOx質(zhì)量濃度和耗氨量增加

摻燒高硫煤后，為有效控制爐膛水冷壁區(qū)域的高溫腐蝕和結渣，采取的燃燒配風方式使鍋爐爐膛出口NOx質(zhì)量濃度明顯增加。典型表現(xiàn)為：爐膛出口過量空氣系數(shù)未有明顯改變，卻明顯增加爐膛主燃區(qū)風量，而減少用于控制鍋爐出口NOx質(zhì)量濃度的分級燃盡風量(未摻燒高硫煤前，主燃區(qū)風、燃盡風的質(zhì)量流量占比分別為75%、25%；摻燒高硫煤后，主燃區(qū)風、燃盡風的質(zhì)量流量占比分別為90%、10%)；增加鍋爐最上層運行磨煤機的煤量及提高一次風量的燃燒配風方式，使鍋爐燃燒區(qū)域處于相對“富氧性”，有利于控制爐膛水冷壁區(qū)域的高溫腐蝕和結渣，卻在一定程度上提高爐膛出口煙氣溫度，增強煤粉初始燃燒時與空氣的混合，加速燃料型NOx的生成，使SCR脫硝反應器入口NOx質(zhì)量濃度明顯增加，進而明顯增加液氨耗量(見表3)。

3.2 SO2/SO3轉(zhuǎn)換率增加

摻燒高硫煤后，SCR脫硝反應器入口和出口煙氣中SO2、SO3的體積分數(shù)均有明顯增加，這與煤中硫含量增加后的燃燒表現(xiàn)一致。SCR脫硝反應器的SO2/SO3轉(zhuǎn)換率略有增加，主要原因為：(1)煤中硫含量越高，煤燃燒階段SO2氧化生成的SO3越多；(2)為抑制水冷壁區(qū)域的高溫腐蝕和結渣問題而采取燃燒配風的方式，提高爐膛出口煙氣溫度，加劇煙氣中SO3的生成；(3)SCR脫硝催化劑是在原設計硫含量較低的情況下制定出V2O5、WO3等活性組分配比，而實際燃用高硫煤，催化劑中V2O5對SO2的催化氧化作用增強，使SO3生成量增加等[3]。燃用高硫煤后，SCR脫硝反應器的SO2/SO3轉(zhuǎn)換率有一定增加(見表3)，不利于催化還原反應。

3.3 NH3與NOx混合均勻性降低

摻燒高硫煤后，SCR脫硝反應器兩側出口的NOx質(zhì)量濃度和NH3逃逸率分布均勻性明顯下降，局部出口截面參數(shù)明顯超標，且兩側SCR脫硝反應器NH3逃逸率整體明顯增加(見表3)。圖1為BRL工況下?lián)綗吡蛎呵昂螅琒CR脫硝反應器出口的NOx質(zhì)量濃度和NH3逃逸率。由圖1可得：摻燒高硫煤后，SCR脫硝反應器兩側出口各測點的NOx質(zhì)量濃度均有增加，局部出現(xiàn)超標點(NOx質(zhì)量濃超過60 mg/m3)；平均NH3逃逸率由1.97 μL/L增加至2.68 μL/L，局部測點的NH3逃逸率為2.8～3.3 μL/L，NH3和NOx混合均勻性明顯下降，SCR脫硝反應器內(nèi)催化劑的反應效率明顯下降，NH3逃逸率增加，且增加下游空氣預熱器堵塞的風險。

圖1 SCR脫硝反應器出口的NOx質(zhì)量濃度和NH3逃逸率

摻燒高硫煤后，為有效控制爐膛水冷壁區(qū)域的高溫腐蝕和結渣，增加主燃區(qū)風量，相應大幅減弱了上部燃盡風的調(diào)節(jié)作用，會使SCR脫硝反應器入口NOx質(zhì)量濃度顯著增加。為滿足排放要求，需要噴入更多的液氨。增加主燃區(qū)風量，會在一定程度上增大爐膛出口煙氣的流速和溫度、SCR脫硝反應器入口NOx質(zhì)量濃度的偏差；同時，實際燃燒煤種硫含量突增會使爐膛水冷壁區(qū)域、尾部煙道等區(qū)域產(chǎn)生不同程度的腐蝕、結渣、飛灰沾污等問題，進一步增加SCR脫硝反應器入口煙氣流場不均勻性，使SCR脫硝反應器入口NOx質(zhì)量濃度分布偏差增大、SO2/SO3轉(zhuǎn)換率增加。

圖2為BRL工況下?lián)綗吡蛎呵昂?，SCR脫硝反應器入口的NOx質(zhì)量濃度、煙氣溫度和流速。由圖2可得：各運行參數(shù)的分布偏差均有一定增加，NH3和NOx混合均勻性變差，不利于反應進行，會使NH3逃逸率大幅增加。

圖2 SCR脫硝反應器入口的NOx質(zhì)量濃度、煙氣溫度和流速

4 優(yōu)化措施

摻燒高硫煤后，爐膛內(nèi)燃燒狀況發(fā)生明顯改變，水冷壁上部易產(chǎn)生不同程度的高溫腐蝕、結渣。燃燒配風調(diào)節(jié)會使SCR脫硝反應器的入口的煙氣溫度和流速、NOx質(zhì)量濃度等運行參數(shù)發(fā)生明顯變化，導致關鍵控制指標變差，影響SCR脫硝系統(tǒng)的運行，增加硫酸銨或硫酸氫銨生成量，并且易使空氣預熱器發(fā)生嚴重堵塞。應基于鍋爐燃燒優(yōu)化進行噴氨調(diào)整工作，并且不能僅通過噴氨調(diào)整解決；鍋爐燃燒優(yōu)化需要兼顧控制水冷壁區(qū)域的高溫腐蝕、結渣和SCR脫硝反應器入口的NOx質(zhì)量濃度。

4.1 燃燒調(diào)整

4.1.1 出口粉管調(diào)平及磨煤機入口風量控制

制粉系統(tǒng)長期運行，磨煤機分離器擋板和出口粉管磨損較為嚴重，且燃燒煤種變化造成煤可磨性指數(shù)變化等，使磨煤機各出口粉管至燃燒器嘴的阻力發(fā)生明顯改變，造成各粉管的出口風速和含粉量具有明顯偏差(風速相對偏差超過10%、煤粉質(zhì)量分數(shù)相對偏差超過17%)，這是各運行參數(shù)分布偏差增大的主要原因。燃燒高硫煤時，大幅度增加了對應磨煤機入口風量，雖然有利于推遲著火、減輕燃燒器區(qū)域水冷壁的高溫腐蝕和結渣，但是也在一定程度上增加燃燒偏差和SCR脫硝系統(tǒng)入口煙氣流場分布偏差。應定期對磨煤機出口粉管進行調(diào)平，控制粉管出口風速相對偏差在5%以內(nèi)、煤粉質(zhì)量分數(shù)相對偏差在10%以內(nèi)，調(diào)平前后SCR脫硝反應器入口NOx質(zhì)量濃度見圖3。由圖3可得：調(diào)平后，SCR脫硝反應器入口NOx質(zhì)量濃度分布均勻性明顯提高，可提高NH3和NOx混合均勻性和反應效率。燃燒高硫煤時，不應大幅度增加磨煤機入口風量，可視燃燒器區(qū)域爐膛腐蝕、結渣情況及爐膛出口煙氣溫度偏差的變化，小幅度增加磨煤機入口風量。

圖3 調(diào)平前后SCR脫硝反應器入口NOx質(zhì)量濃度

4.1.2 鍋爐配風調(diào)整

摻燒高硫煤后，鍋爐配風調(diào)整不僅要有效控制爐內(nèi)水冷壁區(qū)域內(nèi)的高溫腐蝕、結渣，還需要兼顧爐膛出口NOx質(zhì)量濃度。不能只增加主燃區(qū)風量及各燃燒器輔助二次風量，應結合煙氣溫度偏差、結渣量及NOx質(zhì)量濃度，保證燃盡風量，增加分級燃燒效應，減少NOx生成量。

4.2 噴氨調(diào)整

噴氨調(diào)整優(yōu)化主要根據(jù)SCR脫硝反應器出口的NOx質(zhì)量濃度和NH3逃逸率的分布情況，調(diào)整各噴氨支管路的手動調(diào)節(jié)閥的開度?？紤]到摻燒高硫煤后，下游空氣預熱器阻力和NH3逃逸率明顯增加，不宜對各噴氨支管路大幅度進行調(diào)整，對于出口NOx質(zhì)量濃度偏高區(qū)域應適當增加各噴氨支管路手動調(diào)節(jié)閥開度；而出口NOx質(zhì)量濃度偏高區(qū)域則應關小，但仍應保留一定開度[4]。為防止噴氨格柵發(fā)生問題，在噴氨調(diào)整優(yōu)化中應注意以下幾點：

(1) 檢查噴氨流量和稀釋風量的準確性。

(2) 防止部分噴氨格柵噴嘴積灰堵塞。稀釋風機運行風量較少，或非正常停運造成煙氣中的飛灰在噴嘴出口積灰堵塞，引發(fā)噴氨不均勻。

(3) 防止噴氨格柵噴氨手動調(diào)節(jié)閥未調(diào)整至最佳位置，造成反應器區(qū)域NH3分布不均勻。

4.3 控制動態(tài)偏差

常規(guī)SCR脫硝噴氨控制系統(tǒng)采用串級控制方式，即主回路調(diào)節(jié)實際SCR脫硝反應器出口NOx質(zhì)量濃度測量均值，副回路調(diào)節(jié)實際噴氨流量，將鍋爐主控指令、SCR脫硝反應器入口NOx質(zhì)量濃度測量均值等修正量疊加到副回路進行調(diào)節(jié)，增強調(diào)節(jié)效果。但鍋爐燃燒工況改變時，尤其是燃燒高硫煤時，SCR脫硝反應器入口NOx質(zhì)量濃度突升較為明顯，且煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)測量滯后明顯，原采取常規(guī)串級控制方式及時性不足，易造成NOx排放質(zhì)量濃度超標或液氨噴射過量的問題[5]。故增設SCR脫硝系統(tǒng)入口及出口的NOx質(zhì)量濃度變化量對供氨調(diào)節(jié)閥前饋作用的環(huán)節(jié)，控制調(diào)節(jié)動態(tài)偏差以提高SCR脫硝系統(tǒng)自動響應性(見圖4)。

圖4 控制動態(tài)偏差的SCR脫硝系統(tǒng)邏輯

主要控制思路如下：

(1) 增設SCR脫硝系統(tǒng)入口NOx質(zhì)量濃度變化量對噴氨調(diào)節(jié)閥前饋作用的環(huán)節(jié)，即入口NOx質(zhì)量濃度在慣性時間的變化量，經(jīng)函數(shù)折算后直接疊加到噴氨調(diào)節(jié)閥PID前饋。當入口NOx質(zhì)量濃度突升時，可快速開啟噴氨調(diào)節(jié)閥；入口NOx質(zhì)量濃度突升速度越快，噴氨調(diào)節(jié)閥的動作幅度越大。

(2) 增設SCR脫硝系統(tǒng)出口NOx質(zhì)量濃度變化量對噴氨調(diào)節(jié)閥前饋作用的環(huán)節(jié)，即出口NOx質(zhì)量濃度在慣性時間的變化量，經(jīng)函數(shù)折算后直接疊加到噴氨調(diào)節(jié)閥PID前饋。當出口NOx質(zhì)量濃度突升時，可快速開啟噴氨調(diào)節(jié)閥；出口NOx質(zhì)量濃度突升速度越快時，噴氨調(diào)節(jié)閥的動作幅度越大。

(3) SCR脫硝系統(tǒng)入口及出口的NOx質(zhì)量濃度變化量對噴氨調(diào)節(jié)閥的前饋作用，均通過設置上升速率和下降速率，保證噴氨調(diào)節(jié)閥可以快速開啟和緩慢關閉，增加作用時間，從而抑制SCR脫硝系統(tǒng)出口NOx質(zhì)量濃度增加。

(4) 根據(jù)SCR脫硝系統(tǒng)入口NOx質(zhì)量濃度對噴氨調(diào)節(jié)閥的前饋作用，增設針對出口NOx質(zhì)量濃度變化量前饋作用的修正函數(shù)。當SCR脫硝系統(tǒng)入口NOx質(zhì)量濃度變化量對噴氨調(diào)節(jié)閥的前饋作用增強時，出口NOx質(zhì)量濃度變化量對噴氨調(diào)節(jié)閥的前饋作用可適當減弱。避免當入口NOx質(zhì)量濃度突升導致出口NOx質(zhì)量濃度突升時，前饋作用疊加后噴氨調(diào)節(jié)閥開度過大，出現(xiàn)液氨噴射過量，從而增加NH3逃逸率。

(5) 增設針對NH3逃逸率高、噴氨調(diào)節(jié)閥開度過大等問題，增設閉鎖噴氨調(diào)節(jié)閥的邏輯回路。

4.4 優(yōu)化高硫煤的摻燒方式

鍋爐在中低負荷運行時，可適當提高高硫煤的摻燒比例；而鍋爐在75%以上負荷運行時，因爐膛溫度高，硫含量增加不僅帶來明顯的腐蝕、結渣問題，而且鍋爐爐膛出口煙氣溫度高，NOx生成量大，不易調(diào)節(jié)，可適當降低高硫煤的摻燒比例。通過試驗可得：在中低負荷時將高硫煤摻燒質(zhì)量分數(shù)仍控制在40%，而在75%以上負荷時可將高硫煤摻燒質(zhì)量分數(shù)降低至20%～25%，鍋爐可長期穩(wěn)定運行，不僅高溫腐蝕、結渣問題得到有效減緩和抑制，NOx質(zhì)量濃度也較為穩(wěn)定。

電廠在燃料中添加MgO或Mg(OH)2，用于在燃燒期間降低鍋爐爐膛出口SO3生成量，有利于尾部煙氣流場的均勻分布[6]。

4.5 催化劑成分優(yōu)化

在后續(xù)SCR脫硝系統(tǒng)的改造過程中，應充分考慮實際燃燒高硫煤的情況，調(diào)整SCR脫硝反應器中催化劑活性組分的配比，采用抗硫性強、適應高硫煙氣環(huán)境的SCR催化劑。

5 結語

摻燒高硫煤后，鍋爐燃燒工況發(fā)生明顯改變，為控制水冷壁區(qū)域的高溫腐蝕和結渣，通常采用的增大主燃區(qū)風量和改變制粉系統(tǒng)出力的調(diào)整方式，會造成SCR脫硝反應器的運行環(huán)境發(fā)生明顯變化，一定程度上影響SCR脫硝系統(tǒng)的運行。入口NOx質(zhì)量濃度和液氨耗量明顯增加、SO2/SO3轉(zhuǎn)換率也略有增加、NH3與NOx混合均勻性降低、NH3逃逸率增加、硫酸銨或硫酸氫銨生成量增加，易使下游空氣預熱器發(fā)生堵塞。摻燒高硫煤時應注意對SCR脫硝系統(tǒng)關鍵運行參數(shù)進行監(jiān)視和分析；在燃燒調(diào)整的基礎上及時進行噴氨調(diào)整優(yōu)化；SCR脫硝系統(tǒng)應加強對入口及出口的NOx質(zhì)量濃度動態(tài)偏差的調(diào)節(jié)響應能力；并通過優(yōu)化摻燒及調(diào)整催化劑活性組分配比等方式進行控制。