火電廠煙氣脫硝技術(shù)的經(jīng)濟效益研究

杭州意能電力技術(shù)有限公司 陳 聰

火電廠生產(chǎn)需要經(jīng)過燃燒流程，這一環(huán)節(jié)可能會排放大量的氮氧化合物，導(dǎo)致環(huán)境條件受到負面影響。為控制氮氧化合物排放，火電廠需要部署煙氣脫硝技術(shù)，使排放總量能夠得到科學(xué)限制。通過結(jié)合實例對煙氣脫硝經(jīng)濟效益進行分析，能夠為火電廠管理層提供重要參考信息，有利于進一步提高整體建設(shè)質(zhì)量與效率，降低出現(xiàn)不良問題的可能性，為火電廠未來發(fā)展創(chuàng)設(shè)理想環(huán)境。

1 工程概況

本次案例工程為某火電廠改造活動，其內(nèi)部汽輪機設(shè)備為亞臨界一次中間再熱類型，內(nèi)部單軸三缸四排汽，采用直接空氣冷凝方式進行運作。在應(yīng)用過程中，火電廠鍋爐需要進行一次中間再熱，并完成自然循環(huán)流程，燃料主要采用白音華褐煤，改造工作需要建設(shè)煙氣除塵與煙氣脫硫設(shè)施。

2 火電廠煙氣脫硝技術(shù)要點

2.1 脫硝還原劑的選擇

2.1.1 氨水

在煙氣脫銷過程中，需要選擇合適的還原劑進行處理。氨水屬于較為常見的處理還原劑，其主要在SCR 脫硝體系中進行應(yīng)用。針對此類還原劑進行采購時，需要按照25%濃度標準進行處理，同時應(yīng)用量較為龐大，對運輸條件需求嚴格，容易產(chǎn)生嚴重的加熱汽化能耗。與其他還原劑類型相對比，氨水成本高同時應(yīng)用可靠性差，存在危險化學(xué)因素。因此，當前火電廠煙氣脫硝采用氨水作為還原劑的比例已經(jīng)處于逐漸減少的趨勢下。

2.1.2 尿素水解

尿素溶液在固定溫度狀態(tài)與壓力條件下，通過加熱方式進行處理能夠?qū)崿F(xiàn)水解反應(yīng)效果。這種反應(yīng)會生成NH3、CO2以及水蒸氣，其中所蘊含的氨元素能夠為煙氣脫硝流程提供重要支持[1]。相對于其它方案，尿素水解需要將尿素顆粒分解為40～60%的尿素溶液，隨后利用循環(huán)泵裝置將其運輸至存儲罐內(nèi)部，并加入反應(yīng)器內(nèi)部，使含氨氣流能夠被加熱空氣所稀釋，形成低于5%濃度的氨氣進入煙氣混合模塊，實現(xiàn)脫硝目標。

2.1.3 尿素

尿素屬于人工有機物種類，其最為常見的用途包括農(nóng)業(yè)肥料、卡車脫硝處理等。其化學(xué)穩(wěn)定性較為良好，因此風(fēng)險程度較低，在運輸與存儲過程中不需要采取額外安全措施，整體經(jīng)濟性表現(xiàn)優(yōu)秀。在脫硝還原應(yīng)用方面，尿素需要首先進行轉(zhuǎn)化處理，使其能夠作為氨在SCR 系統(tǒng)中進行應(yīng)用。鑒于其安全性、經(jīng)濟性方面的表現(xiàn)，尿素在未來火電廠脫硝處理部署過程中將會得到廣泛應(yīng)用，逐步取代其它催化劑類型，進一步提高整體經(jīng)濟效益與部署安全性。

2.2 脫硝催化劑的選型

2.2.1 蜂窩類

常見火電廠脫硝用催化劑主要包括三種基礎(chǔ)類型，即蜂窩、板式、波紋。蜂窩催化劑類型需要應(yīng)用整體擠壓方式進行制作，其能夠在燃煤鍋爐中進行應(yīng)用，基礎(chǔ)節(jié)距范圍處于69～92mm 內(nèi)，比表面積數(shù)據(jù)約為410-539m2/m3，壁厚通常不低于0.7mm。與其他催化劑類型相對比，蜂窩式具有良好的單位催化活性，在同等脫硝效率條件下，蜂窩式所需基礎(chǔ)體積較小，能夠在特殊工作環(huán)境中進行應(yīng)用，因此具有良好的部署與推廣價值。

2.2.2 板式類

板式類型催化劑需要利用金屬制板網(wǎng)作為基礎(chǔ)骨架結(jié)構(gòu)，同時借助雙側(cè)擠壓方案，實現(xiàn)活性材料與金屬板相互結(jié)合的目標[2]。常規(guī)條件下，板式催化劑結(jié)構(gòu)與空氣預(yù)熱處理裝置的受熱面具有一定程度的相似性，基礎(chǔ)節(jié)距處于60～70mm 范圍內(nèi)，開孔率數(shù)據(jù)最高達到90%，具有良好的防堵灰表現(xiàn)。因此，板式類型催化劑主要在灰含量較高且粘性強的環(huán)境下進行應(yīng)用。由于其基礎(chǔ)表面積通常低于280-350m2/m3，因此為實現(xiàn)最佳脫硝效率，需要進一步加大體積才能夠?qū)崿F(xiàn)相關(guān)標準。在SCR 系統(tǒng)中，應(yīng)用板式催化劑的基礎(chǔ)載荷較大，同時單系統(tǒng)阻力低，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的防堵灰效果，基礎(chǔ)可靠性表現(xiàn)強。

2.2.3 波紋類

波紋催化劑主要應(yīng)用材料為玻璃纖維與陶瓷纖維，其需要在骨架表面進行覆蓋式噴涂，實際部署表現(xiàn)由于孔徑較低等原因，表面積相對較高，能夠在低灰狀態(tài)下進行應(yīng)用，但防堵灰表現(xiàn)不佳。同時，在脫硝效率處于一致的條件下，波紋催化劑對于體積的應(yīng)用較小，比重等因素使其反應(yīng)器體積與支撐載荷得到了顯著優(yōu)化，但持久性不足，容易受到金屬腐蝕[2]。

2.3 脫硝工藝系統(tǒng)及工藝特點

火電廠主流煙氣脫硝技術(shù)系統(tǒng)包括SCR 與SNCR 兩種，SCR 需要將還原劑溶液噴灑至鍋爐爐膛區(qū)域，主要包括氨水、尿素、氨氣等含有氨基的還原劑類型。這些還原劑進入爐膛低溫區(qū)域后，如110℃等位置，將會快速生成NH3，并與煙氣內(nèi)部的NO2產(chǎn)生還原化學(xué)反應(yīng)，最終生成N2與H2O。SNCR 工藝對于氨的利用率相對較低，容易在實際部署階段出現(xiàn)泄露問題，生成額外的溫室氣體N2O。同時，如果系統(tǒng)設(shè)計不科學(xué)，采用尿素作為還原劑還有可能增加CO 排放量，不利于環(huán)保性提升。因此，SNCR 相對于SCR 工藝存在一定程度的限制，但整體投資需求較低，運行成本經(jīng)濟性良好，因此得到了廣泛采用。為進一步改善脫硝工藝系統(tǒng)，可以將SCR 與SNCR 工藝相結(jié)合，通過相關(guān)體系使NOx 排放濃度得以有效降低，進一步提高脫硝處理效率，使其能夠匹配機組實際容量?；旌霞夹g(shù)需要將SNCR 還原劑爐膛噴入與SCR 逃逸氨催化反應(yīng)相結(jié)合，使NOx 得以進一步消除，從根源層面提高實際脫硝效率表現(xiàn)。與單一SCR 或SNCR 技術(shù)相對比，融合技術(shù)能夠表現(xiàn)出高效率、低逃逸率特征，同時對于部署成本的需求較低，因此可以在實際改造過程中進行應(yīng)用。

2.4 脫硝前后污染物排放情況

在本次案例完成煙氣脫硝技術(shù)改造工程后，機組試運行結(jié)果表現(xiàn)正常，同時性能參數(shù)能夠滿足污染排放需求。經(jīng)深入分析，機組內(nèi)部煙氣流動狀態(tài)較為穩(wěn)定，NOx 分布均勻度較高，能夠為脫硝處理創(chuàng)造理想空間條件。在脫硝率處于50、80、90%條件下，氨實際逃逸率均低于3ppm，氮氧化合物排放能夠控制在100mg/Nm3標準下，各項參數(shù)指標符合我國火電廠污染物排放標準需求，如表1所示。

表1 煙氣脫硝處理前后狀態(tài)對比

3 火電廠煙氣脫硝技術(shù)的經(jīng)濟效益分析

3.1 煙氣脫硝總投資

案例工程開展煙氣脫硝改造工程中，整體投資項目主要包括脫硝本體裝置，包括電氣、控制系統(tǒng)等建筑施工費用，同時還包括設(shè)備采購、安裝費用、脫硝單向工程費用，如空預(yù)裝置改造、省煤裝置改造、廠房改造等。這些項目同樣包含施工、設(shè)備阿刺溝、安裝建設(shè)地區(qū)征用、清理費用等。除此之外，技術(shù)服務(wù)費用包括分系統(tǒng)調(diào)試、系統(tǒng)啟動、生產(chǎn)準備與基礎(chǔ)預(yù)備費用[3]。

3.2 煙氣脫硝財務(wù)分析

針對煙氣脫硝改造經(jīng)濟效益進行分析的過程中，首先需要展開財務(wù)分析。這一環(huán)節(jié)應(yīng)當對機組年利用時間進行確認，并綜合還原劑消耗量與單價狀態(tài)、電量消耗增加程度、吹灰與液體氨蒸發(fā)損耗、催化劑更新、氮氧化合物脫除排污費用、設(shè)備檢修、資產(chǎn)折舊、內(nèi)部收益、投資回收、新增員工費用等項目信息，整合邊界條件狀態(tài)與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型，確保財務(wù)分析工作能夠正常開展。

3.3 經(jīng)營成本分析

在案例火電廠采用SCR 系統(tǒng)進行煙氣脫硝改造，并應(yīng)用EPC 項目高塵布置方式進行規(guī)劃后，設(shè)計脫硝效率目標高于90%，同時系統(tǒng)可用率高于95%。本次主要應(yīng)用尿素水解作為還原劑類型，工程總動態(tài)投資規(guī)模為24123萬元。在持續(xù)168小時運行后，氮氧化合物排污實際費用標準為0.72元/kg，還原劑消耗量經(jīng)計算為5104噸/年，經(jīng)濟效益表現(xiàn)良好。在部署煙氣脫硝系統(tǒng)后，電力消耗與汽耗損增加幅度較大，同時還包括還原劑等變動成本。在將設(shè)備折舊、維護、人工等項目納入分析范疇后，年利用小時為5500條件內(nèi)，火電廠收益需要達到10%，并在投資回收周期內(nèi)含稅電力價格增加10.49元/MWh，以達到理想標準。

4 改善火電廠煙氣脫硝技術(shù)經(jīng)濟效益的建議

4.1 調(diào)整排污費收費標準

為盡可能改善煙氣脫硝改造技術(shù)應(yīng)用實際經(jīng)濟效益，應(yīng)當從優(yōu)化排污收費標準角度入手。排污費用增加會導(dǎo)致脫硝氮氧化合物處理成本增加，若其他條件持續(xù)不變，對排污費進行調(diào)整能夠使火電廠實現(xiàn)扭虧為盈目標。本次案例機組應(yīng)用年小時達到5500h、脫硝效率為80%的狀態(tài)下，總削減氮氧化合物排放量為12837噸，排放總量達到3223噸/年。結(jié)合年運行費用進行分析，若排污費用提高至425元/kg，則運行成本費用與收益持平。因此，需要針對相關(guān)收費標準進行調(diào)整，確保火電站能夠?qū)崿F(xiàn)扭虧為盈的發(fā)展目標，使企業(yè)可以從減少排放量中獲得實際經(jīng)濟收益，為后續(xù)進一步推廣相關(guān)技術(shù)夯實基礎(chǔ)條件[4]。

4.2 實施脫硝上網(wǎng)電價

煙氣脫硝技術(shù)方案在我國部署時間相對較晚，因此相關(guān)制度方案優(yōu)待政策尚不明確，包括脫硝特殊電價等。脫硝效率方面存在的差異，應(yīng)當在電價補貼方面得以體現(xiàn)。通過實施脫硝上網(wǎng)電價，可以促使電廠選擇經(jīng)過優(yōu)化的煙氣脫硝技術(shù)，有利于相關(guān)方案進一步推廣，降低社會環(huán)保壓力，實現(xiàn)經(jīng)濟效益提升與可持續(xù)發(fā)展雙管齊下的目標。

4.3 實施排污權(quán)交易制度

排污權(quán)交易制度能夠允許火電廠通過其他途徑進行獲利，有利于提高煙氣脫硝技術(shù)應(yīng)用積極性，降低環(huán)保推行難度。在排污權(quán)交易制度體系下，火電廠能夠通過部署優(yōu)秀效率表現(xiàn)的煙氣脫硝裝置，進而在排污交易市場中獲取額外利潤。同時，煙氣脫硝級別較高的火電廠，還可以應(yīng)用審批總量結(jié)余參與市場環(huán)境交易，使原有環(huán)保負擔(dān)轉(zhuǎn)變?yōu)榭捎Y源，因此能夠顯著提高相關(guān)技術(shù)應(yīng)用價值。

4.4 優(yōu)化脫硝技術(shù)工藝

為進一步強化煙氣脫硝經(jīng)濟效益，應(yīng)當針對相關(guān)技術(shù)方案進行深入研究，明確主要改進方向。通過鼓勵新技術(shù)與工藝部署，并拓展環(huán)保工作資金渠道，能夠為后續(xù)煙氣脫硝研究活動提供重要支持，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標。在現(xiàn)有煙氣脫硝技術(shù)內(nèi)，催化劑應(yīng)用成本占比超過45%。若加強對相關(guān)生產(chǎn)行業(yè)的支持力度，能夠從根源層面降低煙氣脫硝投入，實現(xiàn)提高經(jīng)濟效益的目標，有利于改進相關(guān)工藝方案[5]。

4.5 推廣低氮燃燒技術(shù)并減少設(shè)備改造

低氮燃燒技術(shù)一般是指空氣分級燃燒技術(shù)、燃燒分級燃燒技術(shù)和低氮燃燒器等。采用低氮燃燒技術(shù)能顯著降低爐內(nèi)氮氧化物生成，降低反應(yīng)器入口濃度，減少還原劑液氨的耗用量，減少氮氧化物排放量。另外一方面提高氮氧化物脫出效率落到實處，因為國家的減排控制措施越來越嚴，火電廠在剛建時就需要按國家要求同步增加脫硝設(shè)備，確保減排政策調(diào)整時能夠最大限度減少對原設(shè)備的改造，通過降低設(shè)備投資來提高經(jīng)濟效益。

綜上所述，火電廠煙氣脫硝技術(shù)部署經(jīng)濟效益受到多種因素影響。通過對相關(guān)因素進行探究，能夠明確火電廠采取技術(shù)方案的主要方向，有利于未來進一步推廣，實現(xiàn)理想環(huán)保工作目標，達到可持續(xù)發(fā)展標準。