如何提高脫硝運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性

周光秋 ZHOU Guang-qiu

（國能重慶電廠有限公司，重慶 400050）

1 目前脫硝應(yīng)用現(xiàn)狀及舉例

發(fā)展脫硫和脫硝技術(shù)是整治環(huán)境污染、改善空氣質(zhì)量的重要舉措[1]。按照國家相關(guān)要求規(guī)定，自2017年7月1日起工業(yè)裝置氮氧化物（NOX）的排放將全面執(zhí)行低于100mg/m3的新標(biāo)準(zhǔn)。為了實(shí)現(xiàn)NOX的超低排放，我國的大部分工業(yè)裝置現(xiàn)在大多通過鍋爐升級(jí)改造、低氮燃燒器改造、選擇性催化還原（SCR）煙氣脫硝系統(tǒng)改造、選擇性非催化還原（SNCR）煙氣脫硝工藝改造、優(yōu)化運(yùn)行調(diào)整等手段來實(shí)現(xiàn)NOX的超低排放到低于50mg/m3的新標(biāo)準(zhǔn)。目前，火電廠的脫硝應(yīng)用組合手段有2種：一種是低氮燃燒脫硝+選擇性催化還原法（SCR）脫硝：即在鍋爐燃燒側(cè)，脫硝的方式主要是加裝低氮燃燒器、增加SOFA風(fēng)達(dá)到減少NOX，減少結(jié)渣的目的，在鍋爐出口側(cè)，主要是通過脫硝工藝減少NOX的排放；另一種是低氮燃燒脫硝+選擇性非催化還原法（SNCR）脫硝：即將氨水或尿素水溶液直接噴入850℃~1100℃的爐膛內(nèi)，將煙氣中的NOX轉(zhuǎn)化為氮?dú)夂退?，是不用催化劑的SNCR脫硝技術(shù)。SCR脫硝技術(shù)，即使用催化劑脫硝技術(shù)，它是將氨氣噴在320℃~420℃的煙氣中，在催化劑的作用下，氮氧化物被氨氣還原成氮?dú)夂退?，沒有二次污染。氨氣的來源是通過液氨蒸發(fā)法或尿素?zé)峤夥ǐ@得的，這兩種氨氣生產(chǎn)法在大多數(shù)電廠都在使用。比如遼寧能港發(fā)電有限公司現(xiàn)有兩臺(tái)200MW燃煤發(fā)電機(jī)組改造工程（如圖1）就是采用低氮燃燒器與SCR相結(jié)合的方式，對(duì)現(xiàn)有燃燒器進(jìn)行改造，低氮燃燒器改造NOX控制目標(biāo)為360mg/Nm3，采用后煙井雙層催化劑層（1+1）布置工藝，不設(shè)置SCR旁路及省煤器旁路，SCR系統(tǒng)采用聲波吹灰方式，采用平板式催化劑，采用液氨作為脫硝還原劑。#1、#2爐以660mg/Nm3的NOX排放濃度作為脫硝改造設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，脫硝裝置的可用率≥98%。

圖1 遼寧能港發(fā)電有限公司脫硝系統(tǒng)圖

2 影響脫硝運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的因素及控制措施

在整個(gè)脫硝技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用中會(huì)發(fā)現(xiàn)，煤質(zhì)中氮元素含量高，鍋爐運(yùn)行調(diào)整不當(dāng)，催化劑、還原劑的使用不當(dāng)、煙氣系統(tǒng)CFD模擬不準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)測量不準(zhǔn)、SCR運(yùn)行調(diào)整不當(dāng)都是影響脫硝運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的主要因素。鍋爐燃燒煤質(zhì)設(shè)計(jì)中，煤質(zhì)中氮元素的含量高低決定了煙氣中氮元素含量的高低，因此選用揮發(fā)分含量較大的低含氮量的褐煤，這樣鍋爐在較低的爐膛溫度時(shí)，煤粉氣流就能著火，降低了燃料N的轉(zhuǎn)換率，也降低了熱力型NOX的生成量；從而降低了進(jìn)入脫硝SCR系統(tǒng)煙氣中氮氧化物的含量，噴氨量也減少。燃料燃燒時(shí)的溫度（T）和過量空氣系數(shù)（a）是影響NOX的生成量和排放量的最主要因素，如果鍋爐運(yùn)行中這兩個(gè)因素調(diào)整不當(dāng)，會(huì)造成煙氣中氮氧化物生成增多；因此要對(duì)燃燒過程進(jìn)行控制，具體方法為：分級(jí)燃燒、再燃燒法、低氧燃燒、濃淡偏差燃燒和煙氣再循環(huán)等。通過對(duì)燃燒過程進(jìn)行分級(jí)燃燒控制，在富燃料的主燃燒區(qū)保持缺氧狀態(tài)，降低爐膛氧量，在燃燒的末級(jí)用燃盡風(fēng)即SOFA風(fēng)進(jìn)行補(bǔ)風(fēng)，將未燃完的燃料進(jìn)行再燃燒，降低爐內(nèi)中心溫度，就減少了NOX的生成；爐內(nèi)氧量控制在3%以內(nèi)，甚至在鍋爐燃燒較好的情況下，氧量會(huì)降低到1%以下，NOX的生成量會(huì)顯著減少；由于燃燒過程中所產(chǎn)生的氮的氧化物主要為NO和NO2，NO平均約占95%，燃料燃燒所生成的NO主要來自兩個(gè)方面：一是燃燒所用空氣（助燃空氣）中氮的氧化；二是燃料中所含氮化物在燃燒過程中熱分解再氧化；還有“瞬發(fā)NO”，NOX是由燃燒產(chǎn)生的，而燃燒方法和燃燒條件對(duì)NOX的生成有較大影響，因此可以通過改進(jìn)燃燒技術(shù)來降低NOX，其主要途徑如下：降低空氣過剩系數(shù)，組織過濃燃燒，來降低燃料周圍氧的濃度；在過?？諝馍俚那闆r下，降低溫度峰值以減少“熱反應(yīng)NO”；在氧濃度較低情況下，增加可燃物在火焰前峰和反應(yīng)區(qū)中停留的時(shí)間。負(fù)荷的增加往往帶來氧量的減少，NOX也就隨之減少。低氮燃燒及NOX排放下降后必然會(huì)導(dǎo)致鍋爐效率的下降，要尋找一個(gè)最佳經(jīng)濟(jì)平衡點(diǎn)，不能一味追求低NOX運(yùn)行。鍋爐運(yùn)行人員在運(yùn)行調(diào)整中，只要NOX不是太高，可以關(guān)小SOFA風(fēng)，開大二次風(fēng)，以提高燃燒效率[2]。對(duì)于汽溫偏低及甲乙側(cè)汽溫偏差大的情況，可以在煤質(zhì)好時(shí)，SOFA風(fēng)開大點(diǎn)，煤質(zhì)差時(shí)，SOFA風(fēng)開小點(diǎn)。有條件時(shí)應(yīng)盡量使用下層燃燒器，用抬高噴燃器擺角的方法兼用二次風(fēng)、SOFA風(fēng)配比來調(diào)節(jié)汽溫，有利煤粉燃盡，提高燃燒效率。同時(shí)降低爐膛、制粉系統(tǒng)漏風(fēng)。低負(fù)荷運(yùn)行應(yīng)適度增大燃燒區(qū)風(fēng)量，以利煤粉燃盡，但是風(fēng)量過大，會(huì)使?fàn)t膛溫度降低，造成汽溫偏低；高負(fù)荷可以適度降低燃燒區(qū)風(fēng)量，但是風(fēng)量過小，爐膛出口溫度升高，會(huì)造成排煙溫度偏高，損失增加。

SCR脫硝技術(shù)中，在滿足環(huán)保排放要求的情況下，選擇可重復(fù)利用的催化劑，設(shè)計(jì)合理的SCR入口煙氣溫度、煙氣流速和還原劑能最大限度的提高脫硝經(jīng)濟(jì)性。為提高脫硝效率，必須要使用催化劑，催化劑的使用壽命周期是決定SCR脫硝運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性的重要因數(shù)，其次是SCR入口煙氣溫度范圍、NH3/NOX摩爾比、SCR入口NOX濃度、煙氣流量、煙氣停留時(shí)間等都會(huì)影響脫硝效率，從而間接影響脫硝經(jīng)濟(jì)性。催化劑的壽命取決于它本身的壽命和使用維護(hù)情況，SCR脫硝催化劑基本都是以TiO2為載體，以V2O5為主要活性成份，以WO3、MoO3為抗氧化、抗毒化輔助成份的化學(xué)物質(zhì)，它的作用是促使還原劑選擇性地與煙氣中的氮氧化物在一定溫度下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；催化劑的各化學(xué)成分比例、分布結(jié)構(gòu)基本決定了煙氣脫硝系統(tǒng)的能力，V2O5含量達(dá)到6.6%時(shí)，達(dá)到最高效率，后降低，鈉、鉀、砷、鈣、三氧化硫等都會(huì)使催化劑中毒。SCR入口煙氣溫度在300℃~410℃達(dá)到最高效率，NH3/NOX摩爾比1.05時(shí)效率最高，SCR入口NOX濃度越高、煙氣流量越大、煙氣停留時(shí)間越短，脫硝效率越低，排污費(fèi)越高。還原劑使用量越少，脫硝經(jīng)濟(jì)性越高。SCR脫硝使用的還原劑主要是氨氣，氨氣的來源有兩種，一種是液氨通過液氨蒸發(fā)器加熱蒸發(fā)成氨氣，通過加熱溫度控制，控制生成的氨氣量，氨氣生成穩(wěn)定。二種是把尿素配制成40%的尿素溶液，通過電加熱成450℃~600℃的熱解爐后，分解成氨氣和水，他們都與稀釋風(fēng)充分混合，進(jìn)入省煤器出口煙道進(jìn)行脫硝反應(yīng)。但尿素在水解熱解過程中，容易分解出氨基甲酸氨腐蝕管道、產(chǎn)生的縮二脲及其他縮合物堵塞管道，而且生成的氨氣不穩(wěn)定，導(dǎo)致運(yùn)行跟蹤困難。有數(shù)據(jù)證明，使用液氨和使用尿素的建造成本基本差不多的，而年度運(yùn)行成本來看，使用液氨比使用尿素成本低得多。

脫硝工藝設(shè)計(jì)中，從送風(fēng)機(jī)到空預(yù)器到爐膛到省煤器再到SCR入口，煙道多處拐彎節(jié)流，煙氣流速不斷發(fā)生變化，煙氣流場不斷出現(xiàn)速度偏差，CFD模擬很難準(zhǔn)確，導(dǎo)致煙氣參數(shù)測量不準(zhǔn)；煙氣分析儀表的誤差也給脫硝系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來巨大的損害。通過全國多個(gè)電廠脫硝性能測試數(shù)據(jù)分布，可以看出脫硝煙道內(nèi)煙氣流場分布很不均勻，紊亂的流場造成氮氧化物在煙氣中的分布不均勻，煙氣溫度交錯(cuò)偏差，鍋爐負(fù)荷適用性差，常常形成煙氣集中沖刷催化劑的現(xiàn)象，造成催化劑部分快速磨損破裂，縮短催化劑使用壽命，給脫硝調(diào)整帶來極大的困難，造成噴氨量過多過少，氨逃逸增加，氨氣浪費(fèi)嚴(yán)重，多余的氨氣形成硫酸氫氨堵塞空預(yù)器，造成鍋爐引風(fēng)機(jī)負(fù)荷增加，甚至降低鍋爐負(fù)荷運(yùn)行。測量位置設(shè)計(jì)不合理使得測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，給脫硝調(diào)整帶來極大的困難，SCR入口煙氣溫度不正確造成噴氨投退不及時(shí)，損害催化劑；SCR入出口濃度不準(zhǔn)，風(fēng)量不準(zhǔn)，造成氨氮比不準(zhǔn)確，噴氨位置不合理造成煙氣停留時(shí)間太短。由于煙道流場不均勻不穩(wěn)定，而現(xiàn)場監(jiān)視設(shè)備比如煙氣分析儀的取樣點(diǎn)只有一個(gè)，測量的數(shù)據(jù)基本不具有代表性，大多數(shù)電廠脫硝SCR進(jìn)出口煙氣分析儀安裝位置離取樣點(diǎn)都比較遠(yuǎn)，煙氣取樣到測量出數(shù)據(jù)存在嚴(yán)重滯后，通過測量數(shù)據(jù)算出的需噴氨量與實(shí)際應(yīng)噴量相差甚遠(yuǎn)，造成噴氨量忽多忽少，脫硝效率和經(jīng)濟(jì)性難以平穩(wěn)控制；煙氣分析儀本身的測量誤差都嚴(yán)重影響著脫硝運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性[3]。

3 提高脫硝運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的措施在實(shí)踐中的應(yīng)用成果

首先要做好鍋爐運(yùn)行調(diào)整。在保證鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)性的前提下，通過調(diào)整鍋爐助燃二次風(fēng)的擺角、一次風(fēng)速、風(fēng)量大小、助燃二次風(fēng)、爐膛氧量高低、給粉機(jī)的布置方式、燃盡風(fēng)量大小、減少鍋爐本體漏風(fēng)，降低爐內(nèi)無組織風(fēng)量等方式控制爐膛出口NOX在規(guī)定范圍內(nèi)；在SCR調(diào)整運(yùn)行中，通過調(diào)整使用最少的氨氣量，加強(qiáng)聲波吹灰和蒸汽吹灰，降低氨逃逸量，控制出口NOX在環(huán)保排放范圍內(nèi)。其次，加強(qiáng)煙氣系統(tǒng)內(nèi)部的流場的監(jiān)測，通過手持式測溫儀、流量計(jì)、煙分析儀對(duì)設(shè)計(jì)監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)和校正，設(shè)計(jì)位置不符合要求的測點(diǎn)進(jìn)行更改，使儀表顯示數(shù)據(jù)具有代表性和及時(shí)性；脫硝煙道內(nèi)加裝混流裝置使流場分布更均勻。在遼寧能港發(fā)電有限公司設(shè)計(jì)煤90%BMCR即196MW負(fù)荷工況下調(diào)整后如表1、表2、表3所示。

表1 給粉機(jī)轉(zhuǎn)速

表2 二次風(fēng)門開度（以就地風(fēng)門開度為準(zhǔn)）

表3 SCR區(qū)數(shù)據(jù)

在100%撫順煤的情況下，通過在90-195MW左右負(fù)荷的低氮燃燒調(diào)整試運(yùn)行，爐膛氧量控制在4.2以內(nèi)，各項(xiàng)指標(biāo)都能達(dá)到技術(shù)協(xié)議的要求，通過加大噴氨量，各個(gè)工況都能達(dá)到環(huán)保排放的要求。通過低氮燃燒調(diào)整后，飛灰和爐渣可燃物略有增加，但鍋爐進(jìn)風(fēng)量明顯減少，排煙熱損失減少，鍋爐熱效率基本不變。由于排污費(fèi)減少，脫硝經(jīng)濟(jì)性得到提高。

4 結(jié)束語

我國脫硝技術(shù)雖然起步較晚，但是隨著我們的不斷努力和對(duì)脫硝技術(shù)的不斷吸收轉(zhuǎn)化，催化效率更高，可再生催化劑生產(chǎn)逐步實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，催化劑價(jià)格更低；為追求更優(yōu)化、更先進(jìn)的脫硝工藝流程、研發(fā)催化反應(yīng)溫度更低、抗熱性更好、效率更高、活性溫度段更長、更耐水耐酸，具有更高再生性的催化劑的研究沒有停止；脫硝新的研究成果正在不斷涌現(xiàn)，通過創(chuàng)新脫硝機(jī)理、多級(jí)脫硝和多聯(lián)產(chǎn)新工藝技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，在減少NOX的排放量的同時(shí)，還轉(zhuǎn)化生成農(nóng)用氮肥或者其他工業(yè)產(chǎn)品，真正實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排增效。