張曜超

摘 要 本文主要介紹了氮氧化物控制技術(shù)在鶴煤熱電廠的改造方案中低氮燃燒技術(shù)及脫硝技術(shù)具體應(yīng)用情況。并對使用效果進(jìn)行了實(shí)例分析。

關(guān)鍵詞 火電廠氮氧化物控制 低氮燃燒 脫硝技術(shù)

中圖分類號：TM61.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1氮氧化物控制技術(shù)改造的意義及背景

隨著科學(xué)技術(shù)革命和工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展，人民的生活得到了很大的改善。但是，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)革命帶來的人對自然的巨大，也極大破壞了我們賴以生存的自然環(huán)境。環(huán)境問題是人類、經(jīng)濟(jì)和社會持續(xù)性發(fā)展的重要因素，如何解決由工業(yè)化生產(chǎn)而產(chǎn)生的環(huán)境污染，是全人類關(guān)注的重大課題之一。

1.1燃煤排放污染物

我國大型電廠絕大多數(shù)是常規(guī)的燃煤火電廠，90%以上的火力發(fā)電設(shè)備仍將是常規(guī)的燃煤發(fā)電機(jī)組，煤燃燒排放污染物占總?cè)剂先紵欧帕康谋壤?，CO為71%、粉塵為70%、SO2為90%、CO2為85%、NOX為70%。這些污染物嚴(yán)重破壞了生態(tài)環(huán)境，僅由NOX、SO2造成的直接經(jīng)濟(jì)損失就高達(dá)數(shù)千億元，嚴(yán)重制約了國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)性發(fā)展。

1.2氮氧化物（NOX）的污染與危害

NOX與SO2一樣，在大氣中會通過干沉降和濕沉降兩種方式降落到地面，最終的歸宿是硝酸鹽或硝酸。大氣中的NOx有一部分進(jìn)入同溫層對臭氧層造成破壞，使臭氧層減薄甚至形成空洞，對人類生活帶來不利影響；同時NOX中的N2O也是引起全球氣候變暖的因素之一，雖然其數(shù)量極少，但其溫室效應(yīng)的能力是CO2的200～300倍。

1.3氮氧化物控制技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，適用于燃煤電站鍋爐的成熟的氮氧化物控制技術(shù)主要有低氮燃燒技術(shù)（LNB）、選擇性非催化還原脫硝技術(shù)（SNCR）、選擇性催化還原脫硝技術(shù)（SCR）等。

國內(nèi)有大量不同容量機(jī)組進(jìn)行了LNB改造，煙煤鍋爐能控制NOx排放濃度250～350mg/m3，貧煤鍋爐達(dá)到400～500mg/m3。目前，大量的機(jī)組已經(jīng)完成了SNCR、SCR脫硝改造。整體上，國內(nèi)針對燃煤鍋爐具備了NOx控制技術(shù)的設(shè)計(jì)能力和工程實(shí)施能力，且擁有了一定的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

2氮氧化物控制技術(shù)介紹

2.1低氮氧化物燃燒技術(shù)（LNB）

低NOx燃燒技術(shù)就是通過控制燃燒區(qū)域的溫度和空氣量，以達(dá)到阻止NOx生成及降低其排放的目的?，F(xiàn)代低NOx燃燒技術(shù)將煤質(zhì)、制粉系統(tǒng)、燃燒器、二次風(fēng)及燃盡風(fēng)等技術(shù)作為一個整體考慮，以低NOx燃燒器與空氣分級為核心，在爐內(nèi)組織適宜的燃燒溫度、氣氛與停留時間，形成早期的、強(qiáng)烈的、煤粉快速著火欠氧燃燒，利用燃燒過程產(chǎn)生的氨基中間產(chǎn)物來抑制或還原已經(jīng)生成的NOx。

2.2選擇性催化還原（SCR）技術(shù)

SCR技術(shù)最早于上世紀(jì)70年代用于日本電站鍋爐的NOx控制，其原理是把還原劑氨氣噴入鍋爐下游135～400℃的煙道內(nèi)，在催化劑作用下，將煙氣中NOx還原成無害的N2和H2O.SCR是一種成熟的深度煙氣氮氧化物后處理技術(shù)，無論是新建機(jī)組還是在役機(jī)組改造，絕大部分煤粉鍋爐都可以安裝SCR裝置。目前，高灰型SCR是主流布置，工作環(huán)境相對惡劣，催化劑活性惰化較快，但煙氣溫度合適（285～400℃），經(jīng)濟(jì)性最高。

2.3選擇性非催化還原（SNCR）煙氣脫硝

SNCR技術(shù)是將氨基還原劑（如氨氣、氨水、尿素）溶解稀釋到10%以下，利用機(jī)械式噴槍將還原劑溶液霧化成液滴噴入爐膛，熱解生成氣態(tài)NH3，在950～1050℃溫度區(qū)域（通常為鍋爐對流換熱區(qū)）和沒有催化劑的條件下，NH3與NOx進(jìn)行選擇性非催化還原反應(yīng)，將NOx還原成N2與H2O。與SCR工藝相比較SNCR工藝比較簡潔，脫硝效率偏低。現(xiàn)代SNCR技術(shù)可控制NOx排放降低20～50%，多用作低NOx燃燒技術(shù)的補(bǔ)充處理手段。由于它的低投資和低運(yùn)行成本，特別適合小容量鍋爐的使用，在大型鍋爐上運(yùn)行業(yè)績較少。

2.4混合型SNCR/SCR技術(shù)

是將SNCR與煙道型SCR結(jié)合，SNCR承擔(dān)脫硝和提供NH3的雙重功能，利用煙道型SCR將上游來的NH3與NOx反應(yīng)完全，從而提高整體脫硝效率，彌補(bǔ)SNCR裝置效率有限的缺陷。

3氮氧化物控制技術(shù)方案分析

3.1氮氧化物控制技術(shù)方案

方案一：直接采用SCR工藝，不進(jìn)行燃燒器改造方案

方案二：燃燒器改造（LNB）與SCR組合方案

方案三：燃燒器改造（LNB）與SCR-SNCR耦合方案

3.2各個方案優(yōu)缺點(diǎn)分析

方案一由于直接采用SCR工藝，未進(jìn)行燃燒器改造，則初投資較方案二、方案三低，但由于入口NOX濃度高，催化劑用量大，則以后的運(yùn)行成本較高，主要在于催化劑更換、還原劑尿素用量大、尿素?zé)峤庑柘牡碾娏康仍斐蛇\(yùn)行成本高。根據(jù)相同容量等級機(jī)組的改造經(jīng)驗(yàn)，方案一的經(jīng)濟(jì)性最小，故放棄方案一的改造方案。

方案二和方案三都需要進(jìn)行燃燒器改造，初投資均高于方案一。方案二和方案三的主要差別在于方案三增加了SNCR裝置，但SCR入口NOx濃度較低，較方案二節(jié)約了一部分催化劑用量，但運(yùn)行維護(hù)難度較高。根據(jù)對國內(nèi)類似案例的測試，如SCR直接利用SNCR逃逸的氨作為還原劑，不新增單獨(dú)的噴氨裝置，則脫硝效率較低，且由于SNCR出口NH3分布嚴(yán)重不均，滿足不了SCR裝置第一次層催化劑入口NH3/NOx分布均勻性要求，不僅增加改造的風(fēng)險，且將造成運(yùn)行上的困難。

經(jīng)對方案二和方案三進(jìn)行比較，方案二基本不會對鍋爐效率造成影響，而方案三由于采用SNCR工藝，則鍋爐效率有約0.15%的下降，鑒于此本次技術(shù)路線選型從可靠性、技術(shù)先進(jìn)性、運(yùn)行穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性綜合因素考慮選用LNB+SCR組合式協(xié)同脫硝工藝。

4氮氧化物控制技術(shù)使用效果分析

4.1多種降NOx技術(shù)綜合利用，效果顯著

軸向空氣分級燃燒：同時設(shè)置1層CCOFA和2層SOFA，通過深度空氣分 級，形成下部富燃缺氧燃燒控制NOX，上部富氧燃燒控制飛灰含碳量的燃燒格局，大幅降低NOX排放。重新分配二次風(fēng)，保證主燃區(qū)空氣系數(shù)0.80-0.85、SOFA 區(qū)空氣系數(shù)1.15-1.25、SOFA風(fēng)率占20%-30%連續(xù)可調(diào)。

低氮燃燒器：綜合可調(diào)撞擊式垂直煤粉濃淡分離器，實(shí)現(xiàn)濃淡偏差燃燒，抑制煤粉燃燒初期N0X的生成的同時，減輕了結(jié)渣、高溫腐蝕的風(fēng)險。

4.2防磨損、結(jié)渣和高溫腐蝕

耐磨耐高溫材質(zhì)，所有噴口厚度均為12mm； —次風(fēng)管上加裝的可調(diào)撞擊式濃淡分離器材質(zhì)為高耐磨的低合金鑄鋼，厚度為20mm，撞擊塊上迎風(fēng)面貼耐磨陶瓷片，厚度為10mm。不改變原燃燒器各標(biāo)高，采用軸向空氣分級燃燒，將燃燒區(qū)域分成主燃區(qū)和 SOFA燃盡區(qū)兩部分，拉長了爐內(nèi)火焰長度，減小了燃燒器區(qū)域壁面熱負(fù)荷，使得爐內(nèi)溫度場分布更均勻，避免了局部高溫，減小了結(jié)渣的可能性。

垂直煤粉濃淡分離器將B層一次風(fēng)粉分離為上淡下濃、C層一次風(fēng)粉分離為 上淡下濃，拉近了 B、C層一次風(fēng)噴口的實(shí)際垂直距離，使得整個燃燒器本來不均勻的一次風(fēng)間距變得更為均勻，燃燒器各區(qū)域的壁面熱負(fù)荷同時也得到了改善，防止因燃燒器局部區(qū)域溫度過高而導(dǎo)致結(jié)焦。

一次風(fēng)噴口四周均設(shè)置周界風(fēng)，使得煤粉氣流剛度可調(diào)，以便調(diào)節(jié)著火距離和燃燒強(qiáng)度，有效防止噴口結(jié)焦或燒壞。噴口兩側(cè)設(shè)有扳邊，引導(dǎo)兩側(cè)周界風(fēng)至水冷壁近壁區(qū)，有效防止燃燒器噴口附近水冷壁高溫腐蝕。

4.3燃盡效果分析

改造方案不改變一次風(fēng)及二次風(fēng)噴口的原有標(biāo)高，即最下層燃燒器距冷灰斗 折角距離和最上層燃燒器距屏底距離沒有變化，故煤粉在爐內(nèi)有足夠的停留時間。雖然改造后主燃區(qū)為缺氧燃燒，但后期從SOFA補(bǔ)入的二次風(fēng)使得爐膛出口過量空氣系數(shù)與改前相比沒有變化，且SOFA設(shè)置位置通過CFD模擬計(jì)算精確定位，有足夠的空間讓煤粉燃盡。此外，爐內(nèi)合理的空氣動力場布置、一二次風(fēng)大小切圓布置的設(shè)計(jì)都非常有利于煤粉燃盡。

4.4穩(wěn)燃效果分析

可調(diào)撞擊式煤粉濃淡燃燒器能根據(jù)不同負(fù)荷，有效調(diào)節(jié)噴嘴出口兩側(cè)處的煤粉濃度，降低了煤粉著火熱，有利于低負(fù)荷穩(wěn)燃；同時煤粉噴嘴內(nèi)安裝的鈍體，使得煤粉混合物射流過鈍體時，在鈍體下游形成一個穩(wěn)定回流區(qū)，使火焰穩(wěn)定在回流區(qū)中，穩(wěn)燃效果明顯。

4.5變負(fù)荷工況適應(yīng)性分析

2層SOFA可根據(jù)負(fù)荷實(shí)際情況選擇運(yùn)行層。當(dāng)負(fù)荷較低、汽溫達(dá)不到額定值、NOX排放量由于氧量較高不能滿足排放指標(biāo)時，投運(yùn)上一層SOFA，既提高了爐內(nèi)火焰中心位置又拉長了氧化還原區(qū)，改善了主汽溫的同時，增加了脫硝率。同樣道理，當(dāng)負(fù)荷較高、減溫水用量較大、煤粉燃盡效果不理想時，投運(yùn)下一層SOFA。

同時SOFA還設(shè)有垂直、水平復(fù)合擺動機(jī)構(gòu)，可作為微調(diào)手段調(diào)整變負(fù)荷工況下的汽溫、NOX排放濃度、飛灰含碳量、爐膛出口煙溫左右偏差等等。

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