劉冬明　田俊義　邢希東

（天津大唐國際盤山發(fā)電有限責任公司，天津　薊縣　301907）

大容量燃煤鍋爐低氮燃燒與脫硝系統(tǒng)優(yōu)化運行淺析

劉冬明田俊義邢希東

（天津大唐國際盤山發(fā)電有限責任公司，天津薊縣301907）

采用爐內(nèi)低氮燃燒和煙氣脫硝是降低燃煤鍋爐煙氣中氮氧化物的主要手段。通過對這兩種手段所需成本的對比分析，總結(jié)出低氮燃燒和脫硝系統(tǒng)相互配合優(yōu)化運行的基本方法。在保證燃煤鍋爐達標排放的同時，最大限度地實現(xiàn)了鍋爐的經(jīng)濟運行。

氮氧化物；低氮燃燒；SCR脫硝；優(yōu)化運行

為了改善環(huán)境質(zhì)量，降低大氣中氮氧化物的排放，國家規(guī)定單機容量≥20萬kW、投運20年內(nèi)的現(xiàn)役燃煤機組全部需要配套脫硝設施。為此，天津大唐國際盤山發(fā)電有限責任公司于2013年在3號機組大修時，進行了鍋爐低氮燃燒系統(tǒng)脫硝改造。

一、設備及項目簡介

天津大唐國際盤山發(fā)電有限責任公司2×600MW火電機組是我國華北地區(qū)建設投產(chǎn)最早的600MW亞臨界火電機組。

鍋爐為HG-2023/17.6-YM4型爐，特征為亞臨界、一次中間再熱、固態(tài)排渣、單爐膛、Π型半露天布置、全鋼構(gòu)架、懸吊結(jié)構(gòu)、控制循環(huán)汽包鍋爐；鍋爐采用三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預熱器，平衡通風，擺動式四角切圓燃燒器。設計燃料為準格爾煤；6套正壓直吹式制粉系統(tǒng)，配置ZGM123型中速磨煤機，A、B磨煤機對應的燃燒器裝有等離子點火裝置。

1.低氮燃燒系統(tǒng)介紹

3號鍋爐燃燒器改造采用“分拉垂直親和濃淡煤粉燃燒”立體分級低氮燃燒專利技術(shù)，即燃料分級與空氣分級同步進行，利用垂直煤粉濃淡分離技術(shù)將同一股煤粉氣流分離成上下布置的濃相和淡相兩股射流，結(jié)合燃燒器頂部大間距布置5層頂部燃燼風，頂部燃燼風量增加到30%。通過采用上述技術(shù)，實現(xiàn)降低NOx生成及排放的目的。

主燃燒器采用CE公司傳統(tǒng)的大風箱結(jié)構(gòu)，由隔板將大風箱分隔成若干風室，主燃燒器有6層煤粉風室、9層二次風室，4個油風室組成。在各風室的出口處布置數(shù)量不等的燃燒器噴嘴，油風室可做上下各30°擺動，一次風煤粉噴嘴可上下擺動各20°，二次風空氣噴嘴可做上下各30°的擺動。

主燃燒器上下兩部分由兩組執(zhí)行器單獨控制。以此來改變?nèi)紵行膮^(qū)的位置，調(diào)節(jié)爐膛內(nèi)各輻射受熱面的吸熱量，從而調(diào)節(jié)再熱汽溫；燃燼風燃燒器參照CE的風箱結(jié)構(gòu)，由隔板將風箱分隔成若干風室，燃燼風風室噴嘴，既能做左右10°的擺動，也可做上下30°的擺動，以此來改變反切動量矩，達到最佳平衡動量矩效果的同時，通過改變?nèi)紶a風同主燃燒器的間距，達到降低NOx排放及提高燃燒效率的目的。為了保證頂部燃燼風的風量，在原有大風箱上加裝分風擋板。系統(tǒng)布置如圖1、2所示。

圖1　四角低氮燃燒改造燃燼風系統(tǒng)簡圖

圖2　單角5層燃燼風擋板布置簡圖

改造后每角燃燒器共有24個風室。燃燼風風室5個，空氣風室9個，煤粉風室6個（含2個等離子點火煤粉風室），油風室4個。根據(jù)各風室的高度不同，布置數(shù)量不等的噴嘴，每個燃燼風風室布置5個噴嘴，煤粉風室布置6個一次風噴嘴，自下（底層）向往上數(shù)第一、二層是等離子燃燒器，滿足點火節(jié)油要求。A層油風室中間布置有帶穩(wěn)燃葉輪的噴嘴。

2.SCR脫硝系統(tǒng)介紹

天津大唐國際盤山發(fā)電有限責任公司脫硝系統(tǒng)采取選擇性催化還原（SCR）法去除煙氣中NOx。還原劑采用純氨（純度≥99.6%），由液氨槽車運送液氨，利用卸料壓縮機，將液氨從槽車輸入液氨儲罐內(nèi)，并依靠自身重力和壓差將液氨儲罐中的液氨輸送到液氨蒸發(fā)槽內(nèi)利用輔汽提供的熱蒸發(fā)為氨氣，再與稀釋風機鼓入的空氣在氨、空氣混合器中混合后,送達氨噴射系統(tǒng)。在SCR入口煙道處，噴射出的氨氣和來自鍋爐省煤器出口的煙氣混合后進入SCR反應器，SCR反應器采用高灰型工藝布置（即反應器布置在鍋爐省煤器與空氣預熱器之間），通過催化劑進行脫硝反應，最終從出口煙道至鍋爐空預器，達到脫硝目的。整套脫硝裝置主要由SCR反應區(qū)和氨站區(qū)兩個區(qū)域組成。

脫硝系統(tǒng)布置在鍋爐省煤器和空預器之間。根據(jù)鍋爐機組現(xiàn)狀，SCR反應器系統(tǒng)每臺機組配置兩臺脫硝反應器，煙道分兩路從省煤器后接出，經(jīng)過垂直上升后變?yōu)樗剑尤隨CR反應器，反應器為垂直布置經(jīng)過脫硝以后的煙氣經(jīng)水平煙道接入空預器入口煙道

選擇性催化還原法（SCR）是利用氨（NH3）對NOX的還原功能，使用氨氣(NH3)作為還原劑，將體積濃度為5%的氨氣通過氨注入裝置(AIG)噴入溫度為280～420℃的煙氣中，在催化劑作用下，氨氣(NH3將煙氣中的NO和NO2還原成無公害的氮氣(N2)和水(H2O)，“選擇性”的意思是指氨有選擇的進行還原反應在這里只選擇NOX還原。其化學反應式如下：

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O

催化劑是整個SCR系統(tǒng)的核心和關(guān)鍵，催化劑的設計和選擇是由煙氣條件、組分來確定的，影響其設計的3個相互作用的因素是NOx脫除率、NH3的逃逸率和催化劑體積。

上述脫硝反應在位于省煤器和空氣預熱器之間的反應器內(nèi)進行。反應器內(nèi)裝有催化劑層，進口煙道內(nèi)裝有氨注入裝置和導流板，為防止催化劑被煙塵堵塞，每層催化劑上方布置了吹灰器。SCR脫硝反應所需的還原劑氨氣，可以通過液氨、氨水及尿素3種化學藥品獲取。在能保證藥品正常供應的情況下，優(yōu)先選擇液氨作為還原劑。

本工程煙氣在鍋爐省煤器出口處被平均分為兩路，每路煙氣通過垂直布置的SCR反應器，經(jīng)均流器后進入催化劑層，每臺鍋爐配有兩個SCR反應器經(jīng)過脫硝以后的煙氣直接接入空預器入口煙道，然后經(jīng)空預器、電除塵器、引風機和脫硫裝置后，排入煙囪。在進入煙氣催化劑前設有氨注入的系統(tǒng)，煙氣與氨氣充分混合后進入催化劑反應，脫去NOx。系統(tǒng)布置如圖3所示。

圖3　脫硝SCR工藝系統(tǒng)（單側(cè)）布置圖

二、低氮燃燒系統(tǒng)和脫硝系統(tǒng)運行經(jīng)濟性比較

由于低氮燃燒降氮的主要原理是主燃燒區(qū)缺氧燃燒，因此低氮系統(tǒng)投入后造成鍋爐飛灰及大渣含碳量增大、CO含量增大，綜合表現(xiàn)為鍋爐效率降低，直接影響供電煤耗指標。

華北電科院對600MW、450MW和300MW負荷下，低氮投入和退出工況的鍋爐主要經(jīng)濟指標測試如表1所示。

表1　電科院低氮系統(tǒng)投入退出試驗數(shù)據(jù)

由表1數(shù)據(jù)可以看出，低氮投入的不利影響比較大。實際運行中，如果退出低氮系統(tǒng)，為了保證NOX達標排放，必然導致脫硝系統(tǒng)噴氨量的增加。

1.計算公式說明

（1）理論噴氨量

理論噴氨量的計算公式：

液氨耗量=脫硝入口流量×脫硝入口濃度×（17/46）× 氨氮摩爾比×10-6

其中：氨氮摩爾比=（氨逃逸率/脫硝入口濃度）×（17/46）+脫硝效率/100。

（2）氨逃逸率

氨逃逸率一般用ppm表示，脫硝入口濃度單位用mg/ m3表示，其換算公式為：mg/m3=M/22.4·ppm·[273/ (273+T)]×（Ba/101325）

式中：M——氣體分子量；

ppm ——測定的體積濃度值；

T——溫度；

Ba——壓力。

由于換算比較麻煩，下文中氨氮摩爾比采用與設計值換算的簡易方法計算：設計效率80%對應的設計氨氮摩爾比為0.815，根據(jù)實際效率可以換算出實際的氨氮摩爾比。

2.600MW工況經(jīng)濟性對比

（1）低氮退出時脫硝噴氨量增加成本

600MW工況低氮低氮退出時，脫硝入口NOX為563mg/m3，煙氣流量為1400km3/h，如果脫硝出口NOX要達到100mg/m3，則：脫硝效率應為（563-100）/563=82.2%。

脫硝系統(tǒng)氨氣和NOX反應的氨氮摩爾比為（80%效率對應的摩爾比為81.5%，依此推算）0.815/0.8×0.822=0.837。

脫硝系統(tǒng)的理論噴氨量為（入口煙氣量×入口NOX含量/NO2分子量×氨氮摩爾比成氨氣分子量）1400×563/46×0.837×17=244kg/h。

600MW工況低氮低氮投入時，脫硝入口NOX為150mg/m3，煙氣流量為1400km3/h，如果脫硝效率要達到80%，則：脫硝系統(tǒng)氨氣和NOX反應的摩爾比為0.815，脫硝系統(tǒng)的理論噴氨量為1400×150/46×0.815×17=63kg/h。

綜上，600MW負荷時低氮投退影響氨氣用量增加244-63=181kg/h，按3000元/t單價計算，增加費用為543元/h；日氨氣成本增加1.3萬元。

（2）低氮投入時供電煤耗增加成本

按照上述試驗數(shù)據(jù)，600MW負荷低氮投入影響鍋爐效率下降1.8%，折合供電煤耗6.12g/kW·h，標煤單價按700元/t計算，增加費用為2570元/h，日燃煤成本增加6.17萬元。

（3）600MW工況低氮投退經(jīng)濟性對比

低氮投入時，燃料成本增加每日增加6.17萬元，低氮退出時，氨氣成本每日增加1.3萬元，則：低氮退出比低氮投入時每日節(jié)約費用4.87萬元（按負荷率100%計算）。

3.450MW工況分析

（1）低氮退出時脫硝噴氨量增加成本

450MW工況低氮低氮退出時，脫硝入口NOX為327mg/m3，煙氣流量為1260km3/h，如果脫硝出口NOX要達到100mg/m3，則：脫硝效率=（327-100）/327=71%，不滿足環(huán)保要求，應按80%計算。

脫硝系統(tǒng)氨氣和NOX反應的摩爾比為0.815，脫硝系統(tǒng)的理論噴氨量為1260×327/46×0.815×17=124 kg/h，450MW工況低氮低氮投入時，脫硝入口NOX為179mg/m3，煙氣流量為1260km3/h，如果脫硝效率要達到80%，則：脫硝系統(tǒng)的理論噴氨量=1260×179/46×0.815×17=68kg/h。

綜上，450MW負荷時低氮投退影響氨氣用量增加56kg/h，按3000元/t單價計算，增加費用為168元/h；日氨氣成本增加4032元。

（2）低氮投入時供電煤耗增加成本

按照上述試驗數(shù)據(jù)，450MW負荷低氮投入影響鍋爐效率下降1.14%，折合供電煤耗3.88g/kW·h，標煤單價按700元/t計算，增加費用為1630元/h，日燃煤成本增加3.9萬元。

（3）450MW工況低氮投退經(jīng)濟性對比

低氮投入時，燃料成本增加每日增加3.9萬元，低氮退出時，氨氣成本每日增加4032元，則低氮退出比低氮投入時每日節(jié)約費用3.51萬元（按負荷率75%計算）。

75%的負荷率接近年實際負荷率，因此450MW的分析數(shù)據(jù)具有一定的代表性。

4.300MW工況分析

300MW負荷下，低氮投入時的NOX比低氮退出時還高，即低氮投入時鍋爐效率低，噴氨量大，肯定不經(jīng)濟，未做具體數(shù)據(jù)分析。

三、低氮燃燒系統(tǒng)和煙氣脫硝系統(tǒng)優(yōu)化運行規(guī)定

為了實現(xiàn)煙氣中NOX達標排放，3號鍋爐在大修時同步進行了“低氮燃燒+SCR煙氣脫硝”改造。電科院試驗表明600MW、450MW和300MW3個典型負荷下，低氮燃燒系統(tǒng)分別投入和退出工況相比鍋爐效率分別降低1.82%、1.14%、0.16%，對機組運行經(jīng)濟性影響較大。

通過低氮燃燒系統(tǒng)投入時燃料增加的成本和退出運行時脫硝液氨增加的成本綜合分析，認為：以SCR煙氣脫硝系統(tǒng)為主要降低NOx手段，盡量少用低氮燃燒系統(tǒng)以減少對供電煤耗的影響是最經(jīng)濟的運行方式。

1.低氮燃燒投入運行的主要運行調(diào)整內(nèi)容

（1）適當降低總風量同時關(guān)小主燃燒區(qū)的燃料周界風、輔助風擋板，為主燃燒區(qū)營造缺氧燃燒的大環(huán)境

（2）兩側(cè)大風箱的分風擋板保持50%左右的開度打開頂部燃燼風擋板，實現(xiàn)空氣分級。

（3）燃燒器采用垂直濃淡燃燒器，實現(xiàn)燃料分級燃燒（設備結(jié)構(gòu)，運行中無法調(diào)整）。

2.優(yōu)化基本原則

在脫硝系統(tǒng)可以完全滿足NOX達標排放的前提下，弱化或退出低氮燃燒系統(tǒng)運行（保持正常的總風量和主燃燒區(qū)二次風門開度、兩側(cè)大風箱分風擋板全開、關(guān)閉頂部燃燼風擋板），以降低對鍋爐效率的影響

3.低氮燃燒和脫硝系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)定

（1）試驗證明將5層燃燼風擋板全部關(guān)至10%，送風機電流會上升2～3A，同時低氮改造時將原有的頂部反切風OFA1、OFA2堵了盲板，不再具有反切風的功能不利于汽溫偏差的調(diào)整；為了降低對送風機電流的影響，同時保留汽溫偏差的調(diào)整手段，低氮退出運行期間規(guī)定：上四層燃燼風（SOFA2～5）關(guān)至10%，最底層燃燼風（SOFA1）可根據(jù)汽溫偏差及脫硝入口NOX情況進行調(diào)整，原則上開度不應過大。

（2）機組低負荷在350MW以下時，應避免最上層磨運行，同時降低氧量運行（空預器入口氧量不得＜2.0%）、適當關(guān)小主燃燒區(qū)二次風門（不得＜25%），保持大風箱差壓＞0.3kPa有利于降低脫硝入口NOX。

（3）正常運行中脫硝入口標態(tài)NOX應維持在400～500mg/m3之間，超過500mg/m3（按80%效率計算，此時脫硝出口NOX為100mg/m3）時，可以適當投入頂部燃燼風，維持脫硝系統(tǒng)達標運行。

（4）脫硝系統(tǒng)按邊界效率方式運行，在保證出口NOX不超過100mg/m3前提下，脫硝效率保證＞80且接近80%運行。

（5）當脫硝入口NOX長時間偏高，噴氨調(diào)整門開度已經(jīng)＞90%時，如果脫硝效率或出口NOX接近要求值而調(diào)整無效時，可就地手動稍開噴氨調(diào)整門旁路手動門以增大噴氨量。

（6）由于脫硝系統(tǒng)系統(tǒng)投入，SCR區(qū)域、空預器差壓增長速度加快，送風機搶風、引風機喘振可能性增大，運行中嚴格執(zhí)行防止送風機搶風、引風機喘振及處理的相關(guān)措施。

（7）隨著脫硝催化劑活性的降低，脫硝無法滿足NOX達標排放時，根據(jù)實際情況對低氮系統(tǒng)運行進行調(diào)整，必須保證煙氣達標排放。

（三等獎獲獎征文）

TM621.2

B

1671-0711（2015）06-0078-04