張金柱，吉金芳，梁新磊，李娜

(華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，鄭州　450015)

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600 MW機(jī)組NOx超低排放改造方案

張金柱，吉金芳，梁新磊，李娜

(華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，鄭州450015)

某電廠大容量超臨界機(jī)組NOx排放雖滿足環(huán)保要求，但NOx脫除存在較大壓力，需進(jìn)一步升級(jí)改造。根據(jù)燃煤特性及電廠實(shí)際情況，對(duì)燃燒器進(jìn)行改造，增設(shè)了選擇性非催化還原系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行提效改造。改造后，NOx排放質(zhì)量濃度低于50 mg/m3，滿足超低排放要求，且降低了NOx脫除運(yùn)行成本。

燃煤；氮氧化物；選擇性非催化還原；選擇性催化還原；脫硝；超低排放；超臨界機(jī)組

0　引言

某電廠裝機(jī)總?cè)萘繛? 840 MW，一期工程安裝2臺(tái)320 MW國(guó)產(chǎn)亞臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，二期工程安裝2臺(tái)600 MW國(guó)產(chǎn)超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組。二期工程2×600 MW機(jī)組分別于2011年、2012年投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)，配套有低氮燃燒器、選擇性催化還原(SCR)脫硝裝置(2+1層催化劑)、電袋除塵器、1爐1塔石灰石-石膏濕法脫硫裝置。煙囪出口煙氣中SO2質(zhì)量濃度低于200 mg/m3(標(biāo)態(tài)，下同)，NOx質(zhì)量濃度低于100 mg/m3，煙塵質(zhì)量濃度低于20 mg/m3，均滿足現(xiàn)行環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。為了響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，對(duì)機(jī)組進(jìn)行環(huán)保改造以滿足超低排放的要求。

1　電廠污染物排放現(xiàn)狀

該電廠鍋爐均為哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司HG-1970/25.4-PM18型超臨界變壓運(yùn)行直流煤粉爐，SCR脫硝裝置由哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司總包設(shè)計(jì)、供貨，于2011年建成投運(yùn)，采用引進(jìn)日本三菱公司的SCR技術(shù)，脫硝裝置按“2+1”(2層運(yùn)行，1層備用)設(shè)計(jì)，原設(shè)計(jì)脫硝裝置入口NOx質(zhì)量濃度為550 mg/m3，出口NOx質(zhì)量濃度低于110 mg/m3，脫硝效率不低于80%。但由于運(yùn)行中裝置進(jìn)口煙氣中NOx的含量較高，且環(huán)保要求日益提高，脫硝裝置設(shè)置2層催化劑已經(jīng)不能滿足環(huán)保要求。2015年4月，#4機(jī)組脫硝催化劑備用層加裝投入運(yùn)行，脫硝采用“3+0”方式運(yùn)行。2014年、2015年又對(duì)鍋爐燃燒器進(jìn)行了低氮改造，改造后爐膛出口NOx質(zhì)量濃度降至500～600 mg/m3。通過(guò)以上不懈努力，該電廠NOx排放滿足國(guó)家日趨嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，但由于煤質(zhì)及爐型等先天條件的原因，NOx脫除始終有一定的壓力，且隨著國(guó)家超低排放要求的提出，NOx脫除需進(jìn)一步進(jìn)行改造升級(jí)。

2　燃燒器改造

鍋爐爐膛出口NOx質(zhì)量濃度與煤質(zhì)的種類有關(guān)，煙煤易于燃盡，有利于低氧燃燒和采用深度的空氣分級(jí)燃燒，因而對(duì)于燃用煙煤的鍋爐，如果燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，一般NOx排放質(zhì)量濃度相對(duì)較低。貧煤和無(wú)煙煤燃盡困難，需要相對(duì)較多的氧，因此一般而言，燃用貧煤和無(wú)煙煤的鍋爐不利于低氧燃燒和采用深度的空氣分級(jí)燃燒，同時(shí)貧煤和無(wú)煙煤的著火和穩(wěn)燃困難，一般都設(shè)計(jì)采用強(qiáng)化著火措施，這些措施均有利于NOx的形成，所以燃用貧煤和無(wú)煙煤的鍋爐NOx排放質(zhì)量濃度相對(duì)較高。為了降低改造費(fèi)用，減少后期項(xiàng)目運(yùn)行費(fèi)用，該工程首先進(jìn)行燃燒器改造,改造方案如下。

保留下層燃盡風(fēng)燃燒器噴口管屏，中心線標(biāo)高為34.726 m,將上層燃盡風(fēng)燃燒器抬高，同時(shí)增大上層燃盡風(fēng)噴口，更換相應(yīng)的燃盡風(fēng)燃燒器和噴口管屏。將現(xiàn)有D層主燃燒器改造為最新的低氮燃燒器，調(diào)整主燃燒器區(qū)一次、二次風(fēng)噴口面積，更換一次、二次風(fēng)噴口及一次風(fēng)噴嘴體、入口彎頭等部件，降低NOx及飛灰可燃物的質(zhì)量濃度。更換現(xiàn)有B層微油點(diǎn)火燃燒器[1]。

一次風(fēng)部分采用多級(jí)筒結(jié)構(gòu)，利用一次風(fēng)煤粉彎頭進(jìn)行濃淡分離，配合多級(jí)筒結(jié)構(gòu)，最終在燃燒器出口處形成中間較濃、外側(cè)較淡的煤粉氣流，降低煤粉著火所需要的熱量，使煤粉迅速著火，達(dá)到穩(wěn)定燃燒和降低NOx質(zhì)量濃度的目的；二次風(fēng)噴口采用較大的碹口角度，延緩二次風(fēng)與一次風(fēng)的混合；利用內(nèi)、外二次風(fēng)噴口角度及風(fēng)速差，在噴口外形成環(huán)形回流區(qū)。

3　增設(shè)選擇性非催化還原(SNCR)系統(tǒng)

SNCR脫硝技術(shù)原理為:使用含氮反應(yīng)劑在爐膛850～1 150 ℃溫度區(qū)域內(nèi)噴入含NO的燃燒產(chǎn)物，以發(fā)生還原反應(yīng)，脫除NO，生成N2和H2O。由于在一定溫度范圍內(nèi)且有氧氣的情況下，還原劑對(duì)NOx的還原反應(yīng)在所有其他的化學(xué)反應(yīng)中占主導(dǎo)，表現(xiàn)出選擇性，因此稱之為選擇性非催化還原。與SCR相比，SNCR的初投資低，停工安裝期短，原理簡(jiǎn)單，硬件工藝成熟。對(duì)于流化床鍋爐，典型的SNCR長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用NOx脫除率能達(dá)到50%～75%，在煤粉爐上一般達(dá)到30%～50%[2]。根據(jù)目前工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于600 MW等級(jí)的大型煤粉鍋爐，SNCR脫硝裝置可以脫除20%～30%的NOx，可保證該電廠#3，#4鍋爐SCR脫硝裝置入口煙氣中NOx質(zhì)量濃度低于450 mg/m3。

SNCR脫硝系統(tǒng)理想的溫度范圍為800～1 000 ℃，溫度過(guò)高時(shí)還原劑被氧化成NOx，煙氣中的NOx含量不減反增；溫度過(guò)低時(shí)反應(yīng)不充分，造成還原劑流失，對(duì)下游設(shè)備產(chǎn)生不利影響，甚至造成新污染。由于爐內(nèi)的溫度分布受負(fù)荷、煤種等多種因素的影響，溫度窗口隨著鍋爐負(fù)荷的變化而變動(dòng)，根據(jù)鍋爐特性和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，煤粉爐的最佳溫度窗口通常出現(xiàn)在折焰角附近的屏式過(guò)、再熱器處及水平煙道的末級(jí)過(guò)、再熱器所在區(qū)域。

還原劑必須和NOx在合適的溫度區(qū)域內(nèi)有足夠的停留時(shí)間，才能保證還原率。還原劑在最佳溫度窗口的停留時(shí)間越長(zhǎng)，脫除NOx的效果越好。NH3的停留時(shí)間超過(guò)1.0 s就可以得到最佳NOx脫除率，尿素和氨水需要0.3～0.4 s的停留時(shí)間即可達(dá)到有效脫除NOx的效果。已有的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)顯示，氨氮摩爾比一般控制在1.0～2.0之間，超過(guò)2.5對(duì)NOx還原率已無(wú)大影響。從氧量對(duì)NO還原率的影響來(lái)看，氧量越小越有利于NO的還原，CO質(zhì)量濃度太高會(huì)導(dǎo)致脫硝率下降。

由于該電廠已經(jīng)采用了液氨SCR法，從經(jīng)濟(jì)性和安全性等方面綜合考慮，采用液氨制氨水工藝，將無(wú)水液態(tài)氨通過(guò)超級(jí)吸氨器制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的氨水溶液，經(jīng)過(guò)稀釋后噴到爐膛合適區(qū)域。

氨水制備儲(chǔ)存輸送模塊包括超級(jí)吸氨器1臺(tái)，容積為30 m3的氨水儲(chǔ)罐2個(gè)，容積為6.5 m3的氨水密封罐1個(gè)，氨水輸送泵4臺(tái)(2運(yùn)2備)。在線稀釋模塊包括容積為15 m3的稀釋水罐2個(gè)，稀釋水泵4臺(tái)(2運(yùn)2備)。每臺(tái)鍋爐1套計(jì)量分配模塊，安裝氨水流量計(jì)和氨水調(diào)節(jié)閥。噴射模塊在爐膛標(biāo)高約55.7 m處安裝噴槍，前墻布置15個(gè)，兩側(cè)墻各布置4個(gè)。

改造后該工程煙氣中NOx質(zhì)量濃度為550 mg/m3(干基，標(biāo)態(tài)，O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%)，SNCR脫硝效率為20%，氨氮摩爾比為1.5，液氨純度為99.6%，氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，1臺(tái)鍋爐氨水耗量為343.67 kg/h。

4　SCR改造

為了穩(wěn)定達(dá)到超低排放的目的，在以上改造方案基礎(chǔ)上對(duì)現(xiàn)有SCR“3+0”反應(yīng)器進(jìn)行提效改造，增加1層催化劑，改造后SCR為“3+1”層布置方案，可以進(jìn)一步保證脫硝穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。催化劑仍采用板式催化劑，模塊尺寸為1 882 mm×954 mm×1 470 mm，8×10布置。改造后SCR脫硝效率可由原來(lái)的80%提高到90%以上。

5　結(jié)論

采用爐內(nèi)低氮燃燒改造可以保證鍋爐產(chǎn)生的NOx質(zhì)量濃度低于550 mg/m3，新增SNCR脫硝系統(tǒng)可以保證SCR脫硝裝置入口煙氣NOx質(zhì)量濃度低于500 mg/m3，再通過(guò)對(duì)SCR進(jìn)行提效改造，最終保證該工程N(yùn)Ox排放質(zhì)量濃度低于50 mg/m3。

通過(guò)鍋爐燃燒器改造及爐膛配風(fēng)改造可以減少脫硝的運(yùn)行費(fèi)用，采用SNCR脫硝技術(shù)由于會(huì)引起鍋爐效率降低而增加脫硝運(yùn)行費(fèi)用，因此，SNCR脫硝裝置計(jì)劃在鍋爐滿負(fù)荷運(yùn)行、NOx排放質(zhì)量濃度偏高時(shí)再投入運(yùn)行，以控制SCR入口NOx質(zhì)量濃度。當(dāng)鍋爐負(fù)荷較低，爐膛出口NOx排放質(zhì)量濃度較低時(shí)，SNCR脫硝裝置不投入運(yùn)行，直接通過(guò)SCR裝置進(jìn)行脫硝。

通過(guò)以上低氮燃燒+SNCR脫硝+SCR脫硝的合理組合、靈活搭配，保證機(jī)組穩(wěn)定達(dá)到NOx超低排放的目的，同時(shí)降低機(jī)組NOx脫除運(yùn)行成本。

[1]邱明.淺析660MW機(jī)組低氮燃燒技術(shù)及其優(yōu)化改造方案[J].科學(xué)導(dǎo)報(bào)，2014(1):257.

[2]韓奎華，路春美，王永征，等.選擇性非催化還原脫硝特性試驗(yàn)研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008(14)：81-85.

(本文責(zé)編：弋洋)

2016-03-22；

2016-06-26

TK 16

B

1674-1951(2016)07-0074-02

張金柱(1981—)，男，河南濮陽(yáng)人，高級(jí)工程師，從事火力發(fā)電廠鍋爐專業(yè)設(shè)計(jì)方面的工作(E-mail:6726386@qq.com)。