張曜超

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

關鍵詞 火電廠氮氧化物控制 低氮燃燒 脫硝技術

中圖分類號：TM61.8 文獻標識碼：A

1氮氧化物控制技術改造的意義及背景

隨著科學技術革命和工業(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)代科學技術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)電設備仍將是常規(guī)的燃煤發(fā)電機組，煤燃燒排放污染物占總?cè)剂先紵欧帕康谋壤校珻O為71%、粉塵為70%、SO2為90%、CO2為85%、NOX為70%。這些污染物嚴重破壞了生態(tài)環(huán)境，僅由NOX、SO2造成的直接經(jīng)濟損失就高達數(shù)千億元，嚴重制約了國民經(jīng)濟的可持續(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，但其溫室效應的能力是CO2的200～300倍。

1.3氮氧化物控制技術應用現(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主要有低氮燃燒技術（LNB）、選擇性非催化還原脫硝技術（SNCR）、選擇性催化還原脫硝技術（SCR）等。

國內(nèi)有大量不同容量機組進行了LNB改造，煙煤鍋爐能控制NOx排放濃度250～350mg/m3，貧煤鍋爐達到400～500mg/m3。目前，大量的機組已經(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控制技術的設計能力和工程實施能力，且擁有了一定的運行經(jīng)驗。

2氮氧化物控制技術介紹

2.1低氮氧化物燃燒技術（LNB）

低NOx燃燒技術就是通過控制燃燒區(qū)域的溫度和空氣量，以達到阻止NOx生成及降低其排放的目的?，F(xiàn)代低NOx燃燒技術將煤質(zhì)、制粉系統(tǒng)、燃燒器、二次風及燃盡風等技術作為一個整體考慮，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

SCR技術最早于上世紀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，無論是新建機組還是在役機組改造，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)濟性最高。

2.3選擇性非催化還原（SNCR）煙氣脫硝

SNCR技術是將氨基還原劑（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進行選擇性非催化還原反應，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?，F(xiàn)代SNCR技術可控制NOx排放降低20～50%，多用作低NOx燃燒技術的補充處理手段。由于它的低投資和低運行成本，特別適合小容量鍋爐的使用，在大型鍋爐上運行業(yè)績較少。

2.4混合型SNCR/SCR技術

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

3氮氧化物控制技術方案分析

3.1氮氧化物控制技術方案

方案一：直接采用SCR工藝，不進行燃燒器改造方案

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)缺點分析

方案一由于直接采用SCR工藝，未進行燃燒器改造，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，則以后的運行成本較高，主要在于催化劑更換、還原劑尿素用量大、尿素熱解需消耗的電量等造成運行成本高。根據(jù)相同容量等級機組的改造經(jīng)驗，方案一的經(jīng)濟性最小，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，但運行維護難度較高。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，不新增單獨的噴氨裝置，則脫硝效率較低，且由于SNCR出口NH3分布嚴重不均，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，不僅增加改造的風險，且將造成運行上的困難。

經(jīng)對方案二和方案三進行比較，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，鑒于此本次技術路線選型從可靠性、技術先進性、運行穩(wěn)定性、經(jīng)濟性綜合因素考慮選用LNB+SCR組合式協(xié)同脫硝工藝。

4氮氧化物控制技術使用效果分析

4.1多種降NOx技術綜合利用，效果顯著

軸向空氣分級燃燒：同時設置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，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，撞擊塊上迎風面貼耐磨陶瓷片，厚度為10mm。不改變原燃燒器各標高，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層一次風粉分離為上淡下濃、C層一次風粉分離為 上淡下濃，拉近了 B、C層一次風噴口的實際垂直距離，使得整個燃燒器本來不均勻的一次風間距變得更為均勻，燃燒器各區(qū)域的壁面熱負荷同時也得到了改善，防止因燃燒器局部區(qū)域溫度過高而導致結(jié)焦。

一次風噴口四周均設置周界風，使得煤粉氣流剛度可調(diào)，以便調(diào)節(jié)著火距離和燃燒強度，有效防止噴口結(jié)焦或燒壞。噴口兩側(cè)設有扳邊，引導兩側(cè)周界風至水冷壁近壁區(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及二次風噴口的原有標高，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補入的二次風使得爐膛出口過量空氣系數(shù)與改前相比沒有變化，且SOFA設置位置通過CFD模擬計算精確定位，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、一二次風大小切圓布置的設計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變負荷工況適應性分析

2層SOFA可根據(jù)負荷實際情況選擇運行層。當負荷較低、汽溫達不到額定值、NOX排放量由于氧量較高不能滿足排放指標時，投運上一層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，當負荷較高、減溫水用量較大、煤粉燃盡效果不理想時，投運下一層SOFA。

同時SOFA還設有垂直、水平復合擺動機構(gòu)，可作為微調(diào)手段調(diào)整變負荷工況下的汽溫、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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