300MW機組鍋爐燃燒控制與煙氣脫硝綜合技術(shù)脫氮工程應(yīng)用

1、300MW機組鍋爐燃燒控制與煙氣脫硝綜合技術(shù)脫氮工程應(yīng)用戴正祥 王曉東（太倉港協(xié)鑫發(fā)電有限公司，江蘇 太倉 ）摘要： 文章針對太倉港協(xié)鑫發(fā)電有限公司300MW機組鍋爐脫氮工程實例，介紹了300MW機組鍋爐脫氮技術(shù)方案的選擇及應(yīng)用，為同類型燃煤鍋爐減少氮氧化物排放的技術(shù)方案選擇提供借鑒和參考。關(guān)鍵詞： 低NOx；SCR；脫硝0 引言NOx的排放是酸雨的形成和對大氣中臭氧層破壞的重要原因之一，據(jù)有關(guān)部門估算：1990年我國的NOx排放量約為910萬噸，到2000年和2010年，我國的NOx排放量將分別達到1561萬噸和2194萬噸，其中近70%來自于煤炭的直接燃燒，以燃煤為主的電力生產(chǎn)是NOx排放

2、的主要來源。鑒于我國的能源消耗量今后將隨經(jīng)濟的發(fā)展不斷增長，NOx排放量也將持續(xù)增加，如不加強控制，NOx將對我國大氣環(huán)境造成嚴重的污染。根據(jù)最新火電廠大氣污染物排放標準（征求意見稿），在“十二五”期間，燃煤電廠鍋爐NOx排放標準將提出更高的要求，長三角地區(qū)可能控制在100 mg/Nm3以內(nèi)。1 脫氮技術(shù)簡介在燃煤電廠NOx排放的控制方面，目前主要有燃燒控制技術(shù)和煙氣脫硝技術(shù)（SCR/SNCR），前者是抑制和減少鍋爐燃燒過程中的NOx產(chǎn)生和排放，后者則是從鍋爐排放的煙氣中脫除NOx。（1）低NOx燃燒控制技術(shù)低NOx燃燒控制技術(shù)主要是抑制和減少鍋爐燃燒過程中的NOx的產(chǎn)生，有以下幾種形式：低氧

3、燃燒、排氣循環(huán)燃燒、注入水蒸氣或水、二級燃燒、濃淡燃燒、分段燃燒、降低空氣比等。其中效果最好的是二級燃燒和濃淡燃燒。燃燒控制技術(shù)能減少20%60%的NOx生成，技術(shù)簡單，不占地，費用較低。（2）選擇性催化還原(SCR)技術(shù)選擇性催化還原(SCR)技術(shù)是目前應(yīng)用最多而且最有成效的煙氣脫硝技術(shù)。SCR技術(shù)是在釩催化劑作用下，以NH3作為還原劑，將NOx還原成N2和H2O。NH3不和煙氣中的殘余的O2反應(yīng)，而如果采用H2、CO、CH4等還原劑，它們在還原NOx的同時會與O2作用，因此稱這種方法為“選擇性”。示意圖如圖1所示，主要反應(yīng)方程式為：4NH3+4NO+O24N2+6H2O (1)NO+NO2

4、+2NH32N2+3H2O (2) 圖1 催化反應(yīng)示意圖選擇適當?shù)拇呋瘎?，上述反?yīng)過程可以在300400的溫度范圍內(nèi)有效進行，脫硝效率可達到80%90%。目前，世界各國采用的SCR系統(tǒng)有數(shù)百套之多，技術(shù)成熟、運行可靠、NOx脫除率高。SCR技術(shù)在國內(nèi)已逐步開始推廣應(yīng)用，目前已建成或正在建設(shè)的SCR脫硝裝置幾十套以上。（3）選擇性非催化還原(SNCR)技術(shù)選擇性非催化還原法（SNCR）是一種不使用催化劑，在 8501100溫度范圍內(nèi)還原NOx的方法。最常使用的藥品為氨和尿素。 一般來說，SNCR脫硝效率對大型燃煤機組可達 25%40% ,對小型機組可達 80%。由于該技術(shù)受鍋爐結(jié)構(gòu)尺寸影響很大，

5、且加裝SNCR脫硝系統(tǒng)運行中，對水冷壁、過熱器、再熱器和省煤器腐蝕的問題比較嚴重，易造成鍋爐非停事故，因此多用作低氮燃燒技術(shù)的補充處理手段。其工程造價低、布置簡易、占地面積小，較適合老廠小型機組的改造。2 脫氮方案的選擇太倉港協(xié)鑫發(fā)電有限公司300MW機組鍋爐為上海鍋爐廠有限公司制造，亞臨界、一次中間再熱、控制循環(huán)汽包爐；單爐膛、型結(jié)構(gòu)、平衡通風，四角切園燃燒、擺動燃燒器調(diào)溫；正壓直吹式制粉系統(tǒng)。鍋爐原設(shè)計煤種為平朔煤（二期）、神華煤（三期）。鍋爐原設(shè)計采用緊湊型低NOx燃燒技術(shù)，即燃燒器上部設(shè)計兩層OFA、一層SOFA燃燼風。鍋爐原設(shè)計未提供NOx排放值，根據(jù)機組歷次大修后燃燒優(yōu)化試驗報告，

6、NOx排放值受到煤種、配風、氧量、負荷波動等因素的影響較大，一般在在350 mg/ Nm左右，高值達到450 mg/ Nm左右。因此，若只采用煙氣脫硝（SCR技術(shù)），則其入口NOx設(shè)計值應(yīng)按450 mg/ Nm考慮。根據(jù)火電廠氮氧化物防治技術(shù)政策，及經(jīng)調(diào)研分析，采用低NOx燃燒控制與煙氣脫硝（SCR）相結(jié)合的技術(shù)方案，在可行性、投資成本、施工難度、運行成本等方面是最佳的組合方案。受當前煤炭市場影響，本次改造設(shè)計煤種按68%神混+32%褐煤考慮，校核煤種按45%神混+55%褐煤考慮。要求在燃用設(shè)計煤種時，保證鍋爐效率和安全性的基礎(chǔ)上，省煤器出口NOx含量小于200 mg/Nm。煙氣脫硝裝置采用S

7、CR技術(shù)，裝置入口NOx含量按300 mg/Nm設(shè)計。煙氣脫硝裝置在設(shè)計煤種、鍋爐BMCR負荷下，脫硝效率不小于80，催化劑布置方式采用2+1，2層運行，1層備用。2.1 低NOx燃燒器太倉港協(xié)鑫發(fā)電有限公司300MW機組鍋爐，常用煤種揮發(fā)份較高，有利于采用低NOx燃燒技術(shù)。通過調(diào)研及可行性分析，最終選用雙尺度低NOx燃燒器，滿足燃燒穩(wěn)定、高效、可靠、低NOx的要求。同步對燃油系統(tǒng)進行了微油點火裝置改造，采用微油點火技術(shù)后，鍋爐冷態(tài)啟動耗油量不超過4t。雙尺度低NOx燃燒器為國內(nèi)較先進的產(chǎn)品，燃燒器箱殼由隔板分成若干風室，各風室出口處布置噴嘴，風室的入口處布置二次風門擋板，頂部二次風噴嘴（OF

8、A）為手動，單獨擺動。燃燒器上部布置有16只燃盡風(SOFA)風口，分四層布置。設(shè)計的主要特點有：（1）燃燒器采用四角直流燃燒器，為四角切圓燃燒方式。（2）采用上下濃淡左右濃淡空間組合濃淡分離技術(shù)。（3）主燃燒器嘴擁有各自的擺動連桿。一次風噴嘴上、下擺動各20；二次風噴嘴可上、下擺動各30；頂部手動二次風噴嘴（OFA）可上擺動30、下擺動各5，通過燃燒器擺動可以調(diào)節(jié)再熱器溫度。（4）燃燒器上部布置四層燃燼風（SOFA）噴口，SOFA風箱直接從原二次風箱上部引出。每組SOFA噴嘴可整體上下30的擺動，控制煤粉在爐膛合適高度位置完全燃燒，而降低NOx排放。同時可通過另一個手動調(diào)節(jié)機構(gòu)分別實現(xiàn)水平方

9、向10的調(diào)節(jié)（左右擺動）。采用可水平擺動的SOFA設(shè)計，能有效調(diào)整SOFA和煙氣的混合程度，降低飛灰含碳量和一氧化碳含量，并能降低爐膛出口煙溫偏差。四層與主燃燒器分離的SOFA噴嘴,其中一層備用,燃燒調(diào)節(jié)的靈活性更高。（5）保留原B、C、D二次噴嘴中3層共12支機械霧化油槍。（6）將A層一次風噴口更換為帶微油點火油裝置的燃燒器，每支機械霧化油槍出力為50kg/h，并兼具低NOx燃燒功能。（7）為了便于工地安裝和保證氣流射入爐膛角度，故將SOFA燃燒器與水冷套（燃燒器區(qū)域水冷壁）組裝成一體后出廠。（8）SOFA燃燒器殼體用螺栓連接固定在水冷套上。在角區(qū)風箱風道中心的24只高強度螺栓作緊固用，其余

10、的螺栓并不完全擰緊，可允許角區(qū)風箱風道與水冷壁間作相對位移，在各種工況下吸收角區(qū)風箱風道與水冷壁間的脹差。（9）采用貼壁風分級燃燒技術(shù)、一次風空間濃淡組合技術(shù)、精確配風的分區(qū)優(yōu)化。 圖2 低NOx燃燒器立面圖2.2 煙氣脫硝（SCR）裝置太倉港協(xié)鑫發(fā)電有限公司300MW機組鍋爐煙氣脫硝裝置采用選擇性催化還原(SCR)技術(shù)，脫硝裝置如圖2所示。采用高塵布置方式，即將脫硝裝置布置在省煤器與空預(yù)器之間，該方式是應(yīng)用最廣泛的布置方式。脫硝裝置按照80%脫硝率（裝填二層）設(shè)計。主要包括三部分，即稀釋空氣系統(tǒng)、供氨系統(tǒng)及催化反應(yīng)器。煙氣中的NOx與來自氨/空氣混合器的氨在催化劑的作用下反應(yīng)，NOx轉(zhuǎn)化為N

11、2和H2O，處理后的煙氣進入空氣預(yù)熱器。 圖3 SCR裝置示意圖圖4 SCR立面示意圖為了以后在選擇催化劑方面得到更大的自由度，滿足不同型式、廠家的產(chǎn)品，本工程反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計按較重的蜂窩式催化劑進行。催化劑布置兩層，備用一層。(1) 煙氣流程由于SCR系統(tǒng)所要求的煙氣溫度為300400，故本工程SCR反應(yīng)器放置在省煤器和空氣預(yù)熱器之間，這里的煙氣溫度為362，滿足反應(yīng)要求。氣氨與空氣均勻混合后，通過噴氨格柵與煙氣均勻混合后進入反應(yīng)器。煙氣經(jīng)過煙氣脫硝過程后經(jīng)空氣預(yù)熱器熱回收后進入電除塵器和FGD系統(tǒng)后排入大氣。(2) SCR反應(yīng)器反應(yīng)器的上部安裝有導(dǎo)流板、整流裝置，在反應(yīng)器的豎直段裝有催化劑床

12、。反應(yīng)器采用固定床平行通道型式，安裝兩層，并預(yù)留一層位置。每個反應(yīng)器按3層設(shè)計，層之間空間高度為3.23.6m。每層催化劑前端有耐磨層，減弱飛灰對催化劑的沖刷作用。反應(yīng)器為直立式焊接鋼結(jié)構(gòu)容器，內(nèi)部設(shè)有觸媒支撐結(jié)構(gòu)，能承受內(nèi)部壓力，地震負荷、煙塵負荷、催化劑負荷和熱應(yīng)力等。反應(yīng)器殼外部設(shè)有加固肋及保溫層，催化劑頂部裝有密封裝置，防止未處理過的煙氣短路。(3) 氨噴射系統(tǒng)氨和空氣在混合器和管路內(nèi)借流體動力原理將二者充分混合，再將混合物導(dǎo)人氣氨分配總管內(nèi)。氨噴射系統(tǒng)包括供應(yīng)箱、噴霧格柵和噴孔等。噴射系統(tǒng)配有手動調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)氨的合理分布，在對NOX濃度進行連續(xù)分析的同時，調(diào)節(jié)必要的氨量從噴氨格柵中噴

13、出，通過格柵使氨與煙氣混合均勻。3 鍋爐附屬設(shè)備改造增加了煙氣脫硝SCR裝置后，煙氣成分、阻力和系統(tǒng)布置均發(fā)生了變化，為了保證下游設(shè)備的正常運行，同步對鍋爐附屬設(shè)備進行了相關(guān)改造。（1）空預(yù)器改造SCR裝置安裝在現(xiàn)有省煤器與空預(yù)器之間以后，逃逸的氨將與三氧化硫反應(yīng)，在空預(yù)器中溫段換熱元件和低溫段換熱元件上生成硫酸銨和硫酸氫銨。其中硫酸氫銨在該處溫度區(qū)間內(nèi)為粘著的沉積物，從而限制了煙氣的流動和降低傳熱效率。為了避免空預(yù)器發(fā)生低溫腐蝕，兼顧設(shè)備運行后的出口煙風溫度、壓降、硫酸氫銨沉降，將空預(yù)器進行相關(guān)改造。改造后空預(yù)器元件分為2層布置：即熱端低碳鋼元件和冷端耐腐蝕元件。改造過程中，以徑向密封間隙調(diào)

14、整為核心，考慮運行過程中毀損的密封片，進行必要的補充。同時對軸向和旁路密封片進行檢查。（2）引風機改造考慮脫硝改造后增加的反應(yīng)器阻力、將來電袋除塵器改造增加的阻力、脫硫系統(tǒng)阻力等因素，系統(tǒng)核算煙氣參數(shù)。對鍋爐引風機改造，采用“三合一”方案，最終確定使用變頻調(diào)節(jié)+雙吸離心風機的方案。（3）鍋爐鋼架的改造脫硝裝置的水平力由脫硝裝置的柱網(wǎng)承擔，鍋爐支架在設(shè)計時沒有考慮此力，根據(jù)脫硝裝置的荷載對部分鍋爐支架改造加固。同時原有設(shè)計的鍋爐尾部M排鋼架存在大的斜支撐，無法安裝增加的SCR進、出口煙道，同步進行了改造加固。4 改造后效果（1）低NOx燃燒器改造效果經(jīng)過燃燒調(diào)整，在燃用設(shè)計煤種工況時，機組額定負

15、荷下，省煤器出口NOx含量為190mg/ Nm左右，負荷越低NOx含量也越低。在燃用校核煤種工況時，機組額定負荷下，省煤器出口NOx含量為200mg/ Nm左右，負荷越低NOx含量也越低。各種工況下CO排放量均較小，全部在100ppm以內(nèi)。其他飛灰、排煙溫度、爐渣含碳量和主、再熱汽溫等參數(shù)均在原設(shè)計范圍內(nèi)。（2）煙氣脫硝裝置改造效果煙氣脫硝裝置設(shè)計效率80%，暫按65%實施。鍋爐40%BMCR-100%BMCR負荷下，脫硝效率均能達到65%；NH3/NOx摩爾比小于0.671；氨逃逸率小于3ppm；SO2/SO3轉(zhuǎn)化率小于1%，系統(tǒng)漏風率小于0.4%；反應(yīng)器阻力小于180Pa。5 結(jié)論 太倉港

16、協(xié)鑫發(fā)電有限公司300MW鍋爐脫氮方案，采用低NOx燃燒控制技術(shù)與煙氣脫硝（SCR）技術(shù)相結(jié)合的方案，不僅有效控制NOx的排放，而且排放指標優(yōu)于最新的排放要求。該技術(shù)方案的選擇并成功實施，為近期同類型機組鍋爐脫氮、脫硝改造提供良好的經(jīng)驗。同時，由于采用低NOx燃燒控制和煙氣脫硝（SCR）相結(jié)合的綜合技術(shù)方案，在降低改造投資成本、施工難度及運行成本方面效果顯著，主要體現(xiàn)在以下幾方面：（1）采用低NOx燃燒控制技術(shù)，在設(shè)計煙氣脫硝裝置時，可以將入口NOx濃度450 mg/ Nm降低到300 mg/ Nm來考慮。由于SCR裝置入口濃度的降低，可以降低SCR整體結(jié)構(gòu)件的成本，及催化劑的成本。同時由于催

17、化劑用量的降低，降低SCR反應(yīng)器的荷重，從而降低了下部混凝土框架及基礎(chǔ)的加固工程量，可以節(jié)約可觀的施工費用。（2）對于老電廠煙氣脫硝裝置改造，施工難度很大部分來自于土建部分?？梢哉f原混凝土框架及基礎(chǔ)的加固工作，受到作業(yè)環(huán)境的影響，施工難度特別大。通過降低SCR反應(yīng)器的荷重，大大降低了施工難度。（3）采用低NOx燃燒控制技術(shù)，煙氣脫硝裝置入口NOx濃度從450 mg/ Nm降低到300 mg/ Nm。在裝置的運行中，可有效降低系統(tǒng)能耗、催化劑耗量、氣氨耗量，節(jié)約機組運營成本。參考文獻：1陳山，岑可法，600MW鍋爐煙氣脫硝SCR系統(tǒng)工藝及運行分析，浙江大學熱能工程研究所，浙江省電力試驗研究院2崔建華，丹麥托普索公司SCR脫硝技術(shù)在中國燃煤電廠上的應(yīng)用，托普索國際公司北京辦事處3黎耘，與催化劑相關(guān)的SCR脫硝系統(tǒng)設(shè)計問題的探討，北京巴布科克威爾科克斯有