電站燃煤鍋爐全負(fù)荷低NOx排放控制技術(shù)探討_第1頁(yè)
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文檔簡(jiǎn)介

1、電站燃煤鍋爐全負(fù)荷低NOx排放控制技術(shù)探討黃文靜1戴蘇峰2,艾春美2,康志宏2(1.上海電力股份有限公司閔行發(fā)電廠,上海200245;2.上海電力股份有限公司,上海200010)關(guān)鍵詞:NOx排放,燃煤鍋爐,SCR入口煙溫,全負(fù)荷低NOx排放控制技術(shù)摘要:隨著環(huán)保形勢(shì)的日益嚴(yán)峻,新頒布的火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)燃煤火力發(fā)電廠NOx排放濃度限值提出了更高的要求,研究高效的低NOx排放控制技術(shù)刻不容緩。目前國(guó)內(nèi)采用低氮排放控制技術(shù)的燃煤機(jī)組在額定工況下基本能滿足排放要求,但在低負(fù)荷時(shí),由于SCR入口煙溫低于催化劑正常工作溫度窗口而導(dǎo)致脫硝系統(tǒng)無法投運(yùn),針對(duì)這一問題的主要對(duì)策有增加省煤器旁路、提高

2、鍋爐給水溫度以及開發(fā)寬溫度窗口SCR脫硝催化劑。目前國(guó)內(nèi)所采用的省煤器旁路煙道等技術(shù)是以犧牲一定的經(jīng)濟(jì)性為代價(jià)的,高效節(jié)能的鍋爐全負(fù)荷低NOx排放控制技術(shù)的研究對(duì)于逐步改善周圍大氣環(huán)境質(zhì)量具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。本文旨在為燃煤鍋爐進(jìn)行全負(fù)荷低NOx排放控制提供參考。DiscussionaboutLowNOxEmissionControlTechnologyunderFullLoadinaCoal-FiredBoilerHuangwenjing1,Daisufeng2,Aichunmei2,Kangzhihong2(1.ShanghaiElectricPowerco.,LTD.Minhan

3、gPowerPlantShanghai200245;2.ShanghaiElectricPowerco.,LTD.Shanghai200010)Abstract:Astheenvironmentalsituationisbecomingmoreandmoreserious,thenew“Emissionstandardofairpollutantsforthermalpowerplants"stipulateslowerNOxemissionconcentrationlimit,soitisurgenttostudyefficientlowNOxemissioncontroltech

4、nology.Mostcoal-firedunitscanmeettheemissionrequirementsunderratedconditions,butSCRde-NOxsystemcannotworknormallybecausetemperatureofSCRinletfluegasistoolowwhentheunitisunderlowload.Themeasurestosolvetheproblemisinstallingeconomizerbypass,raisingboilerfeed-watertemperatureanddevelopingSCRdenitration

5、catalystwhichcanbeusedunderwidetemperaturerange.Economizerbypasstechnologyadoptedathomenowwillleadtolowunitefficiency.Studyofenergy-efficientlowNOxemissiontechnologyhassignificanteconomicandsocialbenefitonimprovingtheatmosphericenvironmentquality.ThispaperaimsatprovidingreferenceofcontroilingNOxemis

6、sionunderfullloadforcoal-firedboiler.Keywords:NOxemission;coal-firedboiler;SCRinletfluegas;lowNOxemissioncontroltechnologyunderfullload1前言我國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó),以煤為主的資源稟賦以及石油、天然氣等一次能源對(duì)外依存度日益增加,決定了燃煤火力發(fā)電在我國(guó)的電力工業(yè)中占主導(dǎo)地位的格局。由于工業(yè)不斷發(fā)展,能源消耗逐年增加,氮氧化物(NOx)的排放量也迅速增加,燃煤電廠(主要是煤粉爐)產(chǎn)生的大氣污染物(特別是NOx)的排放急需得到控制,如何有效地控制NO

7、x的生成已經(jīng)成為人們普遍關(guān)注的焦點(diǎn)。根據(jù)中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站提供的數(shù)據(jù),2011年我國(guó)氮氧化物排放總量為2404.3萬噸1,其中電力行業(yè)的氮氧化物排放占45%,占各種燃燒裝置NOx排放總量的一半以上,而電力行業(yè)排放的氮氧化物80%以上由燃煤鍋爐排放2。因此,2011年7月29日,我國(guó)新頒布了GB132232011火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn),新標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定新建燃煤火力發(fā)電鍋爐NOx(以NO2計(jì))排放濃度必須低于100mg/m33,達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)或領(lǐng)先水平,降低NOx排放的任務(wù)非常緊迫。2全負(fù)荷低NOx排放控制現(xiàn)狀控制NOx排放的技術(shù)包括低氮燃燒技術(shù)和煙氣脫硝技術(shù)。目前普遍采用的低氮燃燒技術(shù)主要有:低氮

8、燃燒器、燃料分級(jí)燃燒技術(shù)、空氣分級(jí)燃燒技術(shù)等。應(yīng)用在電站燃煤鍋爐上的成熟的煙氣脫硝技術(shù)主要有選擇性催化還原法(SCR)、選擇性非催化還原法(SNCR)以及SNCR/SCR混合煙氣脫硝技術(shù)4,5。目前,我國(guó)火電行業(yè)已形成以低氮燃燒和煙氣脫硝相結(jié)合的技術(shù)路線。截至2010年底,我國(guó)已投運(yùn)的煙氣脫硝機(jī)組約81675MW,占全國(guó)煤電機(jī)組容量的12.47%。截至2011年3月底,全國(guó)已投運(yùn)的煙氣脫硝容量達(dá)96885MW,其中采用SCR工藝的占93.31%,采用SNCR工藝的占6.28%,采用SNCR與SCR組合工藝的占0.41%6?!耙晃濉逼陂g新建燃煤機(jī)組全部采用了先進(jìn)的低氮燃燒技術(shù),煙氣脫硝關(guān)鍵技術(shù)和

9、設(shè)備國(guó)產(chǎn)化等方面均取得了重要進(jìn)展。催化劑是SCR脫硝系統(tǒng)的核心部件,其性能對(duì)脫硝效果有直接影響。而煙氣溫度對(duì)反應(yīng)速度和催化劑的反應(yīng)活性及壽命有決定作用,是影響SCR脫硝效率的重要因素之一。目前國(guó)內(nèi)燃煤電站常用的SCR催化劑為中溫催化劑,正?;钚詼囟葏^(qū)間一般為320400°C。鍋爐省煤器和空預(yù)器之間的煙氣溫度與這個(gè)溫度范圍接近,因此,國(guó)內(nèi)燃煤電站SCR脫硝裝置一般布置在鍋爐省煤器和空預(yù)器之間。SCR催化劑最佳反應(yīng)溫度窗口為340380C,入口煙溫在360380C以下時(shí),SCR反應(yīng)效率隨著溫度的提高而提高,相應(yīng)的氨逃逸率則逐漸降低。如圖1所示為NH3/NOX摩爾比一定時(shí),不同煙氣溫度下的

10、SCR反應(yīng)效率7,8,9。當(dāng)煙氣溫度低于催化劑的適用溫度范圍下限時(shí),在催化劑上會(huì)發(fā)生副反應(yīng),NH3與SO3和H2O反應(yīng)生成(NH4)2SO4或NH4HSO4,減少與NOx的反應(yīng),降低脫硝效率,生成物附著在催化劑表面,堵塞催化劑通道或微孔,降低催化劑的活性,同時(shí)局部堵塞還會(huì)造成催化劑的磨損。另外,如果煙氣溫度高于催化劑的適用溫度,會(huì)導(dǎo)致催化劑通道和微孔發(fā)生變形,有效通道和面積減少,從而使催化劑失活,縮短催化劑的使用壽命。典型燃煤鍋爐煙氣SCR脫硝工藝流程為:鍋爐一省煤器一脫硝反應(yīng)器一空預(yù)器一除塵脫硫裝置一引風(fēng)機(jī)一煙囪。圖1SCR反應(yīng)效率與煙溫的關(guān)系曲線下圖為典型火電廠煙氣SCR脫硝系統(tǒng)流程圖:圖

11、2典型火電廠煙氣SCR脫硝系統(tǒng)流程圖在我國(guó),絕大多數(shù)燃煤機(jī)組參與電網(wǎng)調(diào)度,因此在實(shí)際運(yùn)行過程中,尤其是非用電高峰時(shí),機(jī)組常常不能滿負(fù)荷運(yùn)行,甚至運(yùn)行于50%以下的負(fù)荷區(qū)間。雖然機(jī)組在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)省煤器出口溫度大于350°C,但在中、低負(fù)荷下的SCR反應(yīng)器入口煙溫經(jīng)常會(huì)低于SCR催化劑的最佳反應(yīng)溫度窗口,此時(shí)氨氣將與煙氣中的三氧化硫反應(yīng)生成銨鹽,造成催化劑堵塞和磨損,降低催化劑的活性,使SCR脫硝系統(tǒng)無法正常運(yùn)轉(zhuǎn),難以滿足全負(fù)荷下低NOx排放的要求10。針對(duì)鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)SCR入口煙溫過低而導(dǎo)致SCR脫硝系統(tǒng)無法投運(yùn),國(guó)內(nèi)多家環(huán)保工程公司及發(fā)電單位致力于開發(fā)適用于電站燃煤鍋爐全負(fù)荷運(yùn)

12、行的低NOx排放控制技術(shù),主要分為SCR入口煙溫優(yōu)化調(diào)整和開發(fā)高效寬溫度窗口SCR脫硝催化劑。2.1SCR入口煙溫優(yōu)化調(diào)整方案2.1.1省煤器給水旁路如圖3所示,本方案中省煤器給水入口處分為主流水量和旁路水量,主流水量進(jìn)入省煤器中吸熱升溫,旁路水量則繞過省煤器,最終兩者在省煤器出口混合。SCR反應(yīng)器入口煙溫是通過調(diào)整旁路水量和主流水量的比例來調(diào)節(jié)的。經(jīng)計(jì)算10表明,由于水側(cè)換熱系數(shù)遠(yuǎn)大于煙氣側(cè)換熱系數(shù)(約83倍),經(jīng)過給水旁路的調(diào)節(jié),SCR反應(yīng)器入口煙溫有一定提升,但煙溫提升幅度較小。隨著旁路水流量的增加,進(jìn)入省煤器的主流水量減少,省煤器出口水溫升高,嚴(yán)重時(shí)會(huì)在省煤器出口產(chǎn)生汽化現(xiàn)象,使省煤器

13、無法正常運(yùn)行甚至燒壞。盡管省煤器出口水溫變化很大,但是總的省煤器出口混合水溫降低不多,對(duì)鍋爐主要參數(shù)的影響不大。排煙溫度則隨著SCR反應(yīng)器入口煙溫的提高而不斷提高,排煙損失增加,影響鍋爐效率10。由于給水旁路調(diào)節(jié)對(duì)于省煤器傳熱系數(shù)的影響較小,盡管省煤器吸熱量有所變化,但是從熱平衡的角度來看,煙氣放熱量變化不明顯,導(dǎo)致需要調(diào)節(jié)大量的旁路給水才能提高一定溫度的SCR反應(yīng)器入口煙溫。因此,認(rèn)為省煤器給水旁路調(diào)節(jié)方案的SCR反應(yīng)器入口煙溫調(diào)節(jié)特性較差。圖3省煤器給水旁路示意圖2.1.2省煤器內(nèi)部煙氣旁路方案本方案設(shè)計(jì)在省煤器所在煙道區(qū)域,減少相應(yīng)的省煤器面積,使內(nèi)部旁路煙道和省煤器并列布置。如圖4所示

14、,內(nèi)部旁路煙道出口處設(shè)置煙氣擋板,通過調(diào)節(jié)旁路煙氣擋板的開度來控制內(nèi)旁路煙氣和省煤器出口煙氣的混合比例,從而達(dá)到調(diào)節(jié)SCR反應(yīng)器入口煙溫的目的。圖4省煤器內(nèi)部煙道旁路示意圖此方案因省煤器面積減少,省煤器出口煙溫具有自我提升作用,在旁路全關(guān)的情況下,排煙溫度依然有所提升,這對(duì)高負(fù)荷運(yùn)行不需要調(diào)節(jié)SCR反應(yīng)器入口煙溫時(shí)的經(jīng)濟(jì)性是不利的。2.1.3省煤器外部煙氣旁路圖5為省煤器外部煙氣旁路示意圖。在省煤器入口與省煤器出口這段煙道區(qū)域外部設(shè)置旁路煙道,外部旁路煙道出口處設(shè)置旁路煙氣擋板,通過調(diào)節(jié)旁路煙氣擋板的開度來調(diào)節(jié)外旁路煙氣和省煤器出口煙氣的混合比例,進(jìn)而達(dá)到調(diào)節(jié)SCR反應(yīng)器入口煙溫的目的。與省煤

15、器內(nèi)部煙氣旁路方案相比,不考慮因省煤器面積減少帶來的省煤器出口煙溫的自我提升,兩種方案中同樣的煙氣份額下,煙溫調(diào)節(jié)能力很接近。但是內(nèi)部煙氣旁路具有抬升煙溫的作用,因此,省煤器外部煙氣旁路的煙溫調(diào)節(jié)能力更占優(yōu)勢(shì)10。圖5省煤器外部煙道旁路示意圖增加省煤器旁路將引起如下問題:1、旁路運(yùn)行時(shí)降低鍋爐效率,增加煤耗及熱損失。2、增加旁路煙道及擋板,增加脫硝系統(tǒng)投資和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用,旁路擋板可能積灰阻塞,影響系統(tǒng)運(yùn)行。3、省煤器旁路將造成進(jìn)入SCR系統(tǒng)煙氣流場(chǎng)紊亂,降低總的脫硝效率。4、該旁路需在鍋爐包覆開孔,對(duì)鍋爐煙溫和煙氣量都提出新要求,對(duì)鍋爐性能及熱平衡均有一定影響。2.1.4提高鍋爐給水溫度提高鍋

16、爐給水溫度技術(shù)主要是通過各種手段來提高進(jìn)入省煤器的鍋爐給水溫度,從而減少給水在省煤器的吸熱,提高省煤器出口即SCR脫硝反應(yīng)器入口煙氣溫度。以上海某300MW電站燃煤鍋爐煙氣升溫系統(tǒng)(GastemperatureRaisingSystem以下簡(jiǎn)稱GRS系統(tǒng))的改造11為例說明此方案提高SCR入口煙溫的原理及應(yīng)用。GRS系統(tǒng)改造方案從省煤器水側(cè)入手,通過低負(fù)荷時(shí)在給水中加入爐水,提高省煤器入口的水溫,減少省煤器的吸熱,從而提升SCR反應(yīng)器入口煙氣溫度,以滿足脫硝SCR反應(yīng)器入口煙溫的要求。該煙氣升溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖6所示:該系統(tǒng)利用原鍋爐爐水循環(huán)泵,在循環(huán)泵出口分成兩路,一路通過電動(dòng)調(diào)節(jié)閥與下水包連接

17、;一路通過電動(dòng)調(diào)節(jié)閥與省煤器的給水入口并聯(lián),這部分爐水和給水的混合提高了省煤器入口給水的溫度,降低溫差減少煙氣放熱量提高省煤器出口煙溫,從而滿足SCR脫硝的適用溫度。該煙氣升溫系統(tǒng)適用于亞臨界和超高壓的汽包鍋爐。圖6GRS改造方案原理圖2.2寬溫度窗口SCR脫硝催化劑開發(fā)適用于更低溫度的脫硝催化劑是目前SCR脫硝的一個(gè)重要課題,目前國(guó)內(nèi)部分高校及環(huán)保科研院所均在進(jìn)行寬溫度窗口SCR脫硝催化劑的研發(fā)。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的郭鳳12等人以溶膠一凝膠法制備TiO2為載體的催化劑活性溫度窗口為250400°C,脫硝轉(zhuǎn)化率最高達(dá)到理論值80%;南開大學(xué)已在實(shí)驗(yàn)室里實(shí)現(xiàn)了催化劑在260C以下長(zhǎng)時(shí)間安全連

18、續(xù)運(yùn)行13;中國(guó)科學(xué)院過程工程研究所的科研團(tuán)隊(duì)的寬工作溫度煙氣脫硝催化劑項(xiàng)目得到了國(guó)家“863計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目的支持;國(guó)電集團(tuán)正在進(jìn)行降低催化劑起活溫度和催化劑活性溫度窗口范圍延展等方面的研究。然而目前國(guó)內(nèi)對(duì)寬溫度窗口SCR催化劑的研究工作還停留在實(shí)驗(yàn)室小試階段,尚沒有進(jìn)行大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用,或者反應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng),或者成本太高,無法滿足當(dāng)前電站燃煤鍋爐進(jìn)行煙氣脫硝的迫切需求。3結(jié)論隨著國(guó)家環(huán)保形勢(shì)的日益嚴(yán)峻,新頒布的火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)NOx的排放濃度提出了更高的要求,國(guó)內(nèi)新建機(jī)組均采用了低NOx排放控制技術(shù),大部分現(xiàn)有機(jī)組也相應(yīng)進(jìn)行了低氮燃燒改造和加裝SCR脫硝裝置。針對(duì)SCR脫硝的機(jī)組在低負(fù)荷

19、情況下無法投運(yùn)的問題,國(guó)內(nèi)已有的解決辦法有增加省煤器旁路煙道、提高鍋爐給水溫度以及研發(fā)寬溫度窗口SCR催化劑。以上技術(shù)雖然能一定程度地解決目前低負(fù)荷SCR脫硝系統(tǒng)無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)的問題,但省煤器旁路運(yùn)行時(shí)會(huì)降低鍋爐效率,增加煤耗及熱損失,犧牲一定的經(jīng)濟(jì)性;而寬溫度窗口催化劑的研究尚在實(shí)驗(yàn)室小試階段,無法滿足當(dāng)前電站燃煤鍋爐進(jìn)行煙氣脫硝的迫切需求。在保證鍋爐效率的前提下,實(shí)現(xiàn)機(jī)組全負(fù)荷下的低NOx排放,是一項(xiàng)重要課題。我國(guó)對(duì)NOx的控制研究起步較晚,對(duì)各種低NOx排放控制技術(shù)使用時(shí)間不長(zhǎng),火電廠應(yīng)能根據(jù)自身實(shí)際狀況,制定可行的全負(fù)荷低NOx控制方案。對(duì)此,筆者提出以下建議:(1) 綜合考慮電力企業(yè)的

20、承受能力,結(jié)合實(shí)際,對(duì)不同鍋爐所處位置區(qū)別對(duì)待,對(duì)新老機(jī)組區(qū)別對(duì)待,重點(diǎn)突出,以有限投入獲得最佳環(huán)保效益。(2) 通過鍋爐受熱面布置的優(yōu)化設(shè)計(jì),主要是理論計(jì)算與分析不同負(fù)荷下低NOx燃燒爐內(nèi)煙溫特性與鍋爐受熱面換熱特性間的耦合關(guān)系,完成適合全負(fù)荷低NOx排放的鍋爐整體布置方案設(shè)計(jì),確保在全負(fù)荷工況下滿足鍋爐主、再熱氣溫的匹配以及SCR入口煙溫的需求。確保鍋爐全負(fù)荷運(yùn)行工況下滿足合適的SCR煙溫。(3) 以現(xiàn)有低氮空氣燃燒系統(tǒng)為基礎(chǔ),有針對(duì)性地開展全負(fù)荷低氮燃燒優(yōu)化工作。通過調(diào)整一、二次風(fēng)、燃盡風(fēng)風(fēng)量及燃燒器噴嘴擺動(dòng),優(yōu)化不同條件下爐內(nèi)化學(xué)當(dāng)量比分布,在降低NOx排放濃度的同時(shí)進(jìn)一步提升低負(fù)荷條

21、件下爐膛出口煙溫,為SCR設(shè)備運(yùn)行提供合適的工作條件。(4) 研究燃料量、一次風(fēng)量、二次風(fēng)量等參數(shù)和運(yùn)行方式改變對(duì)鍋爐出口NOx含量及鍋爐效率的影響,實(shí)現(xiàn)鍋爐在頻繁變負(fù)荷下的低氮燃燒和SCR脫硝協(xié)調(diào)控制,在滿足污染物控制排放要求的前提下,實(shí)現(xiàn)噴氨量和鍋爐效率的優(yōu)化控制。參考文獻(xiàn):1 2011中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào).2 陳夢(mèng)潔,郁鴻凌,林友斌等.燃煤鍋爐低NOx排放技術(shù)研究J.能源研究與信息,2013,29(3)131-135.3 GB13223-2011.火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)S.4 BergM,BeringH.DevelopmentofaLow-NOxburnerforpulverized-coalcombustionandretrofittingofafull-scalepowerplantboilerA.In:Proceedingsofthe2ndInternationalSymp

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