600 MW火电机组NOx分级控制技术应用

周 冲

(浙江大唐乌沙山发电有限责任公司，浙江 宁波 315722)

600 MW火电机组NOx分级控制技术应用

周 冲

(浙江大唐乌沙山发电有限责任公司，浙江 宁波 315722)

2015年两会召开之际，央视记者柴静的纪录片《穹顶之下》在各媒体平台的广泛热播引发了全民对环境污染问题前所未有的思考，氮氧化物NOx对大气的污染和人类健康的危害也为人们所充分认识。文中以浙江大唐乌沙山发电公司600 MW机组为示例，阐述了其原有锅炉燃烧系统存在的问题及利用NOX分级控制技术对其进行综合脱硝改造的具体方案。结合改造后的实际运行数据，分析了改造后的具体效益。对国内外同类火电机组降低NOx排放、保护环境具有一定的借鉴意义。

NOx分级控制技术；低NOx燃烧器；选择性催化还原技术(SCR)；环境保护

0 引 言

2015年两会进行之际，央视记者柴静的纪录片《穹顶之下》在各媒体平台的广泛热播引发了全民热议，它将环境污染问题彻底推到了前台，也将全体国民的环保意识提升到了一个新的高度，环保话题一度成为今年两会到来之际最热门的话题。事实上，环境保护问题一直是近年来高层重点关注的问题。众所周知，我国环境承载能力已达到或接近上限，以消耗资源和破坏环境为代价的经济发展模式已经走到了尽头。保护人民群众的生命权重于保护财产权，中央高层也已经意识到生态文明建设的重要性。

0.1 NOx排放的的危害及新国标

我国约70%的电力来源于以燃烧化石燃料为主的燃煤发电厂，伴随其工业生产过程而必然产生的NOx气体也成为环境污染的重大元凶之一。它对环境的损害作用极大，既是形成酸雨的主要物质之一，也是形成大气中光化学烟雾的重要物质和消耗O3的一个重要因子。实验研究表明，氮氧化物可刺激肺部，使人较难抵抗感冒之类的呼吸系统疾病，呼吸系统有问题的人士如哮喘病患者，会较易受二氧化氮影响。对儿童来说，氮氧化物可能会造成肺部发育受损。研究指出长期吸入氮氧化物可能会导致肺部构造改变。而其对臭氧的破坏还会增加相关区域人群罹患皮肤癌症的概率。

根据国家环保部新修订的《火电厂大气污染物排放标准》，从2014年7月1日开始，对长三角等重点地区现有火电机组氮氧化物污染物排放量的标准升级为100 mg/Nm3，作为国有大型发电企业，贯彻环保理念，降低NOx的排放量势在必行。

0.2 示例机组存在的问题

选取浙江大唐乌沙山发电有限责任公司的#1、#2、#3作为示例机组，该类型机组锅炉为哈尔滨锅炉厂制造，锅炉型号为HG-1890/25.4-YM4型，配备了由英国三井巴布科克能源有限公司(Mitsui Babcock Energy Limited)设计、制造的低NOx轴向旋流燃烧器(LNASB)。其全部30只燃烧器分三层布置，每层的前、后墙各布置5只，整体采用前后墙对冲方式燃烧。其中，前墙最下层的5只燃烧器装有等离子体点火装置，且在最上层旋流燃烧器上方，前后墙各布置1层燃尽风口，每层布置5只，共10只。锅炉自投运以来燃烧状况稳定，经济性较高。但也存在一些问题，亟待解决：首先是锅炉燃烧器磨损严重，直接影响锅炉的正常运行，同时锅炉燃烧器结渣严重；再者是锅炉NOx排放量较高(一次风与二次风混合过早，为煤粉燃烧提供了充分的氧气和高温环境，不利于控制燃料型和热力型NOx生成[1-2]；燃尽风率偏小[3])。而且由于建厂时国内技术水平的限制，该机组在设计制造时并未配备相应的脱硝装置系统。这些问题会直接影响机组的NOx排放，因此必须对机组进行技术改造。

1 分级控制设备改造思路及方案探讨

NOx是唯一可通过燃烧技术改进控制的燃煤污染。从工业生产流程上分，NOx控制技术主要有两种：低氮燃烧技术和烟气脱硝技术。

低氮燃烧技术又分为三类：(1)改进燃烧运行参数(运行调整)；(2)空气分级燃烧，包括1)低氮燃烧器(设备改造)，2)整体空气分级；(3)燃料分级燃烧。

从烟气中脱硝的方法有两种：(1)湿式流程的氧化吸收法；(2)干式流程的选择性催化还原法(SCR)和选择性非催化还原法(SNCR)。目前，使用较多的是选择性催化还原干式流程法(SCR)。

由此，可以得出NOx排放控制的总体原则和思路是：应在可能的条件下，尽可能采用多种技术相结合，最大限度降低污染生成，例如：可综合采用低NOx燃烧器的空气分级技术，再采用选择性催化还原法(SCR)对尾部烟气进行脱硝，以及进行燃烧运行优化调整，分级、多线程地降低总的NOx生成。以示例机组为例，分级控制设备改造具体方案如下：

1.1 低氮燃烧技术改造

从机组运行的安全性和经济性出发，经过综合考虑，锅炉主要做如下改造：

(1)将除等离子燃烧器外的25只LNASB燃烧器的一次风组件更换为中心给粉燃烧器一次风组件。改造后的燃烧器的结构如图1所示。

图1 改造后的低氮燃烧器结构

在锅炉原燃尽风上方新增一层燃尽风装置。前、后墙各新增5只燃尽风装置，总计新增10只，燃尽风装置的布置如图2所示。

图2 改造后的OFA 喷口布置图

新增的燃尽风装置采用内直流、外旋流的进风方式，其结构如图3所示。

图3 改造后OFA 燃烧器结构图

1.2 SCR烟气脱硝技术改造

选择性催化还原法(SCR)烟气脱硝是目前世界范围内应用最为广泛的脱硝技术[4-5]，该反应对催化剂的要求是活性高、寿命长、经济上合算、不产生二次污染、能经受起脏烟气污染、不易受影响。通常采用以二氧化钛(TiO2)为基体的碱金属如铁、铬、铜、钴或铜等作催化剂。具有脱硝效率高、氨的逃逸率低、运行稳定、维护方便等优点。其具体反应机理为：

通过还原剂氨气(NH3)和催化剂V2O5/TiO2在290～400℃温度下，有选择的和烟气中的NOx反应并生成无毒的氮气 (N2)和水蒸气(H2O)的过程，主要反应如下：

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O

6NO2+8NH3→7N2+12H2O

SCR脱硝装置主要由烟气系统、SCR反应器本体、供氨与喷氨系统、催化反应器、声波吹灰系统、控制系统等组成。

示例机组乌沙山发电公司自2011年开始，历时三年时间，以每年一台机组的速度，先后对#3、#2、#1机组进行了此项技术改造，此类脱硝改造均需结合机组A修进行，总工期控制在70天左右为宜。该公司选用的系统是由清华同方环境有限责任公司引进意大利TKC公司技术，结合清华大学热能系多年来在SCR烟气脱硝技术方面的研究而专门设计制造的。每台机组的脱硝技术改造工程均配有两套SCR反应器装置及一套共用的还原剂制备系统，为乌沙山电厂600 MW机组提供完整可运行的脱硝装置。SCR烟气脱硝系统所用催化剂是蜂窝状催化剂，可以再生；其第一层催化剂的脱硝效率不低于50%。而还原剂则是纯度为99.5%的液氨。

在具体施工阶段，将SCR反应器布置在锅炉省煤器出口与空气预热器入口之间。离开省煤器的热烟气在进入SCR反应器前与氨气(在远离SCR反应器的上游烟道中喷入)充分均匀混合后进入反应器，氨在反应器中催化剂的作用下，选择性地与烟气中的NOx(主要为NO和少量的NO2)发生化学反应，将NOx转换成无害的氮气(N2)和水蒸气(H2O)，从而完成脱硝过程，脱硝后的净烟气从反应器底部流出，经出口烟道进入下游的空气预热器。整个工艺流程则涉及烟气流、氨流、氮气流、蒸汽流及水流等主要物料流，其中主要物流流向如下：

(1)原烟气：来自锅炉省煤器的未脱硝烟气→SCR系统入口→喷氨格栅→烟气/氨混合器→导流板→整流装置→催化剂层。

(2)净烟气：催化剂层→SCR反应器出口→空气预热器入口。

(3)氨：载氨槽车→液氨储罐→氨蒸发槽→氨缓冲槽→氨/空气混合器→喷氨格栅→烟气/氨混合器→SCR反应器。

(4)氮气：对于氮气系统：由氮气储罐分别到储氨槽、蒸发槽、缓冲槽、稀释槽、氨/空气混合器。

(5)废水：卸氨区→稀释槽→废水池。

1.3 每台机组脱硝技改配套改造项目

(1)1座还原剂存储制备站的配套增容改造；(2)1套脱硝配套锅炉钢结构改造；(3)2台空预器配套改造；(4)2台引风机实行增压风机与引风机合一改造，取消原机组脱硫系统增压风机，并且将原引风机由静叶可调轴流风机改为低转速的双级动叶可调轴流风机，从而提高风机运行效率、降低电耗，并且提高风烟系统安全稳定性(改造中乌沙山电厂选用成都凯凯凯电站风机有限公司产品，新改动调引风机型号为HU26646-12型，两级叶片选用一级高压叶片、一级低压叶片。经过改造可使风机年节约电费约286.2万元)；(5)2台送风机节能优化改造(降低风机裕量，减小电机功率和风机轴功率，改造中乌沙山电厂选用上海鼓风机厂风机设备)。

2 分级控制脱硝改造效益分析

近年来，为从经营领域降低企业生产成本，该电厂实行煤种掺烧，所用燃煤种类较多且品质较差，远远达不到当初设计煤种的品质标准，电厂掺烧不同煤种后的NOx排放瞬时值有时高达425 mg/Nm3。 这既达不到当前和未来的国家环保标准，又对地区环境污染埋下严重隐患，实施脱硝改造势在必行。乌沙山发电厂降NOx分级治理改造工程是列入宁波市“十二五”重大建设项目规划的重大技术改造项目，有着非同一般的环保价值和政治意义。

经过观测改造后最近一年来的运行实时数据(如图4所示)，示例机组(乌沙山#1—#3机组)在经过本轮NOx分级治理后，利用低氮燃烧器改造和SCR脱硝改造等技术改造同时结合运行人员日常运行优化调整，在不同负荷条件下，各机组脱硝效率均可长期维持在80%以上，双侧对称布置共设三层催化剂平台中目前已使用两层，这两层压力之和基本不超过400Pa，在正常脱硝效率时NOx烟气污染物排放实测值≤55 mg/Nm3以下，在脱硝效率较低时NOx烟气污染物排放实测值≤80 mg/Nm3，完全满足2014年7月国家环保部新修订的《火电厂大气污染物排放标准》对长三角等重点地区现有火电机组氮氧化物污染物排放量的标准升级为100 mg/Nm3的严格要求。

图4 分级脱硝改造后的机组实时运行数据(2015年4月)

#1—#3机组经过此轮技术改造后，由浙江省电力试验研究院现场分别试验证明，各机组新投产的脱硝设备脱硝效率均≥80%，每台机组脱硝前NOx年排放量为5 645 t，而脱硝后NOx的年排放量为1 129 t，单台机组年消减量为4516t，三台每年共向宁波地区减排13 548 t，减排效果明显。该改造经过多台机组长期运行论证合理有效，对国内其它地区同类型机组或相似机组的NOx污染物排放控制具有重要的实际参考价值。

这一系列环保改造是乌沙山发电公司为坚决贯彻国家环保战略、践行央企社会责任、维护地区和谐发展向大唐集团公司和宁波市政府交出的一份满含诚意的答卷，全国各电力从业人员都正在为还子孙后代碧水蓝天贡献着自己的一份份力量，未来，我们共同努力，一定会做的更好！愿APEC蓝能够永远保持下去！

[1] 李永华, 王丽丽, 等. 空气分级燃烧低NOx排放数值模拟研究[J]. 锅炉技术, 2009, 40(6): 1-4.

[2] 刘 霞. 400t/h四角切圆煤粉炉分级燃烧技术降低NOx排放的研究与数值模拟[学位论文]. 东南大学硕士学位论文，2004.

[3] 罗 睿，陈冬林，刘 创，等. 火电厂SCR烟气脱硝反应器模拟系统设计与应用[J]. 热力发电，2011，40(2)：44-47.

[4] 徐明厚, 郑楚光. 燃煤锅炉燃烧过程与NOx排放的模型与数值计算[J]. 工程热物理学报，2001, 22(2): 249-252.

[5] 闫顺林，周 冲，董 标,等．加热器抽汽压损对机组能效影响的图谱分析[J]．应用能源技术，2011(11)：4-8.

Application of NOxHierarchical Control Technology in 600 MW Thermal Power Generation Units

ZHOU Chong

(Zhejiang Datang Wushashan Power Generation Co., Ltd, Ningbo 315722, Zhejiang Province, China)

At China two conferences 2015, the CCTV reporter ChaiJing's documentary “Under th Dome” has attracted the thoughts on environmental pollution of all citizens, the pollution of NOxto the air and human health has also been realized. This paper takes the 600 MW units in WuShashan power generation Co., Ltd as examples, introduces its inherent vice in the boiler burning system and the denitration tansformation plans using NOxhierarchical control technology. It analyzed its specific benefits of this technical transformation. This paper has a certain reference meaning on reducing NOxemission and environment protection of similar units at home and abroad.

NOxhierarchical control technology; Low NOxpulverized burner; The selective catalytic reduction; Environmental protection

2015-03-28

2015-04-10

周冲(1985-)，男，毕业于华北电力大学，工学硕士学历,研究方向为发电厂系统及设备优化设计与优化运行。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.05.009

TK229.4

B

1009-3230(2015)05-0023-04