1000MW超超临界火力发电机组降低NOx措施研究

铜山华润电力有限公司 张建华 李京 王松

0 引言

在燃煤电厂排放的大气污染物中，NOx因为对生态环境和人体健康危害极大，且难以处理，所以成为重点控制排放的污染物之一。目前控制NOx排放的主要措施有燃烧调整及燃烧后脱硝两种。通过设置低NOx燃烧器，合理的进行燃烧调整，增加SCR脱硝技术，可有效的控制NOx的排放量，减轻电厂SCR运行成本，进一步降低NOx排放量，对治理大气污染、保持良好的空气环境具有积极的意义。

1 系统设计特点

铜山华润电力2×1000MW超超临界燃煤发电机机组，配置上海锅炉厂制造的SG-3044/27.46-M53x超超临界参数、直流炉、单炉膛、一次再热、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构、切圆燃烧方式塔式锅炉。机组脱硝方式采用锅炉低氮燃烧技术和选择性催化还原法（SCR）脱硝技术。

1.1 低NOx同轴燃烧系统（LNTFS）

燃烧方式采用低NOx同轴燃烧系统，煤粉燃烧器为四角布置、切向燃烧、摆动式燃烧器，通过分析煤粉燃烧时NOx的生成机理，建立早期着火和使用控制氧量的燃料/空气分段燃烧技术，分层布置喷嘴和二次风，减少挥发份氮转化成NOx，达到有效降低NOx产生的目的。系统主要组件为：紧凑级燃尽风（CCOFA）；可水平摆动的分离燃尽风（SOFA）；预置水平摆角的辅助风喷嘴（CFS）；强化着火（EI）煤粉喷嘴。

煤粉燃烧器采用典型的LNTFS燃烧器布置，一共设有12层煤粉喷嘴，在煤粉喷嘴四周布置有燃料风（周界风）。燃烧器风箱分成独立的3组，下面2组风箱各有6层煤粉喷嘴，对应3台磨煤机，在每相邻2层煤粉喷嘴之间布置有1层燃油辅助风喷嘴。每相邻2层煤粉喷嘴的上方布置了1个组合喷嘴，其中预置水平偏角的辅助风喷嘴（CFS）和直吹风喷嘴各占约50%出口流通面积。该系统采用6台直吹式中速磨煤机，容量的选择使得在任何负荷情况下至少有一台磨煤机处于备用状态。每台磨煤机对应提供2层燃烧器所需的煤粉。磨煤机出口的4根煤粉管道在燃烧器前通过一个1分2的分配器，分成8根煤粉管道，进入4个角燃烧器的2层煤粉喷嘴中。

图1 煤粉燃烧器详图

1.2 选择性催化还原法（SCR）脱硝技术

脱硝工艺采用选择性催化还原法（SCR）的方式，SCR工艺系统主要包括：催化剂及其反应器、氨储存系统、氨喷射系统、脱硝公用系统和控制系统等。

SCR还原剂采用液氨，催化剂是以氧化钛为基体，其结构型式采用板式，催化剂安装在一个固定反应器的箱体内，采用2+1层布置。

脱硝装置安装在省煤器至空预器的区段，能够保证对两台机组进行100%烟气量进行脱硝处理。在锅炉燃用设计煤种50%BMCR～100%BMCR工况下、烟气温度在320～420℃范围内时，处理烟气量时的保证脱硝效率不小于70%（入口烟气NOx含量350mg/Nm3）。

SCR系统包括：烟气系统、SCR反应器和催化剂、空气预热器系统以及相应的烟风道系统、催化剂的吹灰系统、氨的空气稀释和加注系统、烟气取样系统。SCR系统反应器本体是实现还原反应场所，在SCR区将氨气与空气混合后注入SCR反应器进口烟道，与烟气充分混合后，氨作为还原剂在催化剂的作用下与氧化氮反应生成水和氮气，使得SCR出口氧化氮浓度降到规定值。

图2 SCR系统流程图

2 影响NOx排放因素分析

2.1 配风方式对NOx排放的影响

低NOx同轴燃烧器通过在炉膛的不同高度布置CCOFA和SOFA风档板，将炉膛分成三个相对独立的部分：初始燃烧区，NOx还原区和燃料燃尽区。

机组正常运行中应尽量使用倒宝塔式配风，开大上层CCOFA和SOFA风档板，关小下层辅助风及燃料风档板，使初始燃烧区下层一次风所携带的煤粉处在缺氧条件下燃烧，缺氧燃烧时煤粉的燃烧速度和温度均会降低，能够有效的减少热力型NOx的生成[1]。同时，燃料中释放的含氮中间产物HCN、NH3等会将NO分解成N2，可以有效抑制燃料型NOx的生成。

通过在燃料燃尽区内保持煤粉富氧燃烧，会有一部分残留的氮被氧化成NOx，因残留量较低且火焰温度较低，热力型NOx生成量较少，未燃尽的煤粉和可燃气体可以得到有效燃尽，亦可降低锅炉炉渣可燃物含量[2]。表1为机组正常运行中，调整配风方式对NOx生成量的对比。

表1 调整配风方式对NOx生成量的对比

由表1可以看出，此种配风方式对降低NOx排放量效果明显，故机组正常运行中，应尽量开大上层CCOFA和SOFA风档板运行。因开大此挡板对风箱炉膛差压影响很小，故不会影响锅炉燃烧稳定性。

2.2 过量空气系数对NOx排放的影响

通过过量空气系数的调整与控制是降低NOx排放浓度的有效措施，低氧燃烧可以降低炉膛燃烧温度，有效抑制并还原NOx。但若过度低氧燃烧，会使煤粉燃尽率降低，锅炉燃烧稳定性降低，造成煤粉燃烧效率的降低，进而降低锅炉效率[3,6]。所以在锅炉正常运行调整中，根据不同的煤质情况，应维持合理的过剩空气系数。

低NOx同轴燃烧器每个区域的过量空气系数由三个因素控制：总的OFA风量，CCOFA和SOFA风量的分配以及总的过量空气系数。空气分级方法通过优化每个区域的过量空气系数，有效降低NOx排放的同时能最大限度地提高燃烧效率。表2为机组负荷800MW，煤量300t/h稳定运行，降低氧量运行时NOx排放对比。

表2 改变氧量对NOx排放影响

机组实际运行中，当锅炉负荷小于650MW时，因锅炉稳燃要求，一般维持氧量偏高运行，容易造成NOx排放量超标，造成喷氨流量增大，使SCR运行成本增加。此时应通过提高磨组出口温度、调整风门挡板使炉膛燃烧集中等方式稳定燃烧，进而可以进一步降低氧量运行，控制NOx排放正常。

2.3 磨组运行方式对NOx排放的影响

机组运行时保持锅炉负荷在800MW稳定运行，过量空气系数和配风方式等参数不变，通过不同的磨组运行方式进行试验。试验数据如表3所示。

表3 磨组运行方式对NOx排放影响

由表3可以看出，底层磨组运行时NOx的排放量要比上层磨组运行时要低，主要原因在于当上层磨组运行时，高温区域沿炉膛高度方向比较长，热力型NOx的生成量会增加，下层磨组运行时，高温区域沿炉膛高度方向比较短，可以减少热力型NOx的生成。故在机组运行中，应尽量保持下层磨组运行，以降低NOx的生成[4,5]。但下层磨组运行时，火焰中心相应下移，主再热汽温会相应下降，应通过提高燃烧器摆动喷嘴、提高过热度等方式调整，保证主再热汽温在经济运行值。

3 提高SCR效率措施

3.1 提高烟气温度

根据SCR反应原理4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O，NO+NO2+2NH2→2N2+3H2O，催化剂以氧化钛为基体时，一般当烟气在320～420℃范围内，催化剂在此温度范围内才具有活性。机组正常运行中，当SCR进口烟气温度达到320℃时，集控运行人员即投入喷氨系统，进行脱硝的正常运行。

根据环保要求，在保证SCR出口NOx含量低于65mg/Nm3的前提下，通过调节进氨调节阀，使得SCR脱硝效率大于60%，通常控制在65%～85%范围内。确定能保证催化剂性能的烟气温度要求大于320℃，不允许在320℃以下运行。为延长催化剂寿命，运行中一般控制烟气长期最低温度为320℃，短期运行最低温度为300℃，短期运行最长时间为5小时，需要相同时间（5小时在325℃以上）恢复催化剂活性。

当机组长时间在低负荷（500MW左右）运行时，炉膛内部热负荷低使SCR烟气入口温度下降。脱硝考核标准要求机组负荷在500MW以上必须投入脱硝运行。故机组负荷低时应通过提高磨组出口温度、提高一二次风温度等措施，提高炉膛温度，使烟气温度满足SCR最佳工作工况。

3.2 稳定SCR供氨压力及温度

机组运行中，应保持供氨压力及温度稳定，供氨压力波动会改变供氨流量，进而影响SCR出口排放量。供氨压力上升，会造成氨用量的浪费，供氨压力下降，会造成SCR出口NOx排放量超标。机组运行中供氨压力应尽可能维持在0.3MPa稳定，超出0.27～0.33MPa时及时调整。

运行中应保证氨站汽化器加热汽源压力温度稳定，特别当冬天外界汽温低时，应加强供氨系统的检查，防止出现供氨管路或仪表上冻，引起供氨压力下降或失去监视。

3.3 加强SCR吹灰

SCR吹灰设计要求每月一次或两次，以便保持较高的催化剂表面清洁度，吹灰汽源取自机组一再进口蒸汽，吹灰时采取单支逐个方式，以保证吹灰效果。实际机组运行中，可适当提高吹灰频率，维持每周一次SCR吹灰，吹灰时应保证吹灰压力不低于1.2MPa，以保证吹灰效果。SCR吹灰后应及时投入空预器吹灰，保证空预器受热面清洁。