摘要：采用爐內低氮燃燒和煙氣脫硝是降低燃煤鍋爐煙氣中氮氧化物的主要手段。低氮燃燒的空氣分級技術在降低氮氧化物的同時對鍋爐效率有不利的影響，采用電科院鍋爐性能測試試驗的數據，通過對采用低氮燃燒技術降低氮氧化物供電煤耗的成本增加和采用脫硝技術降低氮氧化物還原劑成本的增加對比分析，總結出低氮燃燒和脫硝系統相互配合優化運行的基本方法。在保證燃煤鍋爐達標排放的同時，最大化的實現了鍋爐的經濟運行。

關鍵詞：環保排放;氮氧化物;低氮燃燒;燃盡風;SCR脫硝;液氨;優化運行

0.引言

我國當前的大氣環境形勢依然嚴峻，區域性大氣污染問題突出，直接影響經濟社會可持續發展和人民群眾身體健康。2010年我國二氧化硫、氮氧化物排放總量位居世界第一位，重點區域城市的二氧化硫、可吸入顆粒物年均濃度是歐美發達國家的2至4倍。“十二五”期間是我國全面建設小康社會的關鍵時期、工業化、城鎮化將繼續快速發展，為了切實改善定期環境質量，降低大氣中氮氧化物的排放，國家規定加快燃煤機組低氮燃燒技術改造及脫硝設施建設、單機容量20萬千瓦及以上、投運年限20年內的現役燃煤機組全部配套脫硝設施。

隨著國家環保部門對電力污染治理要求的不斷提高，結合中國大唐集團公司節能減排工作的總體部署，天津大唐國際盤山發電有限責任公司2013年在3號機組大修時，進行了鍋爐低氮燃燒系統改造和脫硝改造。

1.設備及項目簡介

天津大唐國際盤山發電有限責任公司2*600MW火電機組是我國華北地區建設投產最早的600MW亞臨界火電機組，是京津唐電網的主力機組。被國家計委列為1996年利用國家外匯儲備購買國產發電設備發展民族工業的試點項目。工程于1998年10月開工，其中三號機組于2001年12月18日正式投產，四號機組于2002年6月5日正式投產。

鍋爐由哈爾濱鍋爐有限責任公司制造HG-2023/17.6-YM4型鍋爐，亞臨界、一次中間再熱、固態排渣、單爐膛、Π型半露天布置、全鋼構架、懸吊結構、控制循環汽包鍋爐。鍋爐采用三分倉回轉式空氣預熱器，平衡通風，擺動式四角切圓燃燒器。設計燃料為準格爾煤。6套正壓直吹式制粉系統，配置ZGM123型中速磨煤機，A、B磨煤機對應的燃燒器裝有等離子點火裝置。

1.1低氮燃燒系統介紹

3號鍋爐燃燒器改造采用“分拉垂直親和濃淡煤粉燃燒”立體分級低氮燃燒專利技術，即燃料分級與空氣分級同步進行，利用垂直煤粉濃淡分離技術將同一股煤粉氣流分離成上下布置的濃相和淡相兩股射流，結合燃燒器頂部大間距布置5層頂部燃盡風，頂部燃盡風量增加到30%。通過采用上述技術，從而達到實現降低NOx生成及排放的目的。

主燃燒器采用CE公司傳統的大風箱結構，由隔板將大風箱分隔成若干風室，主燃燒器有6層煤粉風室、9層二次風室，4個油風室組成。在各風室的出口處布置數量不等的燃燒器噴嘴，油風室可做上下各30°擺動，一次風煤粉噴嘴可上下擺動各20°，二次風空氣噴嘴可做上下各30°的擺動.

主燃燒器上下兩部分由兩組執行器單獨控制。以此來改變燃燒中心區的位置，調節爐膛內各輻射受熱面的吸熱量，從而調節再熱汽溫;燃燼風(SOFA)燃燒器參照CE的風箱結構，由隔板將風箱分隔成若干風室，燃燼風(SOFA)風室噴嘴，既能做左右10°的擺動，也可做上下30°的擺動，以此來改變反切動量矩，達到最佳平衡動量矩效果的同時，通過改變燃燼風(SOFA)同主燃燒器的間距，達到降低NOx排放及提高燃燒效率的目的，為了保證頂部燃盡風的風量，在原有大風箱上加裝分風擋板，系統布置如下圖：

改造后每角燃燒器共有24個風室。燃燼風(SOFA)風室5個，空氣風室9個，煤粉風室6個(含2個等離子點火煤粉風室)，油風室4個。根據各風室的高度不同，布置數量不等的噴嘴，燃燼風(SOFA)風室一個風室布置五個噴嘴，煤粉風室布置6個一次風噴嘴，自下(底層)向往上數第一、二層是等離子燃燒器，滿初期點火節油要求。A層油風室中間布置有帶穩燃葉輪的噴嘴。

1.2SCR脫硝系統介紹

天津大唐國際盤山發電有限責任公司脫硝系統采取選擇性催化還原(SCR)法去除煙氣中NOx。還原劑采用純氨(純度≥99.6%)，由液氨槽車運送液氨，利用卸料壓縮機，將液氨從槽車輸入液氨儲罐內，并依靠自身重力和壓差將液氨儲罐中的液氨輸送到液氨蒸發槽內利用輔汽提供的熱蒸發為氨氣，后經與稀釋風機鼓入的空氣在氨/空氣混合器中混合后,送達氨噴射系統。在SCR入口煙道處，噴射出的氨氣和來自鍋爐省煤器出口的煙氣混合后進入SCR反應器，SCR反應器采用高灰型工藝布置(即反應器布置在鍋爐省煤器與空氣預熱器之間)，通過催化劑進行脫硝反應，最終從出口煙道至鍋爐空預器，達到脫硝目的。整套脫硝裝置主要由SCR反應區和氨站區兩個區域組成。

脫硝系統布置在鍋爐省煤器和空預器之間的位置。根據鍋爐機組現狀，SCR反應器系統按一臺機組配置兩臺脫硝反應器，煙道分兩路從省煤器后接出，經過垂直上升后變為水平，接入SCR反應器，反應器為垂直布置，經過脫硝以后的煙氣經水平煙道接入空預器入口煙道。

選擇性催化還原法(SCR)是利用氨(NH3)對NOx的還原功能，使用氨氣(NH3)作為還原劑，將體積濃度為5%的氨氣通過氨注入裝置(AIG)噴入溫度為280℃-420℃的煙氣中，在催化劑作用下，氨氣(NH3)將煙氣中的NO和NO2還原成無公害的氮氣(N2)和水(H2O)，“選擇性”的意思是指氨有選擇的進行還原反應，在這里只選擇NOx還原。其化學反應式如下：

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O

催化劑是整個SCR系統的核心和關鍵，催化劑的設計和選擇是由煙氣條件、組分來確定的，影響其設計的三個相互作用的因素是NOx脫除率、NH3的逃逸率和SO2轉化率。

上述脫硝反應是在反應器內進行的，反應器布置在省煤器和空氣預熱器之間。反應器內裝有催化劑層，進口煙道內裝有氨注入裝置和導流板，為防止催化劑被煙塵堵塞，每層催化劑上方布置了吹灰器。SCR脫硝反應所需的還原劑氨氣，可以通過液氨、氨水及尿素三種化學藥品獲取。在能保證藥品正常供應的情況下，優先選擇液氨作為還原劑。

本工程煙氣在鍋爐省煤器出口處被平均分為兩路，每路煙氣垂直布置的SCR反應器，經過均流器后進入催化劑層，每臺鍋爐配有二個SCR反應器，經過脫硝以后的煙氣直接接入空預器入口煙道，然后經空預器、電除塵器、引風機和脫硫裝置后，排入煙囪。在進入煙氣催化劑前設有氨注入的系統，煙氣與氨氣充分混合后進入催化劑反應，脫去NOx。系統布置如下圖：

2.低氮燃燒系統和脫硝系統運行經濟性比較

由于低氮燃燒降氮的主要原理是主燃燒區缺氧燃燒，因此低氮系統投入后造成鍋爐飛灰及大渣含碳量增大、CO含量增大，綜合表現為鍋爐效率降低，直接影響供電煤耗指標。

華北電科院對600MW、450MW和300MW負荷下，低氮投入和退出工況的鍋爐主要經濟指標測試如下表：

上述數據明細可以看出，低氮投入的不利影響比較大。實際運行中，如果退出低氮系統，為了保證NOX達標排放，必然導致脫硝系統噴氨量的增加。需要說明的是，低氮燃燒器性能驗收試驗時，改造廠家為了追求將爐膛出口氮氧化物降到200mg/Nm3的范圍內，過度缺氧燃燒，導致飛灰含碳高達6.7%、CO含量高達2468ppm，因此鍋爐效率下降幅度較大。以下對450MW以上負荷低氮投退的經濟性進行分析(未考慮送風機電耗的增加)。

2.1計算公式說明

2.1.1理論噴氨量

理論噴氨量的計算公式：

液氨耗量=脫硝入口流量×脫硝入口濃度×(17/46)×氨氮摩爾比×10-6;

其中：

氨氮摩爾比=(氨逃逸率/脫硝入口濃度)×(17/46)+脫硝效率/100;

2.1.2氨逃逸率

氨逃逸率一般用ppm表示，脫硝入口濃度用mg/Nm3表示，其換算公式為：

mg/m3=M/22.4˙ppm˙[273/(273+T)]*(Ba/101325)

上式中：M----為氣體分子量;ppm----測定的體積濃度值;T----溫度;Ba----壓力

由于換算比較麻煩，下文中氨氮摩爾比采用與設計值換算的建議方法計算：設計效率80%對應的設計氨氮摩爾比為0.815，根據實際效率可以換算出實際的氨氮摩爾比。

2.2600MW工況經濟性對比

2.2.1低氮退出時脫硝噴氨量增加成本

600MW工況低氮低氮退出時，脫硝入口NOX為563mg/Nm3，煙氣流量為1800kNm3/h，如果脫硝出口NOX要達到100mg/Nm3，則：

脫硝效率應為：(563-100)/563=82.2%

脫硝系統氨氣和NOX反應的氨氮摩爾比為(80%效率對應的摩爾比為81.5%，依此推算)：0.815/0.8*0.822=0.837

脫硝系統的理論噴氨量為(入口煙氣量×入口NOX含量/NO2分子量×氨氮摩爾比成氨氣分子量)：1800*563/46*0.837*17=313kg/h

600MW工況低氮低氮投入時，脫硝入口NOX為150mg/Nm3，煙氣流量為1800kNm3/h，如果脫硝效率要達到80%，則：

脫硝系統氨氣和NOX反應的摩爾比為：0.815

脫硝系統的理論噴氨量為：1800*150/46*0.815*17=81kg/h

綜上，600MW負荷時低氮投退影響氨氣用量增加313-71=232kg/h，按3000元/噸單價計算，增加費用為：232*3=696元/小時;日氨氣成本增加：696*24=1.67萬元;

2.2.2低氮投入時供電煤耗增加成本

按照上述試驗數據，600MW負荷低氮投入影響鍋爐效率下降1.8%，折合供電煤耗6.12g/kWh，標煤單價按700元/噸計算，增加費用為：600000*6.12/1000000*700=2570元/小時，日燃煤成本增加2570*24=6.17萬元

2.2.3600MW工況低氮投退經濟性對比

低氮投入時，燃料成本增加每日增加6.17萬元，低氮退出時，氨氣成本每日增加1.67萬元，則：低氮退出比低氮投入時每日節約費用4.5萬元(按負荷率100%計算)。

2.3450MW工況分析

2.3.1低氮退出時脫硝噴氨量增加成本

450MW工況低氮低氮退出時，脫硝入口NOX為327mg/Nm3，煙氣流量為1500kNm3/h，如果脫硝出口NOX要達到100mg/Nm3，則：

脫硝效率應為：(327-100)/327=71%不滿足環保要求，應按80%計算

脫硝系統氨氣和NOX反應的摩爾比為：0.815

脫硝系統的理論噴氨量為：1500*327/46*0.815*17=147kg/h

450MW工況低氮低氮投入時，脫硝入口NOX為179mg/Nm3，煙氣流量為1500kNm3/h，如果脫硝效率要達到80%，則：

脫硝系統氨氣和NOX反應的摩爾比為：0.815

脫硝系統的理論噴氨量為：1500*179/46*0.815*17=81kg/h

綜上，450MW負荷時低氮投退影響氨氣用量增加147-81=66kg/h，按3000元/噸單價計算，增加費用為：66*3=198元/小時;日氨氣成本增加：198*24=4752元;

2.3.2低氮投入時供電煤耗增加成本

按照上述試驗數據，450MW負荷低氮投入影響鍋爐效率下降1.14%，折合供電煤耗3.88g/kWh，標煤單價按700元/噸計算，增加費用為：450000*3.88/1000000*700=1222元/小時，日燃煤成本增加1222*24=2.9萬元

2.3.3450MW工況低氮投退經濟性對比

低氮投入時，燃料成本增加每日增加2.9萬元，低氮退出時，氨氣成本每日增加4752元，則：低氮退出比低氮投入時每日節約費用2.42萬元(按負荷率75%計算)。

75%的負荷率接近年實際負荷率，因此450MW的分析數據具有一定的代表性。

2.4300MW工況分析

300MW負荷下，低氮投入時的NOX比低氮退出時還高，即低氮投入時鍋爐效率低，噴氨量大，肯定不經濟，未做具體數據分析。

3.低氮燃燒系統和煙氣脫硝系統優化運行規定

為了實現煙氣中NOX達標排放，3號鍋爐在大修時同步進行了“低氮燃燒+SCR煙氣脫硝”改造。電科院試驗表明600MW、450MW和300MW三個典型負荷下，低氮燃燒系統分別投入和退出工況相比鍋爐效率分別降低1.82、1.14、0.16個百分點，對機組運行經濟性影響較大。

通過低氮燃燒系統投入時燃料增加的成本和退出運行時脫硝液氨增加的成本綜合分析，認為以SCR煙氣脫硝系統為主要降低NOx手段，盡量少用低氮燃燒系統以減少對供電煤耗的影響是最經濟的運行方式。

3.1低氮燃燒投入運行的主要運行調整內容

1)適當降低總風量同時關小主燃燒區的燃料周界風、輔助風擋板為主燃燒區營造缺氧燃燒的大環境;

2)兩側大風箱的分風擋板保持50%左右的開度，打開頂部燃盡風擋板，實現空氣分級;

3)燃燒器采用垂直濃淡燃燒器，實現燃料分級燃燒(設備結構，運行中無法調整)。

3.2優化基本原則

通過上述分析，鍋爐低氮燃燒系統和煙氣脫硝系統優化運行的基本原則如下：

在脫硝系統可以完全滿足NOX達標排放的前提下，弱化或退出低氮燃燒系統運行(保持正常的總風量和主燃燒區二次風門開度、兩側大風箱分風擋板全開、關閉頂部燃盡風擋板)，以降低對鍋爐效率的影響。

3.3低氮燃燒和脫硝系統優化規定

1)試驗證明將5層燃盡風擋板全部關至10%，送風機電流會上升2-3A，同時低氮改造時將原有的頂部反切風OFA1、OFA2堵了盲板，不再具有反切風的功能不利于汽溫偏差的調整;為了降低對送風機電流的影響，同時保留汽溫偏差的調整手段，低氮退出運行期間規定：上四層燃盡風(SOFA2-5)關至10%，最底層燃盡風(SOFA1)可以根據汽溫偏差以及脫硝入口NOX情況進行調整，原則上開度不應過大;

2)機組低負荷350MW以下，應避免最上層磨運行，同時降低氧量運行(空預器入口氧量不得低于2.0%)、適當關小主燃燒區二次風門(不得小于25%)，保持大風箱差壓大于0.3kPa以上有利于降低脫硝入口NOX;

3)正常運行中脫硝入口標態NOX應維持在400-500mg/Nm3之間，超過500mg/Nm3(按80%效率計算，此時對于脫硝出口NOX為100mg/Nm3)時，可以適當投入頂部燃盡風，維持脫硝系統達標運行;

4)脫硝系統安裝邊界效率方式運行，在保證出口NOX不超過100mg/Nm3前提下，脫硝效率保證大于80%且接近于80%運行;

5)當脫硝入口NOX長時間偏高，噴氨調整門開度已經大于90%時，如果脫硝效率或出口NOX接近要求值而調整無效時，可就地手動稍開噴氨調整門旁路手動門以增大噴氨量;

6)由于脫硝系統系統投入，SCR區域、空預器差壓增長速度加快，送風機搶風、引風機喘振可能性增大，運行中嚴格執行防止送風機搶風、引風機喘振及處理的相關措施;

7)隨著脫硝催化劑活性的降低，脫硝無法滿足NOX達標排放時，根據實際情況對低氮系統運行進行調整，必須保證煙氣達標排放。