燃煤發(fā)電鍋爐脫硝技術(shù)的選擇和應用

1、燃煤發(fā)電鍋爐脫硝技術(shù)的選擇與應用DAVID Moyeda，周偉，徐光（GE能源公司，美國 加利福尼亞州92618）摘要：闡述發(fā)電廠鍋爐脫硝改造中常用的低氮燃燒器（low NOx burner，LNB）、燃盡風（overfire air，OFA）、再燃、選擇性非催化還原（selective noncatalytic reduction，SNCR）和選擇性催化還原（selective catalytic reduction，SCR）等技術(shù)的原理、方法和設(shè)計關(guān)鍵點，比較各種脫硝技術(shù)的脫硝率和投資成本。以GE能源公司的鍋爐脫硝改造實例驗證綜合應用LNB、SNCR、OFA和天然氣再燃技術(shù)，可使NOx的排

2、放量降至120 mg/m3，并且其投資成本比單獨投建SCR系統(tǒng)低。指出應用脫硝技術(shù)時應注意在脫硝的同時控制可燃物的排放，以及盡可能減小SNCR溫度窗口的CO質(zhì)量分數(shù)。關(guān)鍵詞：脫硝減排；低氮燃燒器；燃盡風；再燃技術(shù)；選擇性非催化還原；選擇性催化還原中圖分類號：X701 文獻標志碼：B 文章編號：1007-290X(2011)06-00收稿日期：2011-04-11隨著中國脫硝政策的出臺，電力系統(tǒng)首當其沖地成為脫硝減排的重點對象。據(jù)統(tǒng)計，每年有超過40%的氧化氮排放來自發(fā)電廠，因此，脫硝政策針對電力系統(tǒng)制定了嚴格的氧化氮排放指標，尤其是北京、上海和廣東等地的排放指標（100 mg/m3）甚至低于美

3、國的排放標準12。中國擁有豐富的煤礦資源，燃煤發(fā)電鍋爐占了重要的比例，燃煤鍋爐的脫硝改造將成為脫硝改造的重點。與嚴格的排放指標相比，中國的電廠對燃煤鍋爐的脫硝技術(shù)和性能的了解還處于相對初級階段，對脫硝技術(shù)的選擇、脫銷應用技術(shù)的利弊以及脫硝技術(shù)的投資和運行成本等了解還不夠全面。本文旨在與讀者分享作者25年的鍋爐脫銷改造經(jīng)驗，就脫銷技術(shù)的選擇和脫硝技術(shù)的成功應用作一概述。1 脫硝改造的形式歐美的發(fā)電鍋爐多為前墻式、前后墻式和四角切向等形式，中國也建造了不少燃燒劣質(zhì)煤的循環(huán)流化床和燃燒煙煤的W型鍋爐。不論是哪種形式的鍋爐，脫硝技術(shù)都可分為燃燒改造和煙氣脫硝2種形式。燃燒改造是指改變爐膛內(nèi)的燃燒工況，

4、通常包括安裝低氮燃燒器（low NOx burner，LNB）、應用燃盡風（overfire air，OFA）以及應用再燃技術(shù)。 燃燒改造的優(yōu)點是改造和運行成本低，所以，被定為最佳改造技術(shù)（best available retrofit technology，BART）之一，中國也將低氮燃燒定為首要改造手段。墻式爐和四角切向爐的燃燒改造一般能達到的脫硝率如圖1所示，具體可達到的脫硝率受煤種、鍋爐設(shè)計和初始氮氧化物值等影響。在排放標準嚴格的區(qū)域，單一的燃燒改造已經(jīng)不能滿足達標的要求，于是綜合應用燃燒改造，例如安裝LNB并應用OFA和再燃技術(shù)可達到可觀的脫硝率3。工況1基礎(chǔ)工況；工況2安裝LNB；

5、工況3安裝LNB并應用OFA；工況4安裝LNB并應用再燃技術(shù)；工況5安裝LNB并應用再燃和選擇性非催化還原（selective noncatalytic reduction，SNCR）技術(shù)。圖1 采用各種脫硝改造技術(shù)后的NOx排放量煙氣脫硝在燃燒區(qū)下游的煙氣道中應用氨或尿素等還原劑將NOx還原，以達到脫硝的效果。最常用的有SNCR和選擇性催化還原（selective catalytic reduction，SCR）2種形式。煙氣脫硝中SCR的脫硝率可達到90%，但是SCR對空間場地有一定的要求，投資和運行成本遠遠高于燃燒改造。圖2比較了美國改造300 MW鍋爐的各種技術(shù)投資，SNCR相較SCR

6、，其脫硝率（25%45%）低，但成本也相對較低。SNCR與SCR耦合，或與燃燒改造綜合應用，可在較低成本下達到高效率。本文的重點放在如何應用綜合燃燒改造和SNCR技術(shù)，以低成本達到與SCR可比的性能。圖2 美國300 MW鍋爐脫硝改造投資成本2 脫硝技術(shù)概述2.1 LNB傳統(tǒng)的燃燒器為富氧燃燒，化學當量比在燃燒器出口約為1.2，即有20%的剩余空氣量。爐膛出口氧量為 3%4%，在富氧燃燒的狀態(tài)下，容易達到穩(wěn)定和完全燃燒，因而對飛灰未燃碳和CO等可燃物的排放有所控制，但是，富氧燃燒也使煤的氮成分與氧在高溫下反應生成NOx。為了降低NOx的生成，LNB延遲煤粉與氧氣的充分混合，使得在LNB出口為富

7、燃料燃燒，由于在火焰最高溫處缺氧，NOx的生成大大減少。墻式爐LNB把高旋轉(zhuǎn)的二次風分成低旋轉(zhuǎn)二次風和高旋轉(zhuǎn)三次風。低旋轉(zhuǎn)風可減少煤粉與風的混合量，使得化學當量比在火焰中心低于1。GE能源公司的LNB裝有火焰穩(wěn)定器、空氣調(diào)節(jié)閥和可調(diào)空氣旋轉(zhuǎn)葉片等（如圖3所示），燃燒器設(shè)計了燃氣和燃油的功能4。圖3 GE能源公司的墻式爐LNB四角切向爐的LNB在歐美通常是通過對二次風加偏角并把部分二次風從燃燒器中移到燃燒器上部（即燃燒區(qū)下游）以延遲空氣和煤粉的混合。中國的低氮燃燒技術(shù)多為濃淡分離，即在燃燒器內(nèi)部將煤粉分為外淡內(nèi)濃，使爐膛中心為富燃料燃燒，爐膛壁附近為富氧燃燒。LNB的設(shè)計關(guān)鍵為穩(wěn)定火焰。因為在燃

8、燒器出口空氣供應不足，火焰有可能脫離燃燒器或火焰過長，導致燃燒不完全。通常低氮改造的負效應是可燃物排放增加，從而使鍋爐效率降低。2.2 OFA技術(shù)OFA技術(shù)進一步延遲煤粉與風的混合。在應用過程中，20%30%的空氣從主燃燒區(qū)取出，再從主燃區(qū)上方噴入以完成完全燃燒。主燃區(qū)的化學當量比降至0.851。由于整個主燃區(qū)為富燃料燃燒，使得大量的可燃物從主燃區(qū)泄出，因而設(shè)計中要盡可能使OFA與煙氣混合，并使得混合后的煙氣有足夠的停留時間以達到完全燃燒。OFA的噴管布置與噴射速度直接影響到可燃物的排放量。OFA一般是從風箱或風道上分流出來的，其壓頭受鼓風機壓頭的限制。通常風箱的壓力為160 Pa，所以O(shè)FA

9、可達到的噴射速度為40 m/s左右，在此速度下，飛灰未燃碳很難達到改造前的低值排放。為了控制飛灰未燃碳，可采用高速OFA技術(shù)，即把OFA速度設(shè)計在80 m/s左右，高速OFA需要加裝增壓風機。圖4顯示了飛灰未燃碳與OFA速度的關(guān)系。圖4 OFA速度對飛灰未燃碳和CO質(zhì)量分數(shù)的影響為了達到盡可能高的OFA速度，可應用計算流體力學模型輔助設(shè)計噴口和導流片，以減少壓力損失。 2.3 再燃技術(shù)LNB和OFA技術(shù)又稱為空氣分級燃燒技術(shù)。再燃則是燃料分級，即25%30%的燃料從燃燒器中取出，再從燃燒器上方噴入。這一部分燃料起到NOx還原劑的作用。一部分空氣也從燃燒器中取出，作為OFA來完成完全燃燒。在再燃

10、過程中，由于同時取出燃料和空氣，主燃區(qū)的化學當量比為1.05左右，可燃物從主燃區(qū)的排放大大減少5。再燃區(qū)的化學當量比為0.9時，脫硝效果最好。再燃的關(guān)鍵是對再燃區(qū)和燃盡區(qū)的停留時間的掌握，以及再燃燃料與煙氣的混合設(shè)計。根據(jù)GE能源公司應用再燃技術(shù)進行機組改造的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，改造機組的容量小至50 MW，大至800 MW，再燃燃料從煤、油至氣，改造后的平均脫硝率為60%。圖5為一個具體的再燃改造設(shè)計實例，其優(yōu)化后達到NOx排放量為150 mg/m3的水平。圖5 綜合燃燒改造實例2.4 SNCR在SNCR 工藝中，鍋爐燃燒產(chǎn)物與氨或尿素混合以達到脫硝的目的。以氨為反應物的SNCR技術(shù)可采用液態(tài)氨或氨溶

11、液，在大多以尿素為反應物的SNCR技術(shù)應用中，多采用質(zhì)量分數(shù)為50%的尿素溶液。1976年，美國電力研究所（Electric Power Research Institute，EPRI）開始研究用尿素來減小NOx排放量；1980年，EPRI 取得該領(lǐng)域的第一項專利。用尿素減小NOx排放量的化學反應可以用一個總的反應式來概括：NH2CONH2+2NO+1/2O2 => 2N2+CO2+2H2O.一般SNCR 技術(shù)只在一定的溫度范圍內(nèi)有效，這個溫度范圍是8701 200 。噴射的尿素或氨高于此溫度范圍，會使反應物轉(zhuǎn)化為NOx；噴射的尿素或氨低于此溫度范圍，會產(chǎn)生過量氨逃逸。煙氣中的其他化學反

12、應物，如CO和氫氣等，會對SNCR化學反應產(chǎn)生影響，如把SNCR溫度范圍向低溫方向移動。圖6為GE能源公司在實驗鍋爐上的測試結(jié)果，從圖6可看出，爐膛進口與出口NOx質(zhì)量分數(shù)之比很大程度上取決于注射附近煙氣的溫度。圖6也顯示了最佳溫度范圍，這個范圍一般存在于爐膛口和鍋爐對流煙道內(nèi)，這對工程設(shè)計帶來很大的挑戰(zhàn)，因為爐內(nèi)的溫度隨負載變化，而且溫度梯度大，因此加大了設(shè)計難度。采用先進的設(shè)計以達到準確的噴射點和均勻的反應物分布是成功的關(guān)鍵6。wout(NOx)爐膛出口NOx質(zhì)量分數(shù)；win(NOx)爐膛進口NOx質(zhì)量分數(shù)。圖6 GE能源公司鍋爐實驗數(shù)據(jù)（NOx質(zhì)量分數(shù)的初始值為7×104，氨氮

13、比為2）通常SNCR系統(tǒng)均在LNB投運后設(shè)計，GE能源公司和清華同方環(huán)境公司嘗試了對2臺210 MW 四角切向燃煤發(fā)電鍋爐進行SNCR與LNB同步改造（LNB改造由第三方完成），即SNCR系統(tǒng)的噴槍噴射位置和數(shù)量在LNB安裝運行前就確定。SNCR系統(tǒng)設(shè)計步驟為：首先，對鍋爐進行基準測試，測試改造前鍋爐在不同負荷下的運行特性和NOx排放值；然后，進行計算機建模，建立計算流體力學和傳熱模型，利用該模型對鍋爐不同負荷運行特性和NOx排放值進行模擬，并用基準測試數(shù)據(jù)對模型進行校正和驗證，使模型與實測值基本吻合；接著，在模型中改變?nèi)紵鞯挠嘘P(guān)參數(shù)，對安裝LNB后的速度場、溫度場和CO質(zhì)量分數(shù)場等進行計算

14、和模擬；最后，設(shè)計和優(yōu)化尿素噴射的位置和數(shù)量，并對脫銷率和氨逃逸進行預測。系統(tǒng)改造完成后，在鍋爐滿負荷下SNCR系統(tǒng)的平均脫硝率達到35.1%，最高可達45%。測試結(jié)果與計算模擬預測相符說明所采用的設(shè)計方法即便在SNCR與LNB同步改造的情況下仍然獲得成功，模型可以使用在以后的SNCR設(shè)計中。2.5 綜合多層次應用脫硝技術(shù)綜合多層次的應用燃燒改造可以達到70%80%的脫硝率，燃燒改造與SNCR同時應用可以進一步加大脫硝效果。圖7顯示了GE能源公司設(shè)計改造的1臺120 MW四角切向爐的性能測試數(shù)據(jù)。改造技術(shù)在鍋爐原有的LNB和SNCR系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入了OFA和天然氣再燃技術(shù)。改造后NOx排放量從

15、600 mg/m3降至120 mg/m3的水平7。圖7 綜合改造實例數(shù)據(jù)另外，聯(lián)合應用燃燒改造、SNCR和SCR技術(shù)，可以有效地降低單獨投建SCR系統(tǒng)的成本。由于燃燒區(qū)上游采用燃燒改造和SNCR技術(shù)，NOx質(zhì)量分數(shù)在SCR反應器前已經(jīng)大大降低，因而SCR容量和催化劑的使用量可以大大減少。SCR系統(tǒng)可以放置于省煤器后的煙道上，以減小SCR系統(tǒng)的占地面積和投資成本。如果SNCR設(shè)計合理，SCR只需要利用氨逃逸來進一步脫硝，而不用加裝單獨的噴氨裝置。這對SNCR提高了設(shè)計要求，對應用計算流體力學模型來預測溫度場、煙氣分布和還原劑的混合也有更高的要求。3 脫硝技術(shù)應用的注意事項在脫硝項目中，業(yè)主和技術(shù)

16、供應方的重點一般放在脫硝率上?？諝夥謱拥娜紵脑旒夹g(shù)所能達到的脫硝率與主燃區(qū)的化學當量比有直接的聯(lián)系8。低氮燃燒和OFA技術(shù)都是要通過減小主燃區(qū)的空燃比來達到脫硝的效果，直接帶來的影響是CO和飛灰未燃碳的增加。因而，脫硝的關(guān)鍵和重點應該放在如何在脫硝的同時控制可燃物的排放。主燃區(qū)燃燒的完全程度在很大程度上影響SNCR的性能。從主燃區(qū)釋放的CO，其質(zhì)量分數(shù)超過1×104就會大幅度降低SNCR的脫硝率，因而在同時進行燃燒改造和加裝SNCR系統(tǒng)時，要注意OFA的設(shè)計，盡可能減小在SNCR溫度窗口CO的質(zhì)量分數(shù)，使得總體的脫硝效果達到最優(yōu)。表1列出了一些設(shè)計改造時所要優(yōu)化的參數(shù)，以供參考。表

17、1 脫硝改造技術(shù)參數(shù)考量改造技術(shù)優(yōu)化參數(shù)或項目后果LNB火焰穩(wěn)定器CO、飛灰未燃碳排放量高一次風速提高火焰穩(wěn)定性和脫硝率二次風速和角度提高火焰穩(wěn)定性和脫硝率OFAOFA噴口數(shù)目和位置CO、飛灰未燃碳排放量高OFA速度CO、飛灰未燃碳排放量高OFA噴射標高低脫硝率SNCR還原劑與煙氣的混合度低脫硝率，高氨逃逸還原劑噴射口數(shù)目、位置和標高低脫硝率，高氨逃逸4 結(jié)束語總的來說，高質(zhì)量的工藝設(shè)計和工程設(shè)計是脫硝技術(shù)應用的保障，合理地應用燃燒改造和煙氣脫硝技術(shù)，可以達到提高發(fā)電廠鍋爐脫硝率的效果，實現(xiàn)脫硝減排的目的。 參考文獻：1 環(huán)境保護部. 火電廠氮氧化物防治技術(shù)政策L. 2010-01-27.2

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