低NOx燃烧器与SCR运行的综合优化

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【摘　要】本文主要从试验出发，分析在不同燃烬风率、氧量下对于nox生成及锅炉效率的影响，同时分析不同燃烬风率、氧量及脱硝效率对于SCR反应器的氨逃逸的影响，综合得出经济效益较高的燃烧调整及配风方案。

【关键词】燃烬风率；氧量；脱硝效率；氨逃逸；经济效益

0.引言

二十几年来，随着我国经济的快速发展，对能源的需求也不断增加，作为一次能源的煤炭，在相当长的时期内仍然是我国主要能量来源。目前，中国电力能源结构中，煤电约占3/4，而且在今后相当长的时期不会有很大的变化。因此，如何控制火电厂产生的NOx的排放对于控制环境污染有重大意义。

1.锅炉及SCR概况

浙江浙能乐清发电责任有限公司（下称乐电公司）二期2台660MW锅炉为超超临界参数变压运行，螺旋管圈直流炉，单炉膛、一次中间再热、采用四角切圆燃烧方式、平衡通风、固态排渣、全钢悬吊结构Π型锅炉、露天布置燃煤锅炉，锅炉尾部烟道布置两台三分仓容克式空预器。锅炉燃烧系统按配中速磨，冷一次风机，正压直吹式制粉系统设计，配6台HP1003磨煤机，R75=25%（高负荷时5台磨运行，1台备用）。24只低NOx同轴直流式燃烧器（LNCFS）分6层布置在四角，切向燃烧。燃烧器的上部设有SOFA风，以降低炉内NOx的生成量。

每台锅炉均布置两台采用美国B&W公司开发的通用型结构型scr反应器，反应器本体内装有蜂窝状催化剂（层数2+1）。SCR的几个主要设计值为：脱硝效率不小于65%（在锅炉燃用设计煤种及校核煤种、BMCR工况、处理100%烟气量的条件下），SCR入口烟气中NOx浓度为450mg/m3（干基，6%　O2），氨的逃逸率＜3mg/L，SO2/SO3转化率＜1，NH3/NOx摩尔比＜0.664。还原剂采用液氨，存储于氨罐中的液氨经蒸发器加热后蒸发为气体，经氨气管道输送到SCR区域与空气混合成浓度为≤5%（体积比）的混合气体，由喷氨格栅喷入SCR烟道脱硝。

2.环保要求及现存在的问题

乐电公司二期#3，4锅炉在脱硝投入运行的一年中，一直按环保部门有关要求，保持脱硝效率大于65%以上运行，由于过高的脱硝效率使得喷入烟道的氨过量，而过量的NH3会与烟气中的SO3反应生成硫酸氢铵（NH4HSO4）。NH4HSO4在烟温低于150℃时，会成为液态，它与飞灰表面物质反应将改变颗粒物的表面形状，最终形成一大团状粘性的腐蚀性物质，造成空预器严重积灰。根据《GB　13223-2011火电厂大气污染物排放标准》的有关规定，自2012年1月1日开始燃煤锅炉的烟气排放中NOx排放浓度上限标准为不大于100mg/m3，因此如果能控制SCR入口NOx的含量为250mg/m3左右，同时保证SCR的脱硝效率保持在60--65%左右就可以控制烟气排放中NOx的含量不超过100mg/m3，同时也能解决由于过量氨喷入引起的空预器严重积灰问题。

3.试验工况

为了解决这个问题，乐电公司分别在#3机组在660MW，500MW及400MW工况下，分别采取氧量2%、3%、4%、5%、6%，SOFA层数2层、3层、4层并不同配风及脱硝效率在55%、60%、65%、70%的工况点进行采样分析。各试验工况下采用的煤种均为乐电公司主要使用的神混煤，燃烧系统的其它控制参数基本一致。

各工况下的试验负荷，主、再热蒸汽温度与压力，均能满足试验计划负荷要求，且基本恒定，满足《GB　10184-88　电站锅炉性能试验规程》中的有关规定，且所有试验工况下，炉内结渣情况均良好，结渣倾向性均没有明显变化。

4.试验数据分析

4.1燃尽风率对NOx生成浓度及锅炉效率的影响

按照空气分级燃烧原理，在机组负荷、总空气量不变的前提下，增加燃尽风的送风量可以降低NOx的生成量。表1和图1为　660MW负荷、3%炉膛氧量、改变燃尽风率对NOx生成浓度的影响。从图1可知，随着燃尽风率的增加，NOx排放浓度不断减小，呈下降趋势。

但由表2及图2可知，随着燃尽风率升高时，锅炉效率下降，发电煤耗增加趋势基本一致，其中燃尽风率大于20%左右时，发电煤耗的增加更明显（燃尽风率升高5%，平均发电煤耗增加约1.5g/kwh左右）。燃尽风率小于18%后对经济性影响不大。因此，从燃烧经济性角度考虑，锅炉额定负荷运行时，燃尽风投运3层较为合适（燃尽风率约18%）。

4.2氧量对NOx生成及锅炉效率的影响

从NOx的生成机理可以知道，炉膛氧量对NOx的生成量有重要的影响。表3和图3显示了不同负荷时（每个负荷下保持燃尽风率不变）改变氧量对NOx生成浓度的影响。从图3可以看出，无论是在660MW负荷，还是500MW、400MW负荷的情况下，NOx生成浓度都随着氧量的增加呈上升趋势。

而由表4及图4所示，各负荷下随着氧量的增加，排烟损失呈线性增加趋势，整体上氧量每增加1%，排烟损失q2增加约0.2%左右，因而随着氧量的增加锅炉效率呈明显的下降趋势，而发电煤耗呈上升趋势，尤其在低负荷时尤为显著。在高负荷时，如果飞灰含碳量没有大的增加，锅炉在较低的氧量下运行也均有明显的经济性。总体上，氧量每增加1%，发电煤耗增加约0.8g/kwh。

4.3燃烬风、氧量及SCR脱硝效率对氨逃逸的影响

4.3.1不同燃烬风时脱硝效率对氨逃逸的影响

表5为660MW负荷、3%氧量、不同燃尽风率下脱硝效率对氨逃逸率的影响。图5为不同燃尽风率下脱硝效率对实测氨逃逸率和计算氨逃逸率的影响。

图5表明，实测氨逃逸率随着脱硝效率增大而增加。这是因为增加脱硝效率后，单位面积催化剂的负荷增加，催化剂的反应效率下降，因而会有更多的氨不能完全与NOx反应，造成氨逃逸率的增加。当脱销效率大于65%（设计值）时，氨逃逸率增加幅度加大。

4.3.2不同氧量时脱硝效率对氨逃逸率的影响

表6图6为负荷660MW、开四层燃烬风、不同氧量下脱硝效率对氨逃逸率的影响。结果仍然表明，在不同氧量条件下，增加脱硝效率也都会造成氨逃逸率的增加。

4.4总结

综合上述分析，可以得到以下结论：

（1）　乐电公司二期锅炉设计的燃尽风率为25%，且在燃烧阶段保持较高的燃烬风率对抑制NOx的生成有利，但会降低锅炉效率，综合考虑锅炉效率与防止NOx生成，燃尽风率应控制20%左右，具有较好的综合优势。

（2）　在考虑安全与稳定的前提下，降低炉膛出口氧量即可以提高锅炉效率，又可以降低NOx的生成。

（3）　根据不同燃烬风率、氧量及脱硝效率对氨逃逸的试验，只要适当保持SCR的脱硝效率在60%-65%之间，即可达到出口NOx出口含量不超过100mg/m3，又可以防止过量的氨逃逸引起空预器严重积灰。

5.具体实施方案

5.1根据试验报告方案，修改乐电公司#3炉氧量自动控制函数曲线：

5.2根据氧量函数相应修改乐电公司#3锅炉总风量百分比、大风箱与炉膛差压函数曲线：

5.3SCR进口NOx控制策略：

根据试验报告结果，结合现场主再热汽温、排烟温度、NOx生成量等指标，实行以下SOFA配风形状：

（1）高负荷时可采用均等配风方式。

（2）低负荷和减负荷过程中采用凸型配风方式，对稳定主再热汽温更有利。

自#3炉方案实施后半年时间，效果良好，即达到环保要求目标，控制了烟气排放NOx的浓度不超过100mg/m3，又同时有效抑制了氨的逃逸，防止空预器受热面的严重积灰，并且由于在不影响安全性的基础上适当降低氧量运行，对提高锅炉效率、降低风机电耗、减少液氨耗量等方面均有效果，长期运行产生可观的经济及环保效益，对节能减排有着积极的作用。

参考文献：

[1]　GB　13223-2011火电厂大气污染物排放标准.

[2]　GB　10184-88　电站锅炉性能试验规程.

[3]　吴碧君，刘晓勤.燃烧过程NOx的控制技术与原理［J］.电力环境保护，2004，20（2）：29-33.

作者简介：

潘晓辉（1979-），浙江温州人，工程师，热动硕士，值长，从事集控运行及管理工作。