燃煤電廠脫硝設計中氮氧化物“經濟濃度”研究

孫志寬

(神華國能集團有限公司，北京 100033)

1 引 言

根據中國電力企業聯合會《中國電力行業發展規劃研究報告(2011年)》預測，2015年全國發電裝機容量將達14.37 ×108kW，其中煤電裝機約9.33 ×108kW，占總裝機容量的64.9%。那么，預計2015年電力煤炭消耗量約22.5 ×108t。以現有排放水平計，電力氮氧化物(以下簡寫為NOx)排放量2015年將達1349 萬噸左右，比2010年新增449 萬噸。電力工業NOx 排放占全國總排放量的1/3 左右。目前，國家環保部與各大電力公司簽訂了“十二五”主要污染物總量控制目標責任書，出臺了新的《火電廠大氣污染物排放標準》(GB 13223－2011)，將電力行業作為NOx 控制的重點行業，對火電廠NOx 排放均提出新的更嚴格的要求，所有燃煤電廠均面臨NOx 防治任務。

由于NOx 排放與鍋爐燃燒狀況密切相關，NOx 排放控制技術呈現多樣性，根據國家NOx 排放控制法規和相關政策要求，如何經濟有效的開展NOx 治理工作，是現役火電機組急需解決的重大問題。

根據環境保護部《火電廠NOx 防治技術政策》(環發［2010］10 號)要求，燃煤電廠應倡導合理使用燃料與污染控制技術相結合、燃燒控制技術和煙氣脫硝技術相結合的綜合防治措施，以減少燃煤電廠NOx 的排放;燃煤電廠NOx 控制技術的選擇應因地制宜、因煤制宜、因爐制宜，依據技術上成熟、經濟上合理及便于操作來確定;低氮燃燒技術應作為燃煤電廠NOx 控制的首選技術。當采用低氮燃燒技術后，NOx 排放濃度不達標或不滿足總量控制要求時，應建設煙氣脫硝設施。

目前，燃煤電廠NOx 防治一般采用低氮燃燒器(以下簡稱LNB)+選擇性催化還原(SCR)的技術路線。本文重點關注燃煤電廠LNB 改造方案的選擇問題。對于不同剩余使用壽命、燃用不同煤種的機組來說，如何選擇LNB 改造方案，一般需通過中長期經濟技術比較來確定。神華國能集團有限公司研究了一套LNB 方案選擇的經濟性模型，供現役機組和新建項目參考使用。

2 低氮燃燒器(LNB)現狀

國內外廠家LNB 改造后NOx 排放濃度一般在200～550mg/Nm3，NOx 減排率可達30%～60%。一般現役機組的LNB 改造效果，與改造投入費用有關。要達到較好的改造效果，不僅要對噴燒器進行改造，還可綜合采用低過量空氣系數、空氣分級燃燒技術和濃淡燃燒等技術，改造整個鍋爐燃燒和控制系統。

現役機組LNB 改造時，除綜合考慮爐型、煤種、費用外，還要考慮LNB 改造后鍋爐熱效率不宜降低、改造后的鍋爐有良好的燃燒穩定性、有避免欠氧燃燒引起鍋爐部分區域結焦和水冷壁金屬腐蝕的措施、有避免飛灰可燃物含量增高的措施等。

目前，國內新建的300MW 以上的火電機組已普遍采用低NOx 燃燒技術，對現有的100～300MW 機組也在進行低NOx 燃燒技術改造。燃用煙煤的切圓燃燒鍋爐采用低NOx 措施后，NOx 排放濃度有了顯著下降，可滿足目前排放標準。但燃用燃貧煤和無煙煤時NOx排放濃度往往超標，尤其采用W 火焰鍋爐，NOx 排放濃度超標更為明顯。

3 低氮燃燒器(LNB)改造的“經濟濃度”概念

對于不同機組容量、不同現狀NOx 排放濃度、燃用不同煤種時，進行LNB 改造的可投入的費用也不相同。為了確定機組實施LNB 改造需投入的費用、改造后NOx 濃度等目標，有必要開展LNB +SCR 改造的經濟性分析工作。

LNB 改造的“經濟濃度”概念是指進行LNB 時的，滿足LNB +SCR 運行費用(含脫硝投資還貸等費用)最低時的鍋爐尾部煙氣的NOx 濃度，也就是SCR 入口的NOx 濃度。

對于現有燃煤電廠，已采用早期的低氮燃燒器，面對新的火電廠氮氧化物排放標準，當機組原煙氣NOx濃度高于“經濟濃度”時，實施LNB 改造是經濟的，當組原煙氣NOx 濃度低于“經濟濃度”時，實施LNB改造是不經濟的。

由于機組建設時期不同，燃用煤種也各有差異，機組采用“低氮燃燒+SCR”NOx 防治技術時，其經濟性應呈現較大的差異性。影響NOx“經濟濃度”計算的主要因素有:

(1)機組及原有燃燒系統使用壽命;

(2)催化劑價格(包括再生費用)、液氨價格、運行氨氮比;

(3)SCR 3 層催化劑整體使用年限;

(4)低氮燃燒系統改造后脫硝率;

(5)SCR 運行成本(不包括催化劑和液氨消耗);

(6)機組年平均利用小時數;

一般來說，機組剩余使用壽命越長，進行LNB 時的NOx“經濟濃度”越小，LNB 經濟性越高。

在改造工程設計中，LNB 改造目標(改造后鍋爐省煤器出口NOx 排放濃度)的確定應根據LNB 改造經濟性分析結果確定。對于不同剩余壽命的機組，要針對鍋爐型式、煤種和NOx 現狀排放濃度等條件，開展LNB 改造的中長期經濟性分析，以選擇較為經濟的LNB 改造方案。一般來說，機組剩余壽命越長、NOx 現狀排放濃度越高，進行LNB 改造的經濟性(節省SCR 運行費用)越好，單位裝機容量LNB 改造的可投資額度也越高。

為使NOx 防治方案最經濟，針對具體工程，必須進行LNB 技術方案的經濟性分析研究工作，確定“NOx經濟濃度”。對于燃用不同煤質和剩余壽命的機組，可以計算出LNB 改造的“NOx 經濟濃度”。當電廠目前爐膛NOx 排放濃度高于和低于“NOx 經濟濃度”時，LNB+SCR 改造總投資最具有經濟性。作者通過建模，得出在目前投資、運行的一般條件下，單機30 和60 萬千瓦機組在燃用不同煤種時在不同剩余壽命下的“NOx 經濟濃度”見表1。

對于燃用不同煤質和運行年限的機組，可以計算出LNB 改造的“NOx 經濟濃度”。圖1 為一般運行的條件下，固定煤種(煙煤)下300MW 機組在不同運行年限、不同LNB 改造投入費用時鍋爐出口“NOx 經濟濃度”的變化圖。

表1 不同煤種鍋爐在不同剩余壽命下的NOx 經濟濃度(單位:mg/Nm3)

4 結 論

根據神華國能集團公司的經驗，現役機組在開展脫硝改造決策時，首先確定“NOx 經濟濃度”十分重要。就現役機組LNB 改造的實際情況，針對目前LNB 改造的投資和效果，以及SCR 投資和年運行費用等因素建模計算得出“NOx 經濟濃度”，以決定現役機組LNB 改造深度，選擇較為合理的LNB 投資方案和改造目標，優化SCR 入口設計濃度，降低NOx 防治的投資和運行費用，實現經濟利益最大化。

本文在討論現役機組的脫硝改造時，同時還考慮到機組的剩余壽命、鍋爐型式、煤種和NOx 現狀排放濃度等條件，一般來說，機組剩余壽命越長、NOx 現狀排放濃度越高，進行LNB 改造的經濟性越好，LNB 改造的投資效益也越高。對新建燃煤機組的LNB 和SCR 設計中，上述“NOx 經濟濃度”的確定方法和應用同樣具有理論與實踐的指導意義。

以上研究表明，燃煤電廠氮氧化物(NOx)防治一般采用低氮燃燒器(LNB)+選擇性催化還原(SCR)的技術路線，為滿足現行排放標準，如何分配LNB 和SCR 的“出力”，存在一個最佳的技術投資方案。本文通過建模研究，創新性地提出了燃煤電廠低氮燃燒器改造的“經濟濃度”概念，據此進行LNB 和SCR 的設計，可使改造方案達到最佳環境效益與經濟目標。

圖1 300MW 機組“NOx 經濟濃度”變化圖

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