1000MW超超臨界火力發電機組降低NOx措施研究

銅山華潤電力有限公司 張建華 李京 王松

0 引言

在燃煤電廠排放的大氣污染物中，NOx因為對生態環境和人體健康危害極大，且難以處理，所以成為重點控制排放的污染物之一。目前控制NOx排放的主要措施有燃燒調整及燃燒后脫硝兩種。通過設置低NOx燃燒器，合理的進行燃燒調整，增加SCR脫硝技術，可有效的控制NOx的排放量，減輕電廠SCR運行成本，進一步降低NOx排放量，對治理大氣污染、保持良好的空氣環境具有積極的意義。

1 系統設計特點

銅山華潤電力2×1000MW超超臨界燃煤發電機機組，配置上海鍋爐廠制造的SG-3044/27.46-M53x超超臨界參數、直流爐、單爐膛、一次再熱、平衡通風、露天布置、固態排渣、全鋼構架、全懸吊結構、切圓燃燒方式塔式鍋爐。機組脫硝方式采用鍋爐低氮燃燒技術和選擇性催化還原法（SCR）脫硝技術。

1.1 低NOx同軸燃燒系統（LNTFS）

燃燒方式采用低NOx同軸燃燒系統，煤粉燃燒器為四角布置、切向燃燒、擺動式燃燒器，通過分析煤粉燃燒時NOx的生成機理，建立早期著火和使用控制氧量的燃料/空氣分段燃燒技術，分層布置噴嘴和二次風，減少揮發份氮轉化成NOx，達到有效降低NOx產生的目的。系統主要組件為：緊湊級燃盡風（CCOFA）；可水平擺動的分離燃盡風（SOFA）；預置水平擺角的輔助風噴嘴（CFS）；強化著火（EI）煤粉噴嘴。

煤粉燃燒器采用典型的LNTFS燃燒器布置，一共設有12層煤粉噴嘴，在煤粉噴嘴四周布置有燃料風（周界風）。燃燒器風箱分成獨立的3組，下面2組風箱各有6層煤粉噴嘴，對應3臺磨煤機，在每相鄰2層煤粉噴嘴之間布置有1層燃油輔助風噴嘴。每相鄰2層煤粉噴嘴的上方布置了1個組合噴嘴，其中預置水平偏角的輔助風噴嘴（CFS）和直吹風噴嘴各占約50%出口流通面積。該系統采用6臺直吹式中速磨煤機，容量的選擇使得在任何負荷情況下至少有一臺磨煤機處于備用狀態。每臺磨煤機對應提供2層燃燒器所需的煤粉。磨煤機出口的4根煤粉管道在燃燒器前通過一個1分2的分配器，分成8根煤粉管道，進入4個角燃燒器的2層煤粉噴嘴中。

圖1 煤粉燃燒器詳圖

1.2 選擇性催化還原法（SCR）脫硝技術

脫硝工藝采用選擇性催化還原法（SCR）的方式，SCR工藝系統主要包括：催化劑及其反應器、氨儲存系統、氨噴射系統、脫硝公用系統和控制系統等。

SCR還原劑采用液氨，催化劑是以氧化鈦為基體，其結構型式采用板式，催化劑安裝在一個固定反應器的箱體內，采用2+1層布置。

脫硝裝置安裝在省煤器至空預器的區段，能夠保證對兩臺機組進行100%煙氣量進行脫硝處理。在鍋爐燃用設計煤種50%BMCR～100%BMCR工況下、煙氣溫度在320～420℃范圍內時，處理煙氣量時的保證脫硝效率不小于70%（入口煙氣NOx含量350mg/Nm3）。

SCR系統包括：煙氣系統、SCR反應器和催化劑、空氣預熱器系統以及相應的煙風道系統、催化劑的吹灰系統、氨的空氣稀釋和加注系統、煙氣取樣系統。SCR系統反應器本體是實現還原反應場所，在SCR區將氨氣與空氣混合后注入SCR反應器進口煙道，與煙氣充分混合后，氨作為還原劑在催化劑的作用下與氧化氮反應生成水和氮氣，使得SCR出口氧化氮濃度降到規定值。

圖2 SCR系統流程圖

2 影響NOx排放因素分析

2.1 配風方式對NOx排放的影響

低NOx同軸燃燒器通過在爐膛的不同高度布置CCOFA和SOFA風檔板，將爐膛分成三個相對獨立的部分：初始燃燒區，NOx還原區和燃料燃盡區。

機組正常運行中應盡量使用倒寶塔式配風，開大上層CCOFA和SOFA風檔板，關小下層輔助風及燃料風檔板，使初始燃燒區下層一次風所攜帶的煤粉處在缺氧條件下燃燒，缺氧燃燒時煤粉的燃燒速度和溫度均會降低，能夠有效的減少熱力型NOx的生成[1]。同時，燃料中釋放的含氮中間產物HCN、NH3等會將NO分解成N2，可以有效抑制燃料型NOx的生成。

通過在燃料燃盡區內保持煤粉富氧燃燒，會有一部分殘留的氮被氧化成NOx，因殘留量較低且火焰溫度較低，熱力型NOx生成量較少，未燃盡的煤粉和可燃氣體可以得到有效燃盡，亦可降低鍋爐爐渣可燃物含量[2]。表1為機組正常運行中，調整配風方式對NOx生成量的對比。

表1 調整配風方式對NOx生成量的對比

由表1可以看出，此種配風方式對降低NOx排放量效果明顯，故機組正常運行中，應盡量開大上層CCOFA和SOFA風檔板運行。因開大此擋板對風箱爐膛差壓影響很小，故不會影響鍋爐燃燒穩定性。

2.2 過量空氣系數對NOx排放的影響

通過過量空氣系數的調整與控制是降低NOx排放濃度的有效措施，低氧燃燒可以降低爐膛燃燒溫度，有效抑制并還原NOx。但若過度低氧燃燒，會使煤粉燃盡率降低，鍋爐燃燒穩定性降低，造成煤粉燃燒效率的降低，進而降低鍋爐效率[3,6]。所以在鍋爐正常運行調整中，根據不同的煤質情況，應維持合理的過剩空氣系數。

低NOx同軸燃燒器每個區域的過量空氣系數由三個因素控制：總的OFA風量，CCOFA和SOFA風量的分配以及總的過量空氣系數。空氣分級方法通過優化每個區域的過量空氣系數，有效降低NOx排放的同時能最大限度地提高燃燒效率。表2為機組負荷800MW，煤量300t/h穩定運行，降低氧量運行時NOx排放對比。

表2 改變氧量對NOx排放影響

機組實際運行中，當鍋爐負荷小于650MW時，因鍋爐穩燃要求，一般維持氧量偏高運行，容易造成NOx排放量超標，造成噴氨流量增大，使SCR運行成本增加。此時應通過提高磨組出口溫度、調整風門擋板使爐膛燃燒集中等方式穩定燃燒，進而可以進一步降低氧量運行，控制NOx排放正常。

2.3 磨組運行方式對NOx排放的影響

機組運行時保持鍋爐負荷在800MW穩定運行，過量空氣系數和配風方式等參數不變，通過不同的磨組運行方式進行試驗。試驗數據如表3所示。

表3 磨組運行方式對NOx排放影響

由表3可以看出，底層磨組運行時NOx的排放量要比上層磨組運行時要低，主要原因在于當上層磨組運行時，高溫區域沿爐膛高度方向比較長，熱力型NOx的生成量會增加，下層磨組運行時，高溫區域沿爐膛高度方向比較短，可以減少熱力型NOx的生成。故在機組運行中，應盡量保持下層磨組運行，以降低NOx的生成[4,5]。但下層磨組運行時，火焰中心相應下移，主再熱汽溫會相應下降，應通過提高燃燒器擺動噴嘴、提高過熱度等方式調整，保證主再熱汽溫在經濟運行值。

3 提高SCR效率措施

3.1 提高煙氣溫度

根據SCR反應原理4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O，NO+NO2+2NH2→2N2+3H2O，催化劑以氧化鈦為基體時，一般當煙氣在320～420℃范圍內，催化劑在此溫度范圍內才具有活性。機組正常運行中，當SCR進口煙氣溫度達到320℃時，集控運行人員即投入噴氨系統，進行脫硝的正常運行。

根據環保要求，在保證SCR出口NOx含量低于65mg/Nm3的前提下，通過調節進氨調節閥，使得SCR脫硝效率大于60%，通常控制在65%～85%范圍內。確定能保證催化劑性能的煙氣溫度要求大于320℃，不允許在320℃以下運行。為延長催化劑壽命，運行中一般控制煙氣長期最低溫度為320℃，短期運行最低溫度為300℃，短期運行最長時間為5小時，需要相同時間（5小時在325℃以上）恢復催化劑活性。

當機組長時間在低負荷（500MW左右）運行時，爐膛內部熱負荷低使SCR煙氣入口溫度下降。脫硝考核標準要求機組負荷在500MW以上必須投入脫硝運行。故機組負荷低時應通過提高磨組出口溫度、提高一二次風溫度等措施，提高爐膛溫度，使煙氣溫度滿足SCR最佳工作工況。

3.2 穩定SCR供氨壓力及溫度

機組運行中，應保持供氨壓力及溫度穩定，供氨壓力波動會改變供氨流量，進而影響SCR出口排放量。供氨壓力上升，會造成氨用量的浪費，供氨壓力下降，會造成SCR出口NOx排放量超標。機組運行中供氨壓力應盡可能維持在0.3MPa穩定，超出0.27～0.33MPa時及時調整。

運行中應保證氨站汽化器加熱汽源壓力溫度穩定，特別當冬天外界汽溫低時，應加強供氨系統的檢查，防止出現供氨管路或儀表上凍，引起供氨壓力下降或失去監視。

3.3 加強SCR吹灰

SCR吹灰設計要求每月一次或兩次，以便保持較高的催化劑表面清潔度，吹灰汽源取自機組一再進口蒸汽，吹灰時采取單支逐個方式，以保證吹灰效果。實際機組運行中，可適當提高吹灰頻率，維持每周一次SCR吹灰，吹灰時應保證吹灰壓力不低于1.2MPa，以保證吹灰效果。SCR吹灰后應及時投入空預器吹灰，保證空預器受熱面清潔。