300MW燃煤機組脫硝改造技術及經(jīng)濟分析

文 / 孫雪麗 徐鐵兵 王圣 潘超 國電環(huán)境保護研究院 河北省環(huán)境科學研究院

本文以華東地區(qū)某電廠2臺300MW燃煤機組脫硝技改工程為實例，結合機組現(xiàn)狀選擇合適的脫硝改造方案，并在此基礎上進行技術及經(jīng)濟分析。

1 鍋爐現(xiàn)狀

該電廠2×300MW機組鍋爐為亞臨界壓力一次中間再熱控制循環(huán)汽包爐，2005年建成時已預留了煙氣脫硝空間。

（1）燃燒系統(tǒng)

鍋爐為單爐膛四角布置的擺動式直流燃燒器切圓燃燒方式，采用5臺中速磨煤機直吹式送粉系統(tǒng)，5層一次風噴嘴布置，其中3層運行帶最大連續(xù)蒸發(fā)量(B-MCR)，并布置3層點火油槍，最下層設有等離子點火系統(tǒng)。油燃燒器的總輸入熱量按30%B-MCR設計，采用2級點火。采用四角切向布置的全擺動燃燒器，燃燒器能長期運行，擺動裝置靈活可靠。在熱態(tài)運行中，一、二次風噴口均可上下擺動，最大擺角約±30°，以滿足再熱汽溫調(diào)節(jié)要求。

最上排燃燒器噴口中心線標高26160mm，距分隔屏屏底距離19660mm，最下排燃燒器噴口中心標高20050mm，至冷灰斗轉(zhuǎn)角距離為4520mm，每角燃燒器風箱中設有3層啟動及助燃油槍。

（2）煙氣NOx排放現(xiàn)狀

按設計煤種單臺機組煙氣量為100.3萬Nm3（干基），根據(jù)目前電廠的監(jiān)測記錄，氮氧化物排放濃度約600mg/m3，該數(shù)據(jù)作為后面經(jīng)濟分析的原始濃度。

2 改造目標

《火電廠大氣污染物排放標準》要求，新建機組以及2003年12月31日以后通過建設項目環(huán)境影響評價報告書審批的現(xiàn)有機組執(zhí)行100mg/m3的標準限值，因此本次改造的目標就是要將NOx排放濃度降低到100mg/m3以下。

3 技術分析與篩選

3.1 低氮燃燒技術比較與選擇

2010年環(huán)保部頒布《火電廠氮氧化物防治技術政策》明確指出我國火電行業(yè)氮氧化物防治技術路線：低氮燃燒技術應作為燃煤電廠氮氧化物控制的首選技術，當采用低氮燃燒技術后，氮氧化物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。因此，無論是新建還是舊機組，在進行脫硝方案設計時均應首先考慮低氮燃燒技術。下面結合該項目情況，對目前主流的4種低氮燃燒技術進行綜合分析比較。

（1）煙氣再循環(huán)

煙氣再循環(huán)雖然能降低NOx的生成，但實施起來并不容易。因為需要一臺大型風機抽吸空氣預熱器出口的煙氣，煙道尺寸也很大，現(xiàn)場往往不好布置。煙氣中粉塵濃度很高，風機磨損嚴重。因此，煙氣再循環(huán)一般用于燃油、燃氣裝置，或者小型的液態(tài)排渣爐、窯爐等。煤粉鍋爐進行煙氣再循環(huán)，還會造成飛灰含碳量的增加、鍋爐結焦加重、燃燒不穩(wěn)定等。

（2）空氣分級燃燒

本工程鍋爐本身是已經(jīng)實施了空氣分級燃燒的電廠鍋爐，進一步改造成完整的空氣分級燃燒會有很多問題。由于要大規(guī)模改造，原來的空氣分級將失去作用，而改造也存在達不到理想脫硝率的風險。另外，空氣分級還會使主燃燒區(qū)形成很強的還原性氣氛，導致鍋爐結渣和腐蝕加重?？諝夥旨壢紵脑煲矔垢脑旌腿紵{(diào)整的工作量大大增加。

（3）燃料分級燃燒

由于該電廠鍋爐是直吹式燃料系統(tǒng)，該燃料分級燃燒的難度是很大的，只能增加磨煤機，風系統(tǒng)也要有很大改動，因此，改造工程很復雜。該鍋爐能否改成燃料分級，還需要進行理論和模型的模擬計算與試驗。即便能改造，燃料分級所帶來的問題也很多，主要有還原區(qū)的結渣和腐蝕加重，燃盡區(qū)燃燒不完全，造成鍋爐尾部煙溫升高，飛灰含碳量上升，鍋爐燃燒效率降低等。鍋爐燃燒效率降低0.8%～1%是普遍的，還有可能影響飛灰的利用。

（4）低氮燃燒器（LNB）

由于低NOx燃燒器綜合了煙氣再循環(huán)、空氣分級、燃料分級等技術，因此脫硝效果是最為顯著的，很容易取得30%～50%的脫硝率，大多數(shù)煙煤鍋爐的NOx排放濃度在500mg/Nm3左右。對于煙煤四角燃燒鍋爐，一般能保證400mg/Nm3以下。用低NOx燃燒器改造舊機組，也是燃燒控制NOx生成的首選。主要原因是：

①NOx排放濃度降低顯著。一般能降低30%～50%的NOx排放。因此，通常將低NOx燃燒器作為脫硝的前置控制手段，配合選擇性非催化還原技術脫硝，就可以以較小的投資和運行成本，得到很高的脫硝率，可以輕易滿足最嚴格的環(huán)保要求。

②改造工程量小。由于燃燒器是獨立設備，更換所帶來的工程量比較小。由于鍋爐系統(tǒng)改造少，對鍋爐可能的負面影響也很小，而且沒有場地要求，因而容易實施。

③便于項目操作。低NOx燃燒器是成熟的系列化產(chǎn)品，制造商也很多，其改造指標的可信度比較高，也容易達到性能保證要求。招標過程中，便于各廠商的技術比較，因此，低NOx燃燒器改造項目操作比較簡單，風險比較小。

綜上所述，經(jīng)比較分析，本項目可行的方案為采用低氮燃燒器改造進行前置控制手段。該電廠#4、#5鍋爐在對原燃燒器進行改進時，將采用原有的四角切圓燃燒方式，且不能降低鍋爐熱效率。以采用煙臺龍源電力技術股份有限公司的低NOx燃燒器方案進行經(jīng)濟技術分析，脫硝效率取40%。

3.2 煙氣脫硝技術比較與選擇

采用目前先進的低氮燃燒技術，只可以將NOx濃度降低到300～350mg/m3，還需要安裝爐膛外煙氣脫硝技術，可選方案有選擇性非催化還原技術（SNCR）和選擇性催化還原技術（SCR）。SNCR技術脫硝效率只有40%左右，不能滿足要求。SCR和SNCR-SCR技術效率可達80%左右，能夠滿足要求。但SNCR脫硝技術對溫度窗口要求十分嚴格，對機組負荷變化適應性差，對供煤煤質(zhì)多變、機組負荷變動頻繁的電廠，應用受限。因此，為達到小于100mg/m3該電廠選擇SCR技術，脫硝效率取80%。

因該電廠2×300MW機組建設時均預留了煙氣脫硝場地，由于使用尿素作為還原劑能量消耗較大，系統(tǒng)設備投資和還原劑成本較高，且該電廠貯存液氨的場地滿足國家相關的安全標準、規(guī)范要求，因此優(yōu)先選擇液氨作為還原劑。

綜上所述，本工程可行的低氮燃燒改造技術為低氮燃燒器改造，脫硝效率設計為40%，可以將鍋爐氮氧化物濃度降低到360mg/m3，但仍不能滿足標準要求。為了進一步降低濃度，達到100mg/m3的要求，從脫硝效率考慮，本脫硝改造工程最佳技術路線為LNB（40%）+SCR（80%）。

4 經(jīng)濟性分析

4.1 評價方法

脫硝經(jīng)濟分析一般從投資與年運行費用兩方面來考慮。首先對工藝設計進行設備投資計算和物料衡算，然后在此基礎上加以分析。本文脫硝費用計算方法如下：

（1）初投資（F0）

脫硝工程初投資主要由4項費用組成：工程建設費、不可預見費、工程設計費和其他雜項費用。對初始投資影響最大的因素是機組容量、改造方案設計的工程量和供貨量。

計算時可采用均化投資的概念，即將初投資在使用壽命期內(nèi)均攤，而每年的脫硝費用為年均化投資與年運行費用之和。年均化投資的計算公式如下：

其中：F－年均化投資（元）；

F0－初始投資（元）；

α－年均化系數(shù)；

i－貼現(xiàn)率；

n－脫硝裝置使用年限。

（2）運行/維護費用（Y）

運行/維護費用包括：①原材料費用，主要有還原劑（液氨或氨水、尿素等）、催化劑、水、電、蒸汽、壓縮空氣、氮氣等；②勞動費用，即工人和管理人員的工資；③維護費用，即年修和大修費。對運行費用影響最大的因素是煙氣中NOx濃度、煙氣量。

（3）脫硝成本

脫硝成本一般用2個指標來衡量，一是脫除1t NOx的費用（C）；二是每度電增加的成本（K）。

年脫硝成本計算公示如下：

其中：F′－年脫硝成本（元）；

C－脫除1tNOx的費用（元/kg）；

K－每度電的增加成本（元/kWh）；

W－年脫除NOx的量（kg）；

E－年發(fā)電總量（kWh）。

4.2 脫硝成本計算

（1）低氮燃燒器改造成本分析與計算

本工程兩臺機組進行低氮燃燒器改造所需要初始投資約3000萬元，其中低氮燃燒器等供貨費用約2500萬元，其他拆除、改造、安裝費用約500萬元。按照上述經(jīng)濟評價方法計算低氮燃燒器改造減排成本所需的參數(shù)見表1。低氮燃燒器運行幾乎不需要運行費用，計入計算的運行費用為維護費用。考慮初始投資均化，不計利息的情況下，計算獲得本項目低氮燃燒器改造工程單位電量增加成本為0.0012元/kWh，單位NOx脫硝成本為1.48元/kg。

表1 低氮燃燒器改造計算脫硝成本參數(shù)一覽表

（2）SCR脫硝技術改造成本分析與計算

本工程兩臺機組在進行SCR改造（80%脫硝效率）所需要初始投資約12000萬元，其中主要供貨設備費用約10000萬元，其他工作量費用約2000萬元。

按照上述評價方法計算SCR改造脫硝（80%脫硝效率）成本所需的參數(shù)見表2。SCR運行需要的費用包括液氨消耗、催化劑更新、電耗、人工、設備維修等，其中液氨消耗和催化劑更新費用分別約占31%和47%?？紤]初始投資均化，不計利息的情況下，計算獲得SCR改造工程（80%脫硝效率）單位電量增加成本為0.011元/kWh，單位NOx脫硝成本為11.28元/kg。

表2 SCR改造計算脫硝成本參數(shù)一覽表（80%效率）

4.3 綜合成本分析

考慮到煤種的波動變化和其他因素，導致氮氧化物濃度上升，脫除率要有一定的裕度，綜合考慮初始投資、運行費用等因素，年脫硝成本是運行與投資的綜合反映。本工程采用LNB（40%）+SCR（80%）脫硝方案，能夠?qū)煔獬隹跐舛冉档偷?2mg/Nm3，所需的初始投資約1.5億元，運行維護費用約2210萬元/年，單位電量增加成本為0.012元/kWh，單位NOx脫硝成本為12.76元/kg。本文計算時未考慮利息，如考慮利息，脫硝改造成本更高。