王永豪
(國電滎陽煤電一體化有限公司,河南 滎陽 450199)
據(jù)國家環(huán)保部統(tǒng)計(jì),2011年全國氮氧化物排放總量2404.3萬噸,2012年全國氮氧化物排放總量為2337.8萬噸,已充分體現(xiàn)了國家節(jié)能減排工作的初步成效和決心。為滿足國家和地方環(huán)保法規(guī),改善本地區(qū)的大氣環(huán)境質(zhì)量,確保電力與環(huán)境的可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展,火力發(fā)電廠鍋爐煙氣脫硝迫在眉睫。由于某電廠為“W”型火焰鍋爐,該鍋爐爐膛溫度高,氮氧化物生成濃度較高,所以必須采用先降后脫的方案,即OFA(Over Fire Air:燃盡風(fēng))與SCR(Selective Catalytic Reducation:選擇性催化還原)聯(lián)合脫硝技術(shù)。
煤燃燒過程中產(chǎn)生的氮氧化物主要是一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2),在煤燃燒過程中氮氧化物的生成量和排放量與煤的燃燒方式,特別是燃燒溫度和過量空氣系數(shù)等燃燒條件有關(guān)。研究表明,在煤的燃燒過程中生成NOx的主要途徑有三個(gè):熱力型NOx、快速型NOx、燃料型NOx。
根據(jù)熱力型NOx的生成過程,要控制其生成,就需要降低鍋爐爐膛中燃燒溫度,并避免產(chǎn)生局部高溫區(qū),以降低熱力型NOx的生成。
快速型NOx主要產(chǎn)生于碳?xì)浠衔锖枯^高、氧濃度較低的富燃料區(qū),多發(fā)生在內(nèi)燃機(jī)的燃燒過程。而在燃煤鍋爐中,其生成量很小。
燃料型NOx是燃煤電廠鍋爐產(chǎn)生的NOx的主要途徑。研究燃料型NOx的生成和破壞機(jī)理,對(duì)于控制燃燒過程中NOx的生成和排放,具有重要的意義。
目前控制NOx排放的措施大致分為三類,一類是低NOx燃燒技術(shù),通過各種技術(shù)手段,抑制或還原燃燒過程中生成的NOx,來降低NOx排放;另一類是爐膛噴射脫硝技術(shù);第三類是煙氣脫硝技術(shù)。對(duì)低NOx燃燒技術(shù)的要求是,在降低NOx的同時(shí),使鍋爐燃燒穩(wěn)定,且飛灰含碳量不能超標(biāo)。爐膛噴射脫硝實(shí)際上是在爐膛上部噴射某種物質(zhì),使其在一定的溫度條件下還原以生成的NOx,以降低NOx的排放量,目前還不成熟。
煙氣脫硝技術(shù)又分為干法、濕法。
干法煙氣脫硝技術(shù)包括選擇性催化脫硝法(SCR)、選擇性非催化脫硝法(SNCR)、電子束照射法和電暈放電等離子體同時(shí)脫硫脫硝法。
濕法煙氣脫硝雖然效率高,但系統(tǒng)復(fù)雜,用水量大,并有水的污染,因此燃煤鍋爐很少采用。
對(duì)上述幾種不同的煙氣脫硝工藝進(jìn)行技術(shù)比較,比較結(jié)果見表1。
該電站采用北京巴布科克·威爾克斯公司制造的B&WB-1950/25.4-M型超臨界“W”型火焰鍋爐,采用雙進(jìn)雙出磨正壓直吹式冷一次風(fēng)制粉系統(tǒng),設(shè)計(jì)煤種和校核煤種Ⅰ為無煙煤,校核煤種Ⅱ?yàn)樨毭骸?/p>
表1 煙氣脫硝工藝比較表
鍋爐采用尾部雙煙道布置,煙氣擋板調(diào)節(jié)再熱汽溫,噴水減溫控制過熱汽溫,配2臺(tái)容克式三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器。除塵設(shè)備采用2臺(tái)雙室四電場靜電除塵器,煙氣除塵后經(jīng)脫硫系統(tǒng)進(jìn)入煙囪。鍋爐采用干式除渣系統(tǒng),配干式排渣機(jī)一臺(tái)。
“W”型火焰超臨界燃煤機(jī)組NOx等污染物排放量較高,均在1000mg/Nm3以上,難以滿足我國新的排放標(biāo)準(zhǔn), 根據(jù)國家環(huán)保部發(fā)布的《火電廠氮氧化物防治技術(shù)政策》的要求,低氮燃燒技術(shù)應(yīng)作為燃煤電廠氮氧化物控制的首選技術(shù)。當(dāng)采用低氮燃燒技術(shù)后,氮氧化物排放濃度不達(dá)標(biāo)或不滿足總量控制要求時(shí),應(yīng)建設(shè)煙氣脫硝設(shè)施。
(1)“W”型火焰鍋爐低NOx燃燒技術(shù)改造,解決燃盡的主要措施是提高煤粉細(xì)度、提高燃燒區(qū)溫度、延長煤粉在燃燒區(qū)的停留時(shí)間、分級(jí)送入二次風(fēng)。其主要改造手段也有三個(gè)方面:一是對(duì)煤粉分離器進(jìn)行改造,調(diào)整分離器折向擋板,提高煤粉細(xì)度;二是調(diào)整燃燒器旋向和燃燒器二次風(fēng)量擋板開度,均衡燃燒器整體溫度,但要降低溫度峰值,實(shí)現(xiàn)火焰中心在下爐膛合適位置,延長煤粉在燃燒區(qū)的停留時(shí)間,加強(qiáng)煤粉燃盡;三是對(duì)分級(jí)風(fēng)噴口進(jìn)行改造,實(shí)現(xiàn)下爐膛分級(jí)配風(fēng)。
(2)“W”型火焰鍋爐低NOx燃燒技術(shù)改造最核心最關(guān)鍵的技術(shù)就是增設(shè)OFA(燃盡風(fēng))。在上爐膛入口(即燃燒器層上部)的前后墻各增加燃盡風(fēng)噴口12個(gè),左右側(cè)墻各增加燃盡風(fēng)噴口2個(gè),一共28個(gè)燃盡風(fēng)噴口。該燃盡風(fēng)從鍋爐二次風(fēng)箱引出,從根本上實(shí)現(xiàn)了分級(jí)配風(fēng),最大限度地降低NOx生成。這是因?yàn)樵谌紵鞒隹谔幍拿悍壑饏^(qū)域,氧氣濃度較高,溫度較高,十分有利于NOx的生成,燃盡風(fēng)投運(yùn)后,送入主燃燒區(qū)的空氣量減少,主燃燒區(qū)的過量空氣系數(shù)小于1,使得該區(qū)域的溫度水平下降,大大減少了熱力型NOx的生成;同時(shí)送入主燃燒區(qū)的氧氣量減少,主燃燒區(qū)處于還原性氣氛中,也在一定程度上抑制了NOx的生成。
使用試驗(yàn)煤種,在機(jī)組負(fù)荷600MW、480MW 和320MW三個(gè)工況下,省煤器出口6%O2折算后平均NOx 排放濃度分別為 626.1mg/Nm3、596.6mg/Nm3、553.6mg/Nm3。各工況下NOx排放濃度均比改造前降低30%~40%。
選擇性催化還原法(SCR)脫硝效率可以達(dá)到85%以上,可在較低的溫度范圍內(nèi)(300~420℃)完成催化還原反應(yīng),對(duì)煤種及鍋爐負(fù)荷變化適應(yīng)性強(qiáng),運(yùn)行簡單,在目前全世界脫硝工藝中占據(jù)主導(dǎo)地位。目前脫硝布置中采用最多的布置方式為高灰段布置方式,即反應(yīng)器布置在鍋爐省煤器和空氣預(yù)熱器之間。綜合上述,根據(jù)技術(shù)先進(jìn),工藝成熟,經(jīng)濟(jì)合理,有工業(yè)業(yè)績,脫硝效率高的原則,最終采用SCR煙氣脫硝技術(shù)。催化劑采用“3+1”層催化劑布置方式,還原劑采用液氨。
SCR工藝是向鍋爐煙氣中噴入氨氣(NH3)作為還原劑,使用氧化鈦、氧化鐵、佛石、活性碳等催化劑,在300~420℃較低的工作溫度下,將NOx還原為無害的N2和H2O。
鍋爐經(jīng)過低氮改造后,滿負(fù)荷情況下平均NOx排放濃度為626.1 mg/Nm3,此濃度即為脫硝入口NOx濃度。各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)見下表2。
表2 OFA與SCR聯(lián)合應(yīng)用脫硝效果分析
(1)三個(gè)試驗(yàn)工況下,經(jīng)過低氮和脫硝共同作用后,煙氣中NOx的排放濃度降為105.1 mg/Nm3、91.2 mg/Nm3、83.7 mg/Nm3,在低氮改造的基礎(chǔ)上,脫硝效率分別為 83.2%、84.7%、84.9%。
(2)三個(gè)試驗(yàn)工況下,修正后的鍋爐熱效率分別為 92.59%、92.88%、92.54%,均均高于原鍋爐效率性能保證值91.54%。
(3)三個(gè)試驗(yàn)工況下,空預(yù)器出口CO排放濃度分別為21/25ppm、25/21ppm、16/18ppm;灰渣平均含碳量分別為 3.02%、2.36%、1.64%;經(jīng)進(jìn)風(fēng)溫度修正后排煙溫度為 133.1℃、128.4℃、120.8℃。
低氮燃燒改造從穩(wěn)燃、燃盡、降NOx的角度出發(fā),以O(shè)FA為核心,最大限度地降低了爐膛內(nèi)氮氧化物的生成量。NOx生成濃度由原來的1100 mg/Nm3降至不足700 mg/Nm3,氮氧化物生成量減少30%~40%。
SCR脫硝技術(shù)通過噴氨口連續(xù)噴氨、催化劑催化還原的方式將省煤器出口煙氣中氮氧化物濃度從600 mg/Nm3左右降至100 mg/Nm3左右,脫硝效率高達(dá)83%以上。
OFA及SCR相結(jié)合的脫硝技術(shù)在600MW超臨界“W”型火焰鍋爐上得到應(yīng)用,經(jīng)過測試,脫硝效率完全達(dá)到了設(shè)計(jì)的效率,滿足了國家環(huán)保部門對(duì)氮氧化物的排放標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)鍋爐效率沒有降低,CO排放濃度、灰渣平均含碳量及排煙溫度也在正常范圍之內(nèi)。
機(jī)組脫硝采用液氨作為還原劑,在一定程度上容易造成氨逃逸;煙氣中的SO2在經(jīng)過脫硝催化劑的過程中經(jīng)過催化劑的作用會(huì)有SO3產(chǎn)生;逃逸的氨在與煙氣中的SO2或SO3結(jié)合容易形成銨鹽,銨鹽附著在空氣預(yù)熱器上容易造成空預(yù)器堵塞,威脅機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。建議電站燃煤鍋爐所用煤種硫分不要太高,嚴(yán)密監(jiān)視氨逃逸率。
[1]蘇亞欣, 毛玉如, 徐璋.燃煤氮氧化物排放控制技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社,2005-4.
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[4]國電環(huán)境保護(hù)研究院.國電滎陽煤電一體化有限公司2×600MW機(jī)組煙氣脫硝項(xiàng)目可行性研究報(bào)告.
[5]北京巴布科克·威爾科克斯有限公司.B&WB-1950/25.4-M鍋爐說明書.
[6]河南恩湃高科集團(tuán)有限公司.國電滎陽煤電一體化有限公司1#鍋爐低氮燃燒器改造后性能試驗(yàn)報(bào)告.