燃?xì)廨啓C(jī)電廠氮氧化物排放控制方式的研究

閻福華，武文杰

(通用電氣(中國)有限公司，上海 201203)

我國于1991年頒布了《燃煤電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13223—1991)， 為規(guī)范燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組污染物排放水平，2011 年我國環(huán)境保護(hù)部頒發(fā)的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13223—2011) 按照不同的燃料類別，進(jìn)一步細(xì)化了燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組氮氧化物的排放標(biāo)準(zhǔn),表1為GB 13223—2011火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(節(jié)選)，其中污染物排放監(jiān)控位置為煙囪或者煙道。

表1 GB 13223—2011火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)

近年我國火電行業(yè)NOx排放量呈現(xiàn)不斷增長的趨勢，若不強(qiáng)化控制力度，將無法達(dá)到“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案確定的減排目標(biāo)，即到2020年全國NOx排放總量控制在1 574×104t 以下。

減少NOx排放的措施主要分為兩大類：燃燒過程控制和煙氣脫硝技術(shù)。燃燒過程控制主要是通過降低燃燒溫度或減少天然氣在高溫區(qū)域的停留時間，減少NOx的產(chǎn)生量，包括燃燒室注水/注蒸汽技術(shù)、催化燃燒技術(shù)、干式低氮燃燒技術(shù)等，目前以上技術(shù)主要由燃?xì)廨啓C(jī)主機(jī)廠家掌握。選擇性催化還原法(SCR)技術(shù)是目前應(yīng)用最廣、最有效的煙氣脫硝技術(shù)，能達(dá)到90%以上的脫硝效率。

1 燃?xì)廨啓C(jī)/燃煤電廠主要排放物的對比

由于NOx生成的原理不同，燃?xì)廨啓C(jī)與燃煤電廠實(shí)現(xiàn)低NOx排放的措施也不盡相同。基本上，燃?xì)廨啓C(jī)是通過先進(jìn)燃燒技術(shù)從燃?xì)廨啓C(jī)源頭來實(shí)現(xiàn)低NOx排放，而燃煤電廠則采用脫硝技術(shù)，通過外在的技術(shù)來減少已經(jīng)生成的NOx，從而實(shí)現(xiàn)低排放。目前主流燃?xì)廨啓C(jī)NOx排放都能達(dá)到25×10-6，通過降低燃?xì)廨啓C(jī)燃燒溫度犧牲部分性能或者更先進(jìn)的燃燒器，NOx排放可以降低到15×10-6甚至7.5×10-6，也可以通過SCR技術(shù)降低到15×10-6甚至7.5×10-6。目前國內(nèi)600 MW燃煤機(jī)組省煤器出口NOx排放濃度(以干基O2=6%計) 一般不大于250 mg/m3(標(biāo)準(zhǔn)工況下，下同)，通過SCR技術(shù)降為100 mg/m3,通過超低排放進(jìn)一步可以降低到50 mg/m3。對燃?xì)廨啓C(jī)和燃煤機(jī)組的排放限值以及實(shí)施超低排放后的排放如表2。其中， 燃?xì)廨啓C(jī)電廠污染物濃度按照15% O2折算，燃煤機(jī)組按照6% O2折算。

為了便于比較，將各自的濃度折算到空氣中實(shí)際的氧氣含量，同時考慮兩種發(fā)電形式的過量空氣系數(shù)差異，造成了煙氣量不同，以600 MW燃煤機(jī)組和等容量的9HA燃?xì)鈾C(jī)組為例，按照國標(biāo)排放限值采用單位發(fā)電量下氮氧化物排放進(jìn)行比較如下，實(shí)際上燃?xì)廨啓C(jī)排放會低于國標(biāo)，見表3。

表2 燃?xì)廨啓C(jī)和燃煤機(jī)組的排放限值 mg/m3

注1)：燃煤機(jī)組超低排放數(shù)值來自2015年12月11日由國家環(huán)境保護(hù)部、國家發(fā)展和改革委員會、國家能源局聯(lián)合發(fā)布的環(huán)發(fā)[2015] 164號通知《全面實(shí)施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》。

表3 600 MW燃煤機(jī)組和等容量的9HA燃?xì)鈾C(jī)組排放比較

表3主要分析了燃?xì)廨啓C(jī)/燃煤電廠主要的四種排放物包括氮氧化物、硫化物、煙塵和二氧化碳的對比，可以看出從理論和技術(shù)上來說，燃煤電廠基本可以達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)電廠的超低排放，只是相應(yīng)的初投資和運(yùn)行費(fèi)用高昂。

我國電力規(guī)劃總院受國家能源局委托在2014年水平限額設(shè)計參考造價指標(biāo)的基礎(chǔ)上，依據(jù)2015 年火電工程初步設(shè)計及施工圖資料，采用國家能源局2013年8月發(fā)布的《火力發(fā)電工程建設(shè)預(yù)算編制與計算規(guī)定》(2013版)、《電力建設(shè)工程概算定額》(2013版)，以及2015年設(shè)備、材料(北京地區(qū))價格，編制了《火電工程限額設(shè)計參考造價指標(biāo)》(2015年水平)，在第109頁列出了2×660 MW機(jī)組參考造價：660 MW超超臨界兩臺機(jī)組新建造價為3 373元/kW(2015年)，則靜態(tài)總投資為445 236萬元。在《火電工程限額設(shè)計參考造價指標(biāo)》(2015年水平)第211頁，新建2×660 MW 超超臨界機(jī)組超低排放模塊造價為46 552萬元。可見為滿足超低排放，其初投資已占全廠初投資的10%以上，而其運(yùn)行過程中需要的各種運(yùn)行費(fèi)用和可能出現(xiàn)的二次排放治理也是一筆很大的投入。

2 F級燃?xì)廨啓C(jī)電廠排放和性能優(yōu)化的研究

燃?xì)廨啓C(jī)的氮氧化物排放受燃燒室出口溫度限值影響，燃燒室出口溫度越高，排放越高。而燃燒溫度越高，聯(lián)合循環(huán)效率和出力越高。圖1 是燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室出口溫度和NOx排放關(guān)系曲線。

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室出口溫度和NOx排放關(guān)系曲線

以NOx排放為25×10-6下的燃?xì)廨啓C(jī)性能作為基準(zhǔn)，我們針對五種不同的機(jī)型(6F.01,6F.03, 9F.05, 9HA.01, 9HA.02)分別在NOx排放為15×10-6和20×10-6下的聯(lián)合循環(huán)出力和效率的差異做了分析和比較，詳見圖2。

(a) 排放對性能的影響-聯(lián)合循環(huán)出力

(b) 排放對性能的影響-聯(lián)合循環(huán)效率圖2 不同NOx排放對各種機(jī)型聯(lián)合循環(huán)出力和效率的影響

2.1 6F.03燃?xì)廨啓C(jī)案例分析

這里以華東地區(qū)一個6F.03燃?xì)廨啓C(jī)項(xiàng)目為例，分析分別通過調(diào)整燃燒溫度和SCR技術(shù)達(dá)到15×10-6排放的經(jīng)濟(jì)性。該項(xiàng)目于2016年立項(xiàng)，在遞交給當(dāng)?shù)厥“l(fā)改委的環(huán)評文件上按照國標(biāo)50 mg/m3(24.4×10-6)NOx排放申請并獲得批準(zhǔn)。業(yè)主考慮到將來該地區(qū)可能推出新的地方環(huán)保法規(guī)，將NOx排放改為30 mg/m3，所以在2018年設(shè)備招標(biāo)期間要求各燃?xì)廨啓C(jī)廠家配合設(shè)計院對達(dá)到15×10-6排放的技術(shù)進(jìn)行技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性研究。

該項(xiàng)目的邊界條件如下： 年運(yùn)行小時：3 500 h；燃料價格：2元/m3；電價：0.55 元/(kW·h)；折舊率：7%；燃料熱值：34 000 kJ/m3。

若采取降低燃?xì)廨啓C(jī)燃燒溫度作為降低NOx的方案，燃?xì)廨啓C(jī)的出力和效率都會降低，而增加SCR會導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)排氣壓損增加，從而降低出力和效率。經(jīng)過計算量化，兩種方案對性能的影響如表4所示。

表4 燃燒溫度調(diào)整和SCR對6F機(jī)組性能的影響比較

單純從對燃?xì)廨啓C(jī)性能的影響上來看，燃燒溫度的降低對出力和效率的降低程度要大于SCR方案。但綜合考慮，燃?xì)廨啓C(jī)燃燒溫度的調(diào)整只是對控制系統(tǒng)的軟件設(shè)置進(jìn)行調(diào)整，沒有硬件費(fèi)用的增加，燃燒溫度降低還會延長燃?xì)廨啓C(jī)熱部件的壽命，增加檢修間隔，降低業(yè)主的運(yùn)維費(fèi)用。SCR方案需要初投資和運(yùn)維費(fèi)用，另外業(yè)主需要考慮現(xiàn)場制氨或氨運(yùn)輸，以及氨逃逸率的控制以防止二次污染等因素。

使用SCR方案燃?xì)廨啓C(jī)性能損失相對較小，經(jīng)過核算，相對于燃燒溫度調(diào)整方案，客戶的相對凈收入(售電收入-燃料成本)每年高302萬元，詳細(xì)計算如下：

售電收入S=功率×年運(yùn)行小時×電價

燃料成本C=(功率×年運(yùn)行小時×3 600÷發(fā)電效率)÷燃料熱值×燃料價格

凈收入P=售電收入S-燃料成本C

“SCR-NOx排放15×10-6方案”

售電收入S1=124 900×3 500×0.55

=240 432 500元

燃料成本C1=(124 900×3 500×3 600÷0.549 6)÷34 000×2

=168 436 938元

凈收入P1=240 432 500-168 436 938

=71 995 562元

“燃?xì)廨啓C(jī)調(diào)整-NOx排放15×10-6方案”

售電收入S2=121 000×3 500×0.55

=232 925 000元

燃料成本C2=(121 000×3 500×3 600÷0.547)÷34 000×2

=163 953 113元

凈收入P2=232 925 000-163 953 113

=68 971 887元

則比較以上兩個方案，使用SCR方案客戶的相對凈收入：

P=P1-P2=71 995 562-68 971 887

=3 023 675元

經(jīng)測算，將6F.03燃?xì)廨啓C(jī)NOx從25×10-6降到15×10-6的 SCR裝置的投資成本和運(yùn)維成本如下：

1) 初投資： 900萬(根據(jù)國電電科院“江蘇省固定式燃?xì)廨啓C(jī)改造經(jīng)濟(jì)性分析”報告)。

2) 配套6人，運(yùn)行4人，檢修2人，一人成本15萬元/年。

3) 催化劑：25 m3, 三年更換，催化劑價格：12萬元/m3。

4) 運(yùn)行維護(hù)成本： 190萬元/年。

第一年客戶多收入302萬元，但是需要多投入900萬元設(shè)備以及190萬元運(yùn)維，第二年只需要投入190萬元運(yùn)維，但是多收入302萬元，依次計算，考慮7%折舊，客戶需要運(yùn)行12年后收回投資。脫硝催化劑的壽命一般有機(jī)械壽命和化學(xué)壽命兩種，機(jī)械壽命指催化劑的結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度能夠保證催化劑活性的運(yùn)行時間，國內(nèi)脫硝催化劑的機(jī)械設(shè)計壽命一般為10年，化學(xué)設(shè)計壽命一般為24 000 h，所以從25×10-6降低到15×10-6，燃?xì)廨啓C(jī)自身調(diào)整較為經(jīng)濟(jì)合適。

圖3 利用SCR降低NOx排放的經(jīng)濟(jì)性分析

2.2 9F燃?xì)廨啓C(jī)案例分析

當(dāng)前在華南地區(qū)也有類似的案例，廣東地區(qū)某燃?xì)廨啓C(jī)電廠擬擴(kuò)建2×9F機(jī)組，當(dāng)?shù)啬壳癗Ox排放標(biāo)準(zhǔn)為國標(biāo)50 mg/m3，但是考慮該地區(qū)藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)的政策，環(huán)保要求日益提高，業(yè)主計劃在余熱鍋爐上預(yù)留SCR，達(dá)到煙囪出口15×10-6NOx排放。

通過比較燃?xì)廨啓C(jī)調(diào)整燃燒溫度來達(dá)到15×10-6和加裝SCR來達(dá)到15×10-6NOx排放，兩者性能比較如表5。

表5 燃燒溫度調(diào)整和SCR對9F機(jī)組性能的影響比較

和6F燃?xì)廨啓C(jī)電廠的案例類似，單純從對燃?xì)廨啓C(jī)性能的影響上來看，燃燒溫度的降低對出力和效率的降低程度要略大于SCR方案。從經(jīng)濟(jì)性的角度做分析和比較如下。

該項(xiàng)目邊界條件：年運(yùn)行小時：3 500 h；燃料價格(含稅)：2.35元/m3；電價(含稅)：0.665元/(kW·h)；折舊率：7.5%；燃料熱值：34 000 kJ/m3。

使用SCR方案燃?xì)廨啓C(jī)性能損失相對較小，經(jīng)過核算，相對于燃燒溫度調(diào)整方案，客戶的相對凈收入(售電收入-燃料成本)每年高 941萬元，詳細(xì)計算如下：

售電收入S=功率×年運(yùn)行小時×電價

燃料成本C=(功率×年運(yùn)行小時×3 600÷發(fā)電效率)÷燃料熱值×燃料價格

凈收入P=售電收入S-燃料成本C

“SCR-NOx排放15×10-6方案”

售電收入S1=448 000×3 500×0.665

=1 042 720 000元

燃料成本C1=(448 000×3 500×3 600÷0.596)÷34 000×2.35

=654 622 977元

凈收入P1=1 042 720 000-654 622 977

=388 097 023元

“燃?xì)廨啓C(jī)調(diào)整-NOx排放15×10-6方案”

售電收入S2=439 000×3 500×0.665

=1 021 772 000元

燃料成本C2=(439 000×3 500×3 600÷0.594 5)÷34 000×2.35

=643 090 585元

凈收入P2=1 021 772 000-643 090 585

=378 681 415元

則比較以上兩個方案，使用SCR方案的相對凈收入：

P=P1-P2=388 097 023-378 681 415

=9 415 608元

經(jīng)測算，將9F燃?xì)廨啓C(jī)NOx從25×10-6降到15×10-6的SCR裝置的投資和運(yùn)維成本如下：

1) 初投資：3 400萬元(根據(jù)國電電科院“江蘇省固定式燃?xì)廨啓C(jī)改造經(jīng)濟(jì)性分析”報告)。

2) 配套6人，運(yùn)行4人，檢修2人，一人成本15萬元/年。

3) 催化劑：120 m3, 三年更換，催化劑價格：12萬元/m3。

4) 運(yùn)行維護(hù)成本：736萬元/年。

第一年客戶多收入941萬元，但是需要多投入3 400萬元設(shè)備以及736萬元運(yùn)維，第二年只需要投入736萬元運(yùn)維，但是多收入941萬元，依次計算，考慮7.5%折舊，客戶需要運(yùn)行17年后收回投資, 國內(nèi)脫硝催化劑的機(jī)械設(shè)計壽命一般為10年左右，所以從25×10-6降低到15×10-6，燃?xì)廨啓C(jī)自身調(diào)整較為經(jīng)濟(jì)合適。

圖4 利用SCR降低NOx排放的經(jīng)濟(jì)性分析

除了從性能和經(jīng)濟(jì)性的角度進(jìn)行分析，使用SCR降低NOx排放的方案還有一些其它方面的影響，例如：氨逃逸帶來的二次污染，氣溶膠排放導(dǎo)致腐蝕及堵塞現(xiàn)象等，目前關(guān)于SO3及氨逃逸的環(huán)境影響尚無法精確評判。逃逸的NH3與SO3反應(yīng)生成的NH4HSO4在150～190 ℃時為粘稠物質(zhì)，會影響余熱鍋爐尾部受熱面的運(yùn)行效率和運(yùn)行安全。此外，液氨、催化劑等原材料生產(chǎn)的全生命周期污染物排放也需系統(tǒng)測算。所有這些因素需要用戶進(jìn)行通盤考量以采用最合適的技術(shù)方案。

3 結(jié)論

燃?xì)廨啓C(jī)電廠與燃煤電廠NOx生成的原理不同，實(shí)現(xiàn)低NOx排放的措施也不盡相同。燃?xì)廨啓C(jī)是通過提高燃燒技術(shù)從燃?xì)廨啓C(jī)源頭來實(shí)現(xiàn)低NOx排放，而燃煤電廠則采用脫硝技術(shù)，通過外在的技術(shù)來減少已經(jīng)生成的NOx，從而實(shí)現(xiàn)低排放。目前市場上的主流燃?xì)廨啓C(jī)NOx排放都能達(dá)到25×10-6，通過降低燃?xì)廨啓C(jī)燃燒溫度犧牲部分性能或者更先進(jìn)的燃燒器降低到15×10-6甚至7.5×10-6，也可以通過SCR技術(shù)降低到15×10-6甚至7.5×10-6。

通過分別對9F和6F燃?xì)廨啓C(jī)電廠排放控制方式的比較研究，以及經(jīng)濟(jì)性的分析，和對SCR脫硝裝置的一些影響因素的分析，如果要求NOx從25×10-6降低到15×10-6，通過調(diào)整燃?xì)廨啓C(jī)燃燒控制較為經(jīng)濟(jì)合適。用戶需要對性能、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、安全性、可控性等因素進(jìn)行綜合考量以選取最佳技術(shù)方案。