「W」火焰鍋爐脫硝超低排放技術與經濟分析

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「W」火焰鍋爐脫硝超低排放技術與經濟分析

王建峰，尤良洲，胡妲，信曉穎

（華電電力科學研究院，浙江杭州 310030）

摘 要：針對西南某電廠4台300 MW燃煤發電 「W」火焰鍋爐脫硝提效方案進行技術經濟比較，通過常規不同脫硝技術路線的組合，在變化催化劑的加裝體積量的條件下進行比較，得出採用LNB+SNCR+SCR可以有效提高 「W」火焰鍋爐達標排放的可靠性，但會導致脫硝系統的進一步複雜化。同時在初期按照超低排放的要求加裝催化劑，可以弱化由於催化劑失效後每次加裝不同體積催化劑帶來的工作量。

關鍵詞：「W」火焰鍋爐；煙氣脫硝；技術經濟分析

0 引言

「W」火焰鍋爐分布於無煙煤或貧煤地區，具有燃燒穩定、運行可靠及可用率高等優勢，但由於爐內溫度水平普遍較高，設計空氣分級程度通常較淺，從而導致NOx大量生成，即其技術本身決定其NOx控制能力弱於其他燃燒形式的鍋爐。根據文獻[1]對 「W」火焰鍋爐NOx排放試驗數據的統計，最低值約為650 mg/m3，最大值高達1 600 mg/m3。如 「W」火焰鍋爐進一步實現超低排放，根據環保產業技術要求低氮燃燒技術（LNB）[2]改造應作為脫硝改造的首選方案[3]。

本文針對西南某電廠 「W」火焰鍋爐經LNB改造後，在不影響機組安全經濟參數的條件下，NOx排放濃度可以控制在850 mg/m3以下，該機組後續再進行脫硝改造。根據本工程的超低排放改造技術經濟比較，為 「W」火焰鍋爐NOx超低排放治理提供一定的依據。

1 脫硝技術簡介

1.1 選擇性非催化還原（SNCR）

SNCR基本原理是把含有NHx基的還原劑噴入爐膛溫度為800～1 200℃區域，在沒有催化劑的條件下，還原劑迅速分解或揮發成NHx，與煙氣中的NOx進行反應，使其還原為N2和H2O。

SNCR系統不需要催化劑，投資較小，但一般情況下逃逸氨濃度較高，與煙氣中SOx反應生成的硫酸氫銨會腐蝕和堵塞下游設備。

1.2 選擇性催化還原法（SCR）

SCR脫硝是利用NHx與催化劑在溫度為300～420℃時，將NOx還原為N2。SCR脫硝中催化劑選取是關鍵[4]。對催化劑的要求為活性高、壽命長、經濟性好並且不產生二次污染的物質。目前由於脫硝裝置主要布置在高灰區域，煙氣環境複雜，某些污染物可使催化劑中毒；高分散的煙塵微粒可覆蓋在催化劑的表面，使催化劑的活性降低；系統中存在的一些未反應的NHx和煙氣中SOx作用，生成易於腐蝕和堵塞設備的硫酸氫銨[5]，同時高灰布置進一步加劇設備的堵塞。

SCR系統脫硝效率高，研究表明部分可以達90%以上，但系統投資和運行費用較高。

1.3SNCR+SCR聯用

結合SNCR和SCR脫硝技術的優缺點[6]。SNCR投資費用低且不能有效可靠地控制出口氨逃逸，而SCR由於是在催化劑的作用下，可以有效降低氨逃逸，國內一般控制逃逸氨於3×10-6（體積分數，下同）以下，歐洲控制在2×10-6以下，日本控制在1×10-6以下，可以有效減弱後續設備的腐蝕和堵塞，同時可以有效避免由於脫硝初始NOx濃度過高，SCR系統不能穩定有效控制NOx排放濃度問題。

該技術一般應用於小型鍋爐或高NOx排放濃度的 「W」火焰鍋爐。

2 「W」火焰鍋爐超低排放技術選擇

根據 「W」火焰鍋爐高NOx排放的特點，如要實現超低排放要求，採用單一SCR脫硝技術，脫硝效率需要高達94%，甚至更高。因此要求脫硝系統入口流場、溫度場和NOx/NH3濃度場分布極為均勻方可達到。鑒於這一特點，「W」火焰鍋爐如實現超低排放一般採用SNCR+SCR技術，這一聯用技術可以充分將 「W」火焰鍋爐爐膛高溫區域分布較大這一優點應用SNCR脫硝技術，部分工程SNCR脫硝效率可以達到40%左右，同時有效降低SCR入口NOx濃度，使SCR脫硝效率控制大於90%脫硝效率即可滿足超低排放要求，降低對SCR系統流程均勻性分布要求。

2.1 還原劑

目前應用於脫硝的還原劑主要是含有NHx基的物質，如氨、尿素、氨水、碳酸氫銨等。

採用SNCR技術要求還原劑噴入需要一定強度，以滿足脫硝還原劑與煙氣的充分混合，進而最大限度發揮SNCR脫硝優勢，因此SNCR一般不採用氣態氨作為還原劑，而採用稀釋後的氨水或尿素溶液作為還原劑。

2.2 運行穩定性

LNB脫硝技術是於源頭控制NOx的生成，其主要是通過燃料的分級給入控制NOx的生成，即燃燒分為氧化還原、主還原和燃盡3個區，這3個區的合理分布可有效降低NOx生成量，但如設置不當可能帶來鍋爐燃盡不充分，主蒸汽溫度波動，減溫水量增加，影響鍋爐的安全穩定運行。

SNCR脫硝效率主要取決於還原劑進入爐膛的溫度窗口和與煙氣的混合程度。如還原劑進入爐膛溫度偏高的位置可能導致還原劑進一步被氧化，使NOx濃度不降反升；如溫度過低，還原劑不能充分熱解為活性基團與NOx發生反應，進而導致還原劑逃逸量增大。同時如噴入的還原劑不能與煙氣進行充分混合，也直接導致還原劑的浪費。

SCR脫硝效率主要取決於催化劑的活性與反應溫度。催化劑的活性主要取決於催化劑製造廠家催化劑的配方，同時催化劑活性的變化受機組運行影響，如高灰煙氣可能導致催化劑活性衰減較為明顯。SCR反應溫度大於420℃可能導致煙氣中的部分物質溶解在催化劑微孔中並凝結，使催化劑活性降低；如溫度過低，催化劑的活性降低，導致脫硝效率下降。

2.3 負荷適用性

LNB在機組安全穩定運行的條件下一般可以全負荷工況不同程度抑制NOx的生成。

SNCR和SCR脫硝技術受機組負荷影響較大，當機組負荷變化時，爐膛區域溫度分布發生變化，原設計噴入溫度區間上移或下降，導致SNCR不能最大限度發揮脫硝效率，因此一般設計SNCR時採用多層布置，滿足不同負荷條件下SNCR脫硝效率的要求，同時對機組效率影響較小；隨機組負荷降低，省煤器出口煙氣溫度降低，可能導致煙氣溫度低於原SCR設計最低噴氨溫度，此時脫硝系統需要停止噴氨，即脫硝系統退出運行。

3 改造的技術分析

2015年12月，國務院常務會議決定，在2020年之前對燃煤電廠全面實施超低排放和節能改造，本文主要針對西南某電廠4台300 MW燃煤發電 「W」火焰鍋爐機組實現NOx超低排放脫硝工程進行分析，目前該電廠採用LNB和SCR脫硝技術。SCR入口NOx約為600 mg/m3，NOx排放濃度約150 mg/m3。該電廠NOx如要實現超低排放必須滿足不大於50 mg/m3排放要求，脫硝系統必須進行脫硝提效改造。

脫硝工程基本設計參數見表 1。

目前該電廠運行中SCR採用液氨作為還原劑，本期改造中擬採用的SNCR工藝可採用氨水和尿素作為還原劑，目前未見在火力發電廠直接使用液氨製取氨水的工程報道，考慮脫硝效率，還原劑運輸成本等，本工程採用尿素為還原劑，在原液氨儲罐區域附近新建一套尿素溶液製備系統，供4台機組SNCR脫硝使用。

方案一為加裝催化劑實現原有催化劑+新增催化劑的整體使用壽命為 24 000 h的方案；方案二為實現將單層最大催化劑量作為備用層催化劑添加量，在此基礎上核算整體化學壽命，可確保催化劑使用壽命 17 000 h；方案三為在投運初期直接按照超低排放要求加裝催化劑，新加與現有催化劑可以確保催化劑使用壽命為14 000 h。即不同催化劑加裝量直接影響工程的投資費用和工程折舊費用，但催化劑的使用壽命不盡相同。

鍋爐脫硝提效經濟指標見表 2。

表1 設計參數

Table 1 The design parameters

註：（1）目前NOx排放濃度遠低於850 mg/m3是因為爐膛衛燃帶脫落，爐膛溫度降低，飛灰含碳量升高，因此擬進行增設爐膛衛燃帶設置，但出口NOx不大於850 mg/m3；（2）脫硝提效中採用LNB+ SNCR+SCR工藝，即LNB出口NOx濃度為850 mg/m3，SNCR出口按照600 mg/m3（SNCR脫硝效率按照30%計列）；（3）脫硝採用加裝不同催化劑體積滿足NOx不大於50 mg/m3的要求。

表2 脫硝經濟比較

Table 2 De-NOxeconomic comparison

註：尿素單價按照2 500元/t，液氨單價按照4 000元/t計列。

根據表2，本次脫硝提效改造不同方案NOx濃度均為850 mg/m3降低至50 mg/m3，因此不同方案之間還原劑耗量相當，但不同方案之間催化劑加裝量不同，因此催化劑更換費用不同。

由表2可知，不同催化劑輪換方式不同，投資不盡相同，同時現有脫硝反應器的加固方式不同，但本費用土建加固部分按照最大新增載荷加固。

方案一、二在滿足NOx排放的條件下，在機組檢修期間需要定期開展催化劑性能檢測，以確保NOx滿足排放要求，同時方案一催化劑按照最大催化劑加裝，系統阻力大於方案二和方案三；方案二每次更換催化劑量體積不盡相同，可能需要重複進行反應器載荷核算，影響機組停機檢修再次起機，直接影響機組的經濟效益。如採用方案三雖需定期開展催化劑活性檢測，催化劑載荷小於方案一，同時催化劑更換高度一致，可以降低方案二中SCR反應器載荷每次更換不盡相同的問題。

4 結論

根據3種方案的技術經濟比較，3種催化劑的輪換方式均可滿足電廠NOx排放濃度要求，但3種催化劑輪換方式各有優缺點。

（1）採用LNB+SNCR+SCR脫硝工藝可以發揮各自脫硝優點，使 「W」火焰鍋爐滿足超低排放要求。

（2）不同催化劑加裝方式直接影響機組催化劑體積和啟停機時間，進而直接影響機組的經濟效益。

（3） 「W」火焰鍋爐中在LNB+SCR脫硝的基礎上增加SNCR脫硝工藝，可有效提高 「W」火焰鍋爐高NOx排放濃度條件下達標排放的穩定性與可靠性。

（4）LNB+SNCR+SCR脫硝系統複雜化，系統可靠性有所下降。

參考文獻：

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TechnicalandEconomicalAnalysisonDenitrationUltral-LowEmissionofW-FlameBoilers

WANGJianfeng,YOULiangzhou,HUDa,XINXiaoyin

（China HuaDianElectric ResearchInstitute,Hangzhou310030,China）

Abstract：The technical&economic comparison is carried out between the different programs of denitration efficiency enhancement for four 300-MW W-flame boilers of a coal-fired power plant in southwestern China.By comparing the combinations of different conventional denitration techniques under the conditions of varying catalyst volumes,it is concluded that the combination of LNB+SNCR+SCR can improve the reliability of NOxemission within the prescribed standard effectively but make the denitration system more complicated.If the catalyst volume is added in accordance with the needs of ultra-low emissions at the beginning,the workload of reloading will be reduced when the catalyst is invalid.

Keywords：W-flame boiler;denitration;technical and economic analysis

中圖分類號：TM621；X701

文獻標誌碼：A

DOI：10.11930/j.issn.1004-9649.2017.03.038.03

收稿日期：2016-12-10

作者簡介：王建峰（1985—），男，山西天鎮人，工學碩士，工程師，從事電廠環境保護研究。

信息來源：原文載於《中國電力》2017年第3期

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