孫志寬

(神華國能集團(tuán)有限公司，北京 100033)

1 引 言

根據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會《中國電力行業(yè)發(fā)展規(guī)劃研究報告(2011年)》預(yù)測，2015年全國發(fā)電裝機(jī)容量將達(dá)14.37 ×108kW，其中煤電裝機(jī)約9.33 ×108kW，占總裝機(jī)容量的64.9%。那么，預(yù)計2015年電力煤炭消耗量約22.5 ×108t。以現(xiàn)有排放水平計，電力氮氧化物(以下簡寫為NOx)排放量2015年將達(dá)1349 萬噸左右，比2010年新增449 萬噸。電力工業(yè)NOx 排放占全國總排放量的1/3 左右。目前，國家環(huán)保部與各大電力公司簽訂了“十二五”主要污染物總量控制目標(biāo)責(zé)任書，出臺了新的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13223－2011)，將電力行業(yè)作為NOx 控制的重點行業(yè)，對火電廠NOx 排放均提出新的更嚴(yán)格的要求，所有燃煤電廠均面臨NOx 防治任務(wù)。

由于NOx 排放與鍋爐燃燒狀況密切相關(guān)，NOx 排放控制技術(shù)呈現(xiàn)多樣性，根據(jù)國家NOx 排放控制法規(guī)和相關(guān)政策要求，如何經(jīng)濟(jì)有效的開展NOx 治理工作，是現(xiàn)役火電機(jī)組急需解決的重大問題。

根據(jù)環(huán)境保護(hù)部《火電廠NOx 防治技術(shù)政策》(環(huán)發(fā)［2010］10 號)要求，燃煤電廠應(yīng)倡導(dǎo)合理使用燃料與污染控制技術(shù)相結(jié)合、燃燒控制技術(shù)和煙氣脫硝技術(shù)相結(jié)合的綜合防治措施，以減少燃煤電廠NOx 的排放;燃煤電廠NOx 控制技術(shù)的選擇應(yīng)因地制宜、因煤制宜、因爐制宜，依據(jù)技術(shù)上成熟、經(jīng)濟(jì)上合理及便于操作來確定;低氮燃燒技術(shù)應(yīng)作為燃煤電廠NOx 控制的首選技術(shù)。當(dāng)采用低氮燃燒技術(shù)后，NOx 排放濃度不達(dá)標(biāo)或不滿足總量控制要求時，應(yīng)建設(shè)煙氣脫硝設(shè)施。

目前，燃煤電廠NOx 防治一般采用低氮燃燒器(以下簡稱LNB)+選擇性催化還原(SCR)的技術(shù)路線。本文重點關(guān)注燃煤電廠LNB 改造方案的選擇問題。對于不同剩余使用壽命、燃用不同煤種的機(jī)組來說，如何選擇LNB 改造方案，一般需通過中長期經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較來確定。神華國能集團(tuán)有限公司研究了一套LNB 方案選擇的經(jīng)濟(jì)性模型，供現(xiàn)役機(jī)組和新建項目參考使用。

2 低氮燃燒器(LNB)現(xiàn)狀

國內(nèi)外廠家LNB 改造后NOx 排放濃度一般在200～550mg/Nm3，NOx 減排率可達(dá)30%～60%。一般現(xiàn)役機(jī)組的LNB 改造效果，與改造投入費用有關(guān)。要達(dá)到較好的改造效果，不僅要對噴燒器進(jìn)行改造，還可綜合采用低過量空氣系數(shù)、空氣分級燃燒技術(shù)和濃淡燃燒等技術(shù)，改造整個鍋爐燃燒和控制系統(tǒng)。

現(xiàn)役機(jī)組LNB 改造時，除綜合考慮爐型、煤種、費用外，還要考慮LNB 改造后鍋爐熱效率不宜降低、改造后的鍋爐有良好的燃燒穩(wěn)定性、有避免欠氧燃燒引起鍋爐部分區(qū)域結(jié)焦和水冷壁金屬腐蝕的措施、有避免飛灰可燃物含量增高的措施等。

目前，國內(nèi)新建的300MW 以上的火電機(jī)組已普遍采用低NOx 燃燒技術(shù)，對現(xiàn)有的100～300MW 機(jī)組也在進(jìn)行低NOx 燃燒技術(shù)改造。燃用煙煤的切圓燃燒鍋爐采用低NOx 措施后，NOx 排放濃度有了顯著下降，可滿足目前排放標(biāo)準(zhǔn)。但燃用燃貧煤和無煙煤時NOx排放濃度往往超標(biāo)，尤其采用W 火焰鍋爐，NOx 排放濃度超標(biāo)更為明顯。

3 低氮燃燒器(LNB)改造的“經(jīng)濟(jì)濃度”概念

對于不同機(jī)組容量、不同現(xiàn)狀NOx 排放濃度、燃用不同煤種時，進(jìn)行LNB 改造的可投入的費用也不相同。為了確定機(jī)組實施LNB 改造需投入的費用、改造后NOx 濃度等目標(biāo)，有必要開展LNB +SCR 改造的經(jīng)濟(jì)性分析工作。

LNB 改造的“經(jīng)濟(jì)濃度”概念是指進(jìn)行LNB 時的，滿足LNB +SCR 運行費用(含脫硝投資還貸等費用)最低時的鍋爐尾部煙氣的NOx 濃度，也就是SCR 入口的NOx 濃度。

對于現(xiàn)有燃煤電廠，已采用早期的低氮燃燒器，面對新的火電廠氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)機(jī)組原煙氣NOx濃度高于“經(jīng)濟(jì)濃度”時，實施LNB 改造是經(jīng)濟(jì)的，當(dāng)組原煙氣NOx 濃度低于“經(jīng)濟(jì)濃度”時，實施LNB改造是不經(jīng)濟(jì)的。

由于機(jī)組建設(shè)時期不同，燃用煤種也各有差異，機(jī)組采用“低氮燃燒+SCR”NOx 防治技術(shù)時，其經(jīng)濟(jì)性應(yīng)呈現(xiàn)較大的差異性。影響NOx“經(jīng)濟(jì)濃度”計算的主要因素有:

(1)機(jī)組及原有燃燒系統(tǒng)使用壽命;

(2)催化劑價格(包括再生費用)、液氨價格、運行氨氮比;

(3)SCR 3 層催化劑整體使用年限;

(4)低氮燃燒系統(tǒng)改造后脫硝率;

(5)SCR 運行成本(不包括催化劑和液氨消耗);

(6)機(jī)組年平均利用小時數(shù);

一般來說，機(jī)組剩余使用壽命越長，進(jìn)行LNB 時的NOx“經(jīng)濟(jì)濃度”越小，LNB 經(jīng)濟(jì)性越高。

在改造工程設(shè)計中，LNB 改造目標(biāo)(改造后鍋爐省煤器出口NOx 排放濃度)的確定應(yīng)根據(jù)LNB 改造經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)果確定。對于不同剩余壽命的機(jī)組，要針對鍋爐型式、煤種和NOx 現(xiàn)狀排放濃度等條件，開展LNB 改造的中長期經(jīng)濟(jì)性分析，以選擇較為經(jīng)濟(jì)的LNB 改造方案。一般來說，機(jī)組剩余壽命越長、NOx 現(xiàn)狀排放濃度越高，進(jìn)行LNB 改造的經(jīng)濟(jì)性(節(jié)省SCR 運行費用)越好，單位裝機(jī)容量LNB 改造的可投資額度也越高。

為使NOx 防治方案最經(jīng)濟(jì)，針對具體工程，必須進(jìn)行LNB 技術(shù)方案的經(jīng)濟(jì)性分析研究工作，確定“NOx經(jīng)濟(jì)濃度”。對于燃用不同煤質(zhì)和剩余壽命的機(jī)組，可以計算出LNB 改造的“NOx 經(jīng)濟(jì)濃度”。當(dāng)電廠目前爐膛NOx 排放濃度高于和低于“NOx 經(jīng)濟(jì)濃度”時，LNB+SCR 改造總投資最具有經(jīng)濟(jì)性。作者通過建模，得出在目前投資、運行的一般條件下，單機(jī)30 和60 萬千瓦機(jī)組在燃用不同煤種時在不同剩余壽命下的“NOx 經(jīng)濟(jì)濃度”見表1。

對于燃用不同煤質(zhì)和運行年限的機(jī)組，可以計算出LNB 改造的“NOx 經(jīng)濟(jì)濃度”。圖1 為一般運行的條件下，固定煤種(煙煤)下300MW 機(jī)組在不同運行年限、不同LNB 改造投入費用時鍋爐出口“NOx 經(jīng)濟(jì)濃度”的變化圖。

表1 不同煤種鍋爐在不同剩余壽命下的NOx 經(jīng)濟(jì)濃度(單位:mg/Nm3)

4 結(jié) 論

根據(jù)神華國能集團(tuán)公司的經(jīng)驗，現(xiàn)役機(jī)組在開展脫硝改造決策時，首先確定“NOx 經(jīng)濟(jì)濃度”十分重要。就現(xiàn)役機(jī)組LNB 改造的實際情況，針對目前LNB 改造的投資和效果，以及SCR 投資和年運行費用等因素建模計算得出“NOx 經(jīng)濟(jì)濃度”，以決定現(xiàn)役機(jī)組LNB 改造深度，選擇較為合理的LNB 投資方案和改造目標(biāo)，優(yōu)化SCR 入口設(shè)計濃度，降低NOx 防治的投資和運行費用，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)利益最大化。

本文在討論現(xiàn)役機(jī)組的脫硝改造時，同時還考慮到機(jī)組的剩余壽命、鍋爐型式、煤種和NOx 現(xiàn)狀排放濃度等條件，一般來說，機(jī)組剩余壽命越長、NOx 現(xiàn)狀排放濃度越高，進(jìn)行LNB 改造的經(jīng)濟(jì)性越好，LNB 改造的投資效益也越高。對新建燃煤機(jī)組的LNB 和SCR 設(shè)計中，上述“NOx 經(jīng)濟(jì)濃度”的確定方法和應(yīng)用同樣具有理論與實踐的指導(dǎo)意義。

以上研究表明，燃煤電廠氮氧化物(NOx)防治一般采用低氮燃燒器(LNB)+選擇性催化還原(SCR)的技術(shù)路線，為滿足現(xiàn)行排放標(biāo)準(zhǔn)，如何分配LNB 和SCR 的“出力”，存在一個最佳的技術(shù)投資方案。本文通過建模研究，創(chuàng)新性地提出了燃煤電廠低氮燃燒器改造的“經(jīng)濟(jì)濃度”概念，據(jù)此進(jìn)行LNB 和SCR 的設(shè)計，可使改造方案達(dá)到最佳環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)目標(biāo)。

圖1 300MW 機(jī)組“NOx 經(jīng)濟(jì)濃度”變化圖

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