以國內(nèi)某電廠7臺煤粉鍋爐實現(xiàn)超低排放為指標進行燃煤電站煙氣脫硝改造，采用低NOx燃燒技術(shù)和爐后選擇性催化還原技術(shù)相結(jié)合的工藝，對煤粉鍋爐燃燒方式、SCR脫硝系統(tǒng)、引風機等進行設(shè)計改造，研究了空氣過量系數(shù)、反應(yīng)器溫度、氨氮摩爾比等對脫硝效率的影響，并對改造后系統(tǒng)進行調(diào)試。

結(jié)果表明，溫度控制在360℃附近，過量空氣系數(shù)在0.9~1.0之間，氨氮摩爾比為1.2時，SCR脫硝效率達到90%以上，煙氣出口NOx質(zhì)量濃度在45mg/Nm3以下，煙氣出口溫度為250~280℃之間，符合環(huán)保部門的排放指標。

據(jù)中國能源統(tǒng)計年鑒統(tǒng)計，2014年全國SO2排放總量為1974萬t，NOx排放總量為2078萬t。如果不合理控制NOx的排放，隨著國民經(jīng)濟繼續(xù)發(fā)展、人口增長和城市化進程的加快，未來中國NOx排放量將繼續(xù)增長。按照目前的發(fā)展趨勢，到2030年我國NOx排放量將達到3540萬t，勢必造成嚴重的環(huán)境影響。

隨著大氣污染防治法規(guī)的不斷推進，《鍋爐大氣污染物排放標準》越來越嚴格，大部分省市推出史上最嚴大氣污染物排放標準，SO2不超過35mg/m3、NOx不超過50mg/m3、煙塵不超過5mg/m3，全國火電機組均在超低排放改造。本文以國內(nèi)某燃煤電站為實現(xiàn)超低排放并達到污染物排放標準為依據(jù)，根據(jù)電廠實際情況，對煤粉鍋爐及相關(guān)系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計及改造。

1鍋爐概況

該熱電廠共有7臺鍋爐，建有3臺(1#~3#)蒸發(fā)量為150t/h的中溫中壓煤粉鍋爐、2臺(4#、5#)220t/h和2臺(6#、7#)240t/h的高溫高壓煤粉鍋爐。根據(jù)鍋爐蒸發(fā)量，配套建設(shè)有3臺6MW背壓式汽輪發(fā)電機組、1臺抽凝式12MW、2臺25MW抽凝式汽輪發(fā)電機組和1臺25MW抽背式汽輪發(fā)電機組。目前，燃煤熱電站/熱電廠7爐7機鍋爐總蒸發(fā)量為1370t/h，總裝機容量為105MW。7臺鍋爐全部建設(shè)了除塵與脫硫設(shè)施，沒有脫硝設(shè)施。鍋爐及配套除塵、脫硫設(shè)施及污染物排放情況如表1所示。

表1熱電廠污染物治理設(shè)施與排放基本情況

2改造

該系統(tǒng)的初步設(shè)計是“煤粉鍋爐采用低NOx燃燒器”和“爐后選擇性催化還原法(SCR)”的混合工藝方案。在滿足實際燃用煤種、鍋爐最大工況(BMCR)的條件下，要求低氮燃燒器改造后的NOx質(zhì)量濃度≤540mg/Nm3；SCR系統(tǒng)入口NOx質(zhì)量濃度設(shè)計值為580mg/Nm3，還原劑采用液氨，煙氣排放NOx質(zhì)量濃度≤45mg/Nm3，脫硝效率≥90%。主要改造內(nèi)容包括：對1#~7#鍋爐中的5臺鍋爐實施低氮燃燒改造；在鍋爐省煤器出口與空氣預(yù)熱器之間增加SCR反應(yīng)器(共5套，每套催化劑按2+1層配置)，配套建設(shè)液氨儲存制備供應(yīng)系統(tǒng)，并對鍋爐鋼結(jié)構(gòu)實施改造；同時對鍋爐燃燒器、除塵器及引風機等進行改造。

2.1低氮燃燒器

新型低NOx燃燒技術(shù)以爐內(nèi)影響燃燒的兩大關(guān)鍵過程(爐膛空間過程和煤粉燃燒過程)為重點關(guān)注對象，全面實施系統(tǒng)優(yōu)化，達到防渣、燃盡、低NOx一體化的目的。首先將爐內(nèi)大空間整體作為對象，通過爐內(nèi)射流合理組合及噴口合理布置，爐膛內(nèi)中心區(qū)形成具有較高溫度、較高煤粉濃度和較高氧氣區(qū)域，同時爐膛近壁區(qū)形成較低溫度、較低CO和較低顆粒濃度的區(qū)域，使在空間尺度上中心區(qū)和近壁區(qū)特性差異化。在燃燒過程尺度上通過對一次風射流特殊組合，采用低NOx噴口或等離子體燃燒器，熱煙氣回流等技術(shù)，強化煤粉燃燒、燃盡及NOx火焰內(nèi)還原，并使火焰走向可控，最終形成防渣、防腐、低NOx及高效穩(wěn)燃多種功能的一體化燃燒技術(shù)。通過采用該技術(shù)使NOx的排放濃度降低50%~70%，實現(xiàn)煤粉鍋爐改造后最終NOx質(zhì)量濃度≤45mg/Nm3。

2.2SCR反應(yīng)器

將溫度低于500℃的煙氣通過導(dǎo)流板通入帶有還原劑及催化劑的垂直反應(yīng)塔內(nèi)，煙氣中NOx與氨、尿素、碳氫化合物等還原劑在催化層中混合，在催化劑的作用下將NOx還原分解成N2和H2O。主要的化學反應(yīng)為：

根據(jù)3#~7#機組鍋爐場地的條件，除塵器進口煙道上方空間狹窄，SCR脫硝反應(yīng)器布置在鍋爐左側(cè)或右側(cè)空地上。因此1臺鍋爐裝置1臺SCR煙氣脫硝系統(tǒng)，每套系統(tǒng)催化劑按2+1層設(shè)置，采用高灰型SCR布置方式。

對于SCR系統(tǒng)的入口和出口煙道，使用新的鋼結(jié)構(gòu)來支撐鍋爐鋼架，在2個立柱之間設(shè)置非金屬補償器以進行相對隔離。SCR反應(yīng)器選用蜂窩式釩鈦鎢催化劑，正常工況下催化劑化學壽命要求超過24000h，并且機械壽命要求在10年以上。反應(yīng)器主要性能參數(shù)如表2所示。

表2SCR脫硝系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

2.3引風機改造

原有引風機已達到額定出力，無富余量。本次新增SCR系統(tǒng)和電除塵改為布袋除塵器后，其煙氣系統(tǒng)阻力增加約2.5kPa，原有引風機壓頭不能滿足煙氣系統(tǒng)改造后的要求，需對原有引風機進行改造。在保持原有風量(1#~3#鍋爐引風機風量197000m3/h，4#~5#鍋爐引風機風量260000m3/h，6#~7#鍋爐引風機風量280000m3/h不變的情況下，將1#~5#鍋爐引風機風壓從4.8kPa改至7.2kPa，6#~7#鍋爐引風機風壓從4.5kPa改至7.0kPa。

3運行性能分析

本次改造通過在SCR反應(yīng)器入口處和出口處增添溫度測試點及NOx質(zhì)量濃度測試點，分析了不同過量空氣系數(shù)對鍋爐NOx轉(zhuǎn)化率影響、不同煙氣溫度對SCR反應(yīng)器脫硝效率的影響、不同煙氣溫度對SCR反應(yīng)器氨逃逸率的影響和不同氨氮摩爾比對脫硝效率的影響，其結(jié)果如圖1~圖4所示。

圖1過量空氣系數(shù)對鍋爐NOx轉(zhuǎn)化率影響

圖2煙氣溫度對脫硝效率的影響

圖3不同煙氣溫度和氨氮比的氨逃逸量

圖4不同煙氣溫度和氨氮比的脫硝效率

由圖1可知，隨著空氣過量系數(shù)的增加，NOx轉(zhuǎn)化率逐漸升高，空氣過量系數(shù)為1.4時，其最高轉(zhuǎn)化率約為60%。圖2表明，隨著SCR反應(yīng)溫度的增加，SCR脫硝效率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，約365℃時，脫硝效率最高。圖3給出了氨氮摩爾比和氨逃逸率的關(guān)系，可以看出，溫度為380℃時，氨的逃逸量較低，約為5×10-6；然而，隨著反應(yīng)溫度的降低，氨逃逸呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，特別是當氨氮摩爾比的較高時，氨逃逸量更多。圖4為氨氮摩爾比與脫硝效率的關(guān)系圖，可以看出，隨著氨氮摩爾比的增加，脫硝效率逐漸升高，隨著反應(yīng)溫度的增加，脫硝效率亦逐漸增加。通過調(diào)試分析得出，當溫度控制在360℃左右，過量空氣系數(shù)在0.9~1.0之間，氨氮摩爾比為1.2左右時，電廠SCR系統(tǒng)的脫硝效率能達到90%以上，實現(xiàn)煙氣出口NOx質(zhì)量濃度在45mg/Nm3以下，含氧量在6%~8%，出口SO2質(zhì)量濃度15mg/Nm3以下，煙氣出口溫度為250~280℃，符合環(huán)保部門的排放指標。

4經(jīng)濟效益與環(huán)境效益

本項目鍋爐均為煤粉鍋爐，采用低NOx燃燒加SCR聯(lián)合脫硝技術(shù)，使煙氣NOx排放質(zhì)量濃度<50mg/Nm3，將原有電除塵器改造為布袋除塵器，使煙塵排放質(zhì)量濃度<20mg/Nm3。本工程實施后NOx由改造前的10262t/a減少到1109t/a，每年可減少NOx排放量9153t。

煙塵排放量由改造前的1685t/a減少到222t/a，每年減少煙塵排放量1463t。根據(jù)規(guī)定，每一污染當量征收標準為0.6元，本辦法中規(guī)定NOx的污染當量值為0.95，煙塵的污染當量值為2.18。項目實施后，每年減少排污費用618.35萬元，不僅大大改善了大氣環(huán)境，帶來良好的環(huán)境效益與社會效益，也為企業(yè)減少了巨額排污費用，達到了改造的目的。

5結(jié)論

隨著國家對污染物排放標準越來越嚴格，燃煤電廠煙氣脫硝改造勢在必行。對于一些老機組，設(shè)備老化，改造難度較大，脫硝技術(shù)對于不同電廠出現(xiàn)不同問題，很難達到理想脫硝效率。研究發(fā)現(xiàn)，隨著空氣過量系數(shù)的增加，NOx轉(zhuǎn)化率逐漸升高。

隨著SCR反應(yīng)溫度的增加，SCR脫硝效率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。溫度為380℃時，氨的逃逸量較低，約為5×10-6；然而，隨著反應(yīng)溫度的降低，氨逃逸呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。隨著氨氮摩爾比的增加，脫硝效率逐漸升高，隨著反應(yīng)溫度的增加，脫硝效率亦逐漸增加。改造后采用低NOx燃燒加SCR聯(lián)合脫硝技術(shù)，脫硝效率達到90%以上，NOx出口質(zhì)量濃度低于45mg/Nm3，符合環(huán)保部門的排放指標。