燃煤电厂脱硝设计中氮氧化物“经济浓度”研究

2013-07-20孙志宽

环境与可持续发展 2013年1期

孙志宽

(神华国能集团有限公司，北京 100033)

1 引言

根据中国电力企业联合会《中国电力行业发展规划研究报告(2011年)》预测，2015年全国发电装机容量将达14.37 ×108kW，其中煤电装机约9.33 ×108kW，占总装机容量的64.9%。那么，预计2015年电力煤炭消耗量约22.5 ×108t。以现有排放水平计，电力氮氧化物(以下简写为NOx)排放量2015年将达1349 万吨左右，比2010年新增449 万吨。电力工业NOx 排放占全国总排放量的1/3 左右。目前，国家环保部与各大电力公司签订了“十二五”主要污染物总量控制目标责任书，出台了新的《火电厂大气污染物排放标准》(GB 13223－2011)，将电力行业作为NOx 控制的重点行业，对火电厂NOx 排放均提出新的更严格的要求，所有燃煤电厂均面临NOx 防治任务。

由于NOx 排放与锅炉燃烧状况密切相关，NOx 排放控制技术呈现多样性，根据国家NOx 排放控制法规和相关政策要求，如何经济有效的开展NOx 治理工作，是现役火电机组急需解决的重大问题。

根据环境保护部《火电厂NOx 防治技术政策》(环发［2010］10 号)要求，燃煤电厂应倡导合理使用燃料与污染控制技术相结合、燃烧控制技术和烟气脱硝技术相结合的综合防治措施，以减少燃煤电厂NOx 的排放;燃煤电厂NOx 控制技术的选择应因地制宜、因煤制宜、因炉制宜，依据技术上成熟、经济上合理及便于操作来确定;低氮燃烧技术应作为燃煤电厂NOx 控制的首选技术。当采用低氮燃烧技术后，NOx 排放浓度不达标或不满足总量控制要求时，应建设烟气脱硝设施。

目前，燃煤电厂NOx 防治一般采用低氮燃烧器(以下简称LNB)+选择性催化还原(SCR)的技术路线。本文重点关注燃煤电厂LNB 改造方案的选择问题。对于不同剩余使用寿命、燃用不同煤种的机组来说，如何选择LNB 改造方案，一般需通过中长期经济技术比较来确定。神华国能集团有限公司研究了一套LNB 方案选择的经济性模型，供现役机组和新建项目参考使用。

2 低氮燃烧器(LNB)现状

国内外厂家LNB 改造后NOx 排放浓度一般在200～550mg/Nm3，NOx 减排率可达30%～60%。一般现役机组的LNB 改造效果，与改造投入费用有关。要达到较好的改造效果，不仅要对喷烧器进行改造，还可综合采用低过量空气系数、空气分级燃烧技术和浓淡燃烧等技术，改造整个锅炉燃烧和控制系统。

现役机组LNB 改造时，除综合考虑炉型、煤种、费用外，还要考虑LNB 改造后锅炉热效率不宜降低、改造后的锅炉有良好的燃烧稳定性、有避免欠氧燃烧引起锅炉部分区域结焦和水冷壁金属腐蚀的措施、有避免飞灰可燃物含量增高的措施等。

目前，国内新建的300MW 以上的火电机组已普遍采用低NOx 燃烧技术，对现有的100～300MW 机组也在进行低NOx 燃烧技术改造。燃用烟煤的切圆燃烧锅炉采用低NOx 措施后，NOx 排放浓度有了显著下降，可满足目前排放标准。但燃用燃贫煤和无烟煤时NOx排放浓度往往超标，尤其采用W 火焰锅炉，NOx 排放浓度超标更为明显。

3 低氮燃烧器(LNB)改造的“经济浓度”概念

对于不同机组容量、不同现状NOx 排放浓度、燃用不同煤种时，进行LNB 改造的可投入的费用也不相同。为了确定机组实施LNB 改造需投入的费用、改造后NOx 浓度等目标，有必要开展LNB +SCR 改造的经济性分析工作。

LNB 改造的“经济浓度”概念是指进行LNB 时的，满足LNB +SCR 运行费用(含脱硝投资还贷等费用)最低时的锅炉尾部烟气的NOx 浓度，也就是SCR 入口的NOx 浓度。

对于现有燃煤电厂，已采用早期的低氮燃烧器，面对新的火电厂氮氧化物排放标准，当机组原烟气NOx浓度高于“经济浓度”时，实施LNB 改造是经济的，当组原烟气NOx 浓度低于“经济浓度”时，实施LNB改造是不经济的。

由于机组建设时期不同，燃用煤种也各有差异，机组采用“低氮燃烧+SCR”NOx 防治技术时，其经济性应呈现较大的差异性。影响NOx“经济浓度”计算的主要因素有:

(1)机组及原有燃烧系统使用寿命;

(2)催化剂价格(包括再生费用)、液氨价格、运行氨氮比;

(3)SCR 3 层催化剂整体使用年限;

(4)低氮燃烧系统改造后脱硝率;

(5)SCR 运行成本(不包括催化剂和液氨消耗);

(6)机组年平均利用小时数;

一般来说，机组剩余使用寿命越长，进行LNB 时的NOx“经济浓度”越小，LNB 经济性越高。

在改造工程设计中，LNB 改造目标(改造后锅炉省煤器出口NOx 排放浓度)的确定应根据LNB 改造经济性分析结果确定。对于不同剩余寿命的机组，要针对锅炉型式、煤种和NOx 现状排放浓度等条件，开展LNB 改造的中长期经济性分析，以选择较为经济的LNB 改造方案。一般来说，机组剩余寿命越长、NOx 现状排放浓度越高，进行LNB 改造的经济性(节省SCR 运行费用)越好，单位装机容量LNB 改造的可投资额度也越高。

为使NOx 防治方案最经济，针对具体工程，必须进行LNB 技术方案的经济性分析研究工作，确定“NOx经济浓度”。对于燃用不同煤质和剩余寿命的机组，可以计算出LNB 改造的“NOx 经济浓度”。当电厂目前炉膛NOx 排放浓度高于和低于“NOx 经济浓度”时，LNB+SCR 改造总投资最具有经济性。作者通过建模，得出在目前投资、运行的一般条件下，单机30 和60 万千瓦机组在燃用不同煤种时在不同剩余寿命下的“NOx 经济浓度”见表1。

对于燃用不同煤质和运行年限的机组，可以计算出LNB 改造的“NOx 经济浓度”。图1 为一般运行的条件下，固定煤种(烟煤)下300MW 机组在不同运行年限、不同LNB 改造投入费用时锅炉出口“NOx 经济浓度”的变化图。

表1 不同煤种锅炉在不同剩余寿命下的NOx 经济浓度(单位:mg/Nm3)

4 结论

根据神华国能集团公司的经验，现役机组在开展脱硝改造决策时，首先确定“NOx 经济浓度”十分重要。就现役机组LNB 改造的实际情况，针对目前LNB 改造的投资和效果，以及SCR 投资和年运行费用等因素建模计算得出“NOx 经济浓度”，以决定现役机组LNB 改造深度，选择较为合理的LNB 投资方案和改造目标，优化SCR 入口设计浓度，降低NOx 防治的投资和运行费用，实现经济利益最大化。

本文在讨论现役机组的脱硝改造时，同时还考虑到机组的剩余寿命、锅炉型式、煤种和NOx 现状排放浓度等条件，一般来说，机组剩余寿命越长、NOx 现状排放浓度越高，进行LNB 改造的经济性越好，LNB 改造的投资效益也越高。对新建燃煤机组的LNB 和SCR 设计中，上述“NOx 经济浓度”的确定方法和应用同样具有理论与实践的指导意义。

以上研究表明，燃煤电厂氮氧化物(NOx)防治一般采用低氮燃烧器(LNB)+选择性催化还原(SCR)的技术路线，为满足现行排放标准，如何分配LNB 和SCR 的“出力”，存在一个最佳的技术投资方案。本文通过建模研究，创新性地提出了燃煤电厂低氮燃烧器改造的“经济浓度”概念，据此进行LNB 和SCR 的设计，可使改造方案达到最佳环境效益与经济目标。