火电厂锅炉高效超低NOx排放控制技术研究

2014-10-30杨帆

中国科技纵横 2014年18期

关键词：燃烧器煤粉火电厂

杨帆

(陕西彬长新民塬发电有限公司,陕西西安 710018)

火电厂锅炉高效超低NOx排放控制技术研究

杨帆

(陕西彬长新民塬发电有限公司,陕西西安 710018)

氮的氧化物对人体具有很大的伤害作用,火电厂是NOx排放的主要场所,国家对火电厂的NOx排放明确提出了严格的排放标准,以控制其对NOx的排放量。本文对火电厂的超低NOx燃烧技术进行了相关分类,然后对其应用中存在的问题进行了分析,同时结合了国外NOx排放控制技术的最新研究成果,提出了火电厂锅炉高效超低NOx排放控制技术的相关方法,以期对我国火电厂的NOx排放降低提供有效的参考资料。

火电厂高效超低NOx排放控制技术研究

氮的氧化物是大气污染物之一，严重影响人体健康，给人们的生活带来了严重的危害。它不仅会直接对人体的健康构成危害，而且在空气中或阳光下还会发生一些化学反应，产生相应的物理和化学作用，产生一系列变化造成环境的恶化。比如，它的产物之一NO2结合空气中的水滴，在最终形成雨水的时候随雨水降落，形成酸雨，使土壤酸化而不能种植植物，落到人体上还会使人体产生一些病变，危害极大。而目前我国的大多火电厂都是以燃煤为主，排放了大量的NOx气体，给环境带来了巨大的危机。对NOx排放的有效控制是火电厂工作正常运行的首要问题。

1 火电厂锅炉高效超低NOx排放的控制技术

长期以来，我国的能源结构始终以煤为主，78%左右的电力装机是以煤为燃料的火电机组，发电量的84%来自煤电，这一结构给环境保护带来了巨大的挑战。根据中国环境规划研究院的研究，我国的环境容量氮氧化物为1200吨。而从2009年的排放数据来看，仅电力行业就已经排放了近1400吨氮氧化物，排放量早已超过国家环境容量上限。以燃煤为主要动力的火电厂对超低NOx排放技术的应用已十分广泛，对任何一个单一的低氮燃烧技术的最高脱氮率都不低。为了更多地降低NOx的排放，相关研究人员已研究出一些技术，但是这些技术降低NOx排放没有产生叠加的效果，而且采用组合低NOx燃烧的技术往往会伴随有CO排放的浓度和飞灰含碳大幅度增加的现象。现阶段，火电厂锅炉NOx排放控制技术在技术集成上已经得到了较大的发展。结合国际上最新的低氮燃烧技术，本文提出了控制火电厂锅炉对NOx排放的超低排放技术，就是双分级再还原技术。这种技术综合利用了空气分级、燃料分级和烟气净化等方法，可以有效使多种超低NOx技术达到优势互补的效果，已有相关实验数据表明这种技术的脱硝率可以达到很高。

1.1 以煤粉为再燃烧料的双分级再还原低NOx燃烧技术

这种技术以煤粉为再燃烧的主要燃料，同时结合了传统的再燃技术与炉膛整体空气分级以及选择非催化还原技术，在实际的应用中，将氨水或者尿素等还原剂喷进再燃区，从而可以大幅度地降低NOx的排放量，同时还可以有效控制飞灰粉尘等问题。另外，在再燃的过程中，在应用这项技术的条件下所生成的CO在很大程度上扩大了脱硝的范围，因此氨水后者尿素的喷入位置不会对脱硝率产生很大的影响。应用该技术最大的优点在于，它的在燃料比约为10%，相比于富燃料燃烧，其比率明显较低，而且其中存在的相关问题也会得到一定程度的解决。另外，如果将无机盐催化剂同时喷入再燃区，就会具有更高的脱硝率。近来有学者研究指出，同时将尿素和乙酸钙溶液共同喷入再燃区，具有同时降低NOx和SOx的作用。对于燃烧贫煤或者无烟煤的锅炉，通常会采用中间仓储式热风送粉系统，由于三次风喷口的少量细粉具有一定的还原作用，因此，这时这些细粉可以将NOx部分还原。锅炉在运行时，可以利用部分停运燃烧器喷嘴，同时也可以使煤粉通过在燃烧从而降低NOx的排放。

1.2 以燃气为在燃烧料的双分级再还原低NOx燃烧技术

这种方法以燃气作为在燃烧料，主要有两种技术方法：其一就是选择性非催化剂和燃气一起喷入；其二是燃气风将氨水或者尿素一起送入炉膛。这种燃烧技术对NOx排放的降低原理与以煤粉为燃烧料的方法相同，在将燃气加入的时候，采用的是在燃气旋流式送入，这样可以有效控制飞灰可燃物问题，同时使脱硝率达到百分之九十以上。

1.3 以生物质为在燃烧料的双分级在还原低NOx燃烧技术

有关实验证明：木材的燃烧效果和煤粉及燃气的效果大致相同。如果用木材作为再燃燃料，就可以有效实现对NOx的排放的自然控制，因为木材本身不含氮，从根源上消除了NOx排放的问题；同时可以有效降低SOX的排放，同样的原因，是由于木材不含硫；此外，由于木材生物质是一种可再生能源，如果用生物质燃料代替化石燃料，就会大大降低CO2的排放，减少了温室效应的影响。另外，这项技术的脱硝率也同样很高，可达到百分之九十左右。

2 火电厂锅炉降低NOx排放的相关系统改造的注意事项

(1)低氮燃烧器的改造需要遵循一定的原则，即安全、经济和环保，保持或改善锅炉已有的应用性能是需要关注的首要问题。采用低氮的燃烧技术，不能以降低锅炉的效率为代价；不能忽视空气过度分级带来的经济损失问题以及设备的安全问题。

(2)在应用低氮燃烧方法引起的飞灰含碳量升高问题是较为常见的，同时也是低NOx控制技术能否获得成功的重要因素，将低氮燃烧和高锅炉效率之间的矛盾进行合理的解决，以及对煤粉粒径的合理选取和先进的炉内燃烧组织技术都是相当重要的。

(3)对锅炉的原有性能、原有煤种、现场改造条件需要进行详细的实验分析和评估，从而确定最经济和合理的NOx排放控制标准和燃烧器的改造原则。

(4)深入了解应用比较广泛的锅炉燃烧器，并吸取经验；对使用寿命比较低的低氮燃烧器要有明确的技术要求；对燃烧器改造后的气温、壁温和减温水等的变化情况进行有效的评估；对锅炉的结渣性和煤种的适应性要进行评估；清楚了解性能保证值和实际运行值之间的差距并界定好对目标值的界定条件；精确控制燃烧器的风量和粉量，同时维持各角的燃烧均衡；合理确定锅炉各负荷段的NOx排放浓度；对技术经济进行充分的比较；配备智能化的优化控制软件。

3 火电厂锅炉超低NOx排放控制技术的经济性分析和前景展望

任何一种技术都需要考虑相应的经济问题，这是保证技术水平的同时必须严格考虑的问题。通常情况下，总费用中包括投资费用和年度运行费用，投资费用中又包括反应设备与试剂等相关费用。

一般，三大系统主要包括煤粉燃烧系统、循环流化床燃烧系统以及水煤浆燃烧系统，在常规的煤粉燃烧系统中，按照NOx燃烧生成的三个阶段所分别运用的控制技术，相比于其他两种控制技术来说，NOx的减排量比较少，尽管如此，其相应的改造投资的资金量和工程量也是最低的。然而炉内还原NOx技术和尾部烟气控制处理技术的减排量虽然比较高，而且环保效果也相对较好，但是设备的改造和所需的资金投入问题和前者相比较，还是处于下风，特别是第三种控制技术，其投资和运行费用相当高。因此，通常情况下，大多数的电厂都是采用第一种或第二种方法相结合的方法来综合实现两种控制技术的减排效果和资金投入，如果这样进行改造时仍然不能满足排放标准的要求，那么就需要考虑使用尾部烟气控制的处理办法。

虽然各种降低NOx排放的技术不断涌现，而且也有效果明显的方法，但是考虑到技术设备、试剂以及施工的成本运行方面，就很难达到火电厂的综合预期目标。而且面对环保方面的严格要求，电厂在选择同时兼顾生产与环保共同的问题时，资金就成为制约其发展的重要限制因素。因此，降低NOx排放的技术会向两个方向发展：首先，需要对原有的技术进行优化，例如由于现用的催化剂价格昂贵，要降低生产成本，需要研究出价格更低的催化剂，代替现有的催化剂，或者是超低NOx燃烧器联合SNCR使用进行联合脱硝，同时结合低NOx燃烧器的运行成本和建设成本的优势以及两者的低氮排放，从而达到NOx排放控制的高效和低投入的效果。其次，企业需要继续加大对新的低NOx控制技术的研究力度，从而实现火电厂锅炉的低NOx排放的高目标的突破。