燃煤电厂低氮燃烧技术改造的经济性管理

郭天祥，吴　鹏，孙志宽，赵　毅

(1.华北电力大学 环境科学与工程学院，保定　071003；2. 华北电力大学 能源动力与机械工程学院，保定　071003；3.国网能源开发有限公司，北京　010003)

燃煤电厂低氮燃烧技术改造的经济性管理

郭天祥1，吴鹏2，孙志宽3，赵毅1

(1.华北电力大学 环境科学与工程学院，保定071003；2. 华北电力大学 能源动力与机械工程学院，保定071003；3.国网能源开发有限公司，北京010003)

摘要：依据我国燃煤电厂氮氧化物控制方向，建立低氮燃烧技术改造的经济性管理分析模型。分析表明，燃煤电厂低氮燃烧技术改造经济性与改造部分的设计及安装成本、低氮燃烧技术改造技术水平、机组锅炉服役年限、机组容量等级、年利用小时数及改造前氮氧化物排放浓度等因素有关。低氮燃烧技术改造对燃煤电厂在役机组而言并非一定要进行，其低氮燃烧技术改造的经济性随机组服役年限的增长而变差。燃煤电厂应优先对大容量机组、年利用小时数高的机组及改造前氮氧化物排放浓度较高的机组进行低氮燃烧技术改造。

关键词：低氮燃烧；技术改造；经济性；成本投入；收益产出

1燃煤电厂低氮燃烧技术改造经济管理必要性

1.1燃煤电厂氮氧化物控制必要性

氮氧化物作为形成酸雨和光化学烟雾的前体物，是近些年大气污染事件如京津冀地区的雾霾污染发生的主要引发物种，给区域大气环境和居民生命健康带来了严重危害。根据中国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要要求，全国氮氧化物排放总量在五年之内削减10%作为约束性指标纳入国民经济和社会发展的主要目标。基于关于推进大气污染联防联控工作改善区域空气质量指导意见(国办发〔2010〕33号)，中国将氮氧化物作为大气污染联防联控的重点污染物，加强氮氧化物污染减排。拟建立氮氧化物排放总量控制制度[1-4],要求新建、扩建、改建火电厂应根据排放标准和建设项目环境影响报告书批复要求建设烟气脱硝设施，重点区域(国土开发密度较高，环境承载能力开始减弱，或大气环境容量较小，生态环境脆弱，容易发生严重大气环境污染问题而需要严格控制大气污染物排放的地区)内的火电厂应在“十二五”期间全部安装脱硝设施,其他区域的火电厂应预留烟气脱硝设施空间。

1.2燃煤电厂低氮燃烧技术改造的必要性

根据《火电厂氮氧化物防治技术政策》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，以减少燃煤电厂氮氧化物的排放。低氮燃烧技术应作为燃煤电厂氮氧化物控制的首选技术。发电锅炉制造厂及其他单位在设计、生产发电锅炉时，应配置高效的低氮燃烧技术和装置，以减少氮氧化物的产生和排放。新建、改建、扩建的燃煤电厂，应选用装配有高效低氮燃烧技术和装置的发电锅炉[5-9]。在役燃煤机组氮氧化物排放浓度不达标或不满足总量控制要求的电厂，应进行低氮燃烧技术改造。

1.3进行技术改造经济管理必要性

低氮燃烧技术的使用无论在成本投入，还是在运行维护上均优于其他脱硝技术。然而，新原有机组配套燃煤锅炉结构参数不同，采用低氮燃烧技术时的成本是各不相同的[10-13]。此外，《火电厂大气污染物排放标准》(GB 13223—2011)对重点地区和非重点地区的氮氧化物排放要求不同，不同机组设计寿命和服役年限不同，炉膛出口氮氧化物排放浓度不同，配备的低氮燃烧技术水平不同等，导致机组锅炉使用低氮燃烧技术时对企业经济投入与产出的影响也各不相同。基于我国发展现状和当前经济实力还不雄厚的国情，燃煤电厂应在满足排放要求的情况下选择较为经济的脱硝技术运行模式。

一般燃煤电厂锅炉出口氮氧化物排放浓度大多在356～1 100 mg/Nm3，而《火电厂大气污染物排放标准》(GB 13223—2011)所规定一般燃煤锅炉氮氧化物排放限值为100 mg/Nm3，仅有少部分炉型为200 mg/Nm3。这意味着脱硝效率一般需在71.9%以上。由于低氮燃烧技术应用不像其他资源消耗型烟气脱硝技术，不耗费其他物质资源，机组脱硝方案优先考虑低氮燃烧技术。鉴于目前低NOx燃烧技术脱硝效率在20～60%，后续烟气脱硝以SCR工艺为主，针对“低氮燃烧技术+SCR”脱硝方案，进行低氮燃烧技术改造经济性管理分析[14-15]。

2低氮燃烧技术改造经济管理依据

2.1低氮燃烧技术改造经济性

低氮燃烧技术对于燃煤电厂而言，在经济上存在成本投入与收益产出两部分内容。

对于燃煤电厂来讲，若成本投入大于收益产出，则无法在机组服役年限内通过收益产出来回收因低氮燃烧技术改造而产生的成本，此时进行低氮燃烧技术改造是不经济的，应采用“原有燃烧系统+SCR”脱硝模式；若成本投入小于收益产出，则可在机组服役年限内通过收益产出来回收因低氮燃烧技术改造而产生的成本，此时进行低氮燃烧技术改造是比较经济的，应采用“低氮燃烧技术改造+SCR”脱硝模式。因此，可通过构建成本收益函数，根据函数值来描述低氮燃烧技术改造的经济性：

F=F2-F1

(1)

F越大，低氮燃烧技术改造的经济性越好。F=0意味着成本投入与收益产出相同，此时可提出燃煤电厂低氮燃烧技术改造的经济可行性判据。

(2)

根据F=0时可计算得到投入成本和收益产出相等时SCR进口或炉膛出口处氮氧化物浓度。当改造前SCR进口处氮氧化物实际浓度高于计算值时，可进行低氮燃烧技术改造，否则不应进行低氮燃烧技术改造。因此低氮燃烧技术改造的经济可行性判据也可采用式(3)形式。以SCR进口处氮氧化物浓度[16]作为低氮燃烧技术改造经济合理性的表观判断指标更为直观，应用时也更为方便。

(3)

2.2成本投入

低氮燃烧技术的成本是指为实现低氮燃烧而进行的资本投入和资本损失，以低氮燃烧技术改造的成本函数F1(见式(4))来衡量,一般按单位发电容量来计算。其不仅考虑了燃烧系统的年折原有成本，同时考虑了资本贴现的影响。

(4)

式中q1——原燃烧系统的购置安装成本，元；

n——燃烧系统原设计使用年限，年；

β——低氮燃烧技术改造单位千瓦造价，元；

q——额定发电容量，kW；

i——银行年利率；

n1——原燃烧系统已服役年限，年；

α——燃烧系统残值率，一般取0.05。

对于新建机组，直接采用先进低氮燃烧技术，原有燃烧系统折原有成本为0元；对于在役机组进行燃烧装置改造时，除原有燃烧系统折原有成本外，改造部分在机组剩余使用寿命期内折原有改造部分(在正常情况下燃烧系统与锅炉配套，而锅炉与发电机组配套，三者的使用寿命相同)。

2.3低氮燃烧技术的收益产出

低氮燃烧技术的收益产出以低氮燃烧技术改造的收益产出函数F2来衡量，其包括收益损失f1和收益弥补f2两部分。具体计算见式(5)至式(11)。收益损失部分由低氮燃烧技术采纳后所造成的能量损失造成的。一般低氮燃烧技术采纳后锅炉热效率会降低，在同等燃煤量下，企业发供电量减少，使企业收益受到一定的损失。收益弥补部分主要表现为由于采用低氮燃烧技术而减少的SCR运行费用。采用低氮燃烧技术后，可使SCR系统进口烟气中氮氧化物浓度降低，从而减少氨喷入量，节省电费，延长脱硝催化剂的使用寿命，由此降低企业对SCR系统的资本投入。

F2=f1+f2

(5)

f1=PPrice，1×B×(η2-η1)×H

(6)

f2=f氨+f电+f催化剂

(7)

(8)

f电=q×H×δ×(c0-c)

(9)

(10)

(11)

式中PPrice，1——电力用煤价格，元/t；

B——用煤量，t/h；

H——机组年利用小时数，h;

η1、η2——低氮燃烧技术改造前后锅炉热效率；

f氨、f电、f催化剂——低氮燃烧技术改造带来的液氨、用电及催化剂的成本节约量，元；

Q——烟气量，m3/h；

c0、c——低氮燃烧技术改造前后氮氧化物浓度(SCR反应器前)，g/m3；

γ——氨氮摩尔比，根据烟气组成在0.67～1.3之间波动，随烟气中NO2含量的增加而增加；

MNH3、MNOx——氨和氮氧化物的摩尔质量，g/mol；

PPrice，2——液氨的价格，元/g；

δ——液氨系统用电率，可取0.000 9/0.44；

m——催化剂量，m3；

PPrice，3——催化剂的价格，元/ m3；

T——催化剂的使用寿命，h。

3低氮燃烧技术改造的经济管理

3.1机组服役年限影响下的低氮燃烧技术改造经济性管理

机组服役年限影响低氮燃烧系统改造成本的回收期。对于现役的300 MW机组机进行低氮燃烧技术改造[17]时，机组服役年限对满足F=0的改造前氮氧化物排放浓度变化情况见图1。

图1　机组服役年限对低氮燃烧技术改造经济性的影响

在图1中，当机组服役年限一定，改造前SCR进口处氮氧化物实际排放浓度C实际高于计算值CF=0时，位于蓝色线上方时，F>0，低氮燃烧技术改造在机组剩余服役年限内所带来的节约收益F2大于低氮燃烧系统改造成本函数值F1，可进行低氮燃烧技术改造。此时电厂脱硝技术方案应采用“低氮燃烧技术改造+SCR”；当机组服役年限一定，改造前SCR进口处氮氧化物实际排放浓度C实际低于计算值CF=0时，位于蓝色线下方时，F<0，低氮燃烧技术改造在机组剩余服役年限内所带来的节约收益F2不能够弥补低氮燃烧系统改造成本函数值F1，技术改造在经济上是不可行的，此时电厂脱硝技术方案应采用“原有燃烧技术+SCR”。

对于在役机组而言，满足要求的改造前氮氧化物排放浓度和脱硝效率随着机组服役年限的增加而增大，尤其在特别是在机组服役期限将满时增大的尤为明显。这是由于当机组服役服役年限增加时，剩余服役年限降低，燃烧系统改造成本回收期缩短，年度分摊成本增大。

对于300 MW新投产机组，燃用普通烟煤，若低氮燃烧技术改造后能够实现的氮氧化物浓度排放浓度为300 mg/Nm3时，则只有低氮燃烧技术改造前氮氧化物排放浓度在412 mg/m3及以上时，才应考虑低氮燃烧技术改造；当机组服役期限超过17年时，则只有低氮燃烧技术改造前氮氧化物排放浓度在726 mg/m3及以上，才应考虑低氮燃烧技术改造。

3.2低氮燃烧技术改造成本影响下的低氮燃烧技术改造经济性管理

低氮燃烧技术改造成本包括原有原有燃烧系统的折原有成本和改造部分的改造部分设计安装成本。对于新投产机组原有燃烧系统的折原有成本为零。这里主要考虑改造部分改造部分设计、安装成本低氮燃烧技术改造经济性的影响。对于燃用烟煤的300 MW机组，改造部分改造部分设计、安装成本对满足F=0时低氮燃烧技术改造前氮氧化物排放浓度要求CF=0变化见图2。

图2　改造部分改造部分设计、安装成本对低氮燃烧系统改造经济可行性的影响

从图2可知，当机组服役年限一定，改造前SCR进口处氮氧化物实际排放浓度C实际高于计算值CF=0时，位于曲面上方时，F>0，低氮燃烧技术改造在机组剩余服役年限内所带来的节约收益F2大于低氮燃烧系统改造成本函数值F1，具有技术改造经济性，此时电厂脱硝技术方案应采用“低氮燃烧技术改造+SCR”；当机组服役年限一定，改造前SCR进口处氮氧化物实际排放浓度C实际低于计算值CF=0时，位于曲面下方时，F<0，低氮燃烧技术改造在机组剩余服役年限内所带来的节约收益F2不能够弥补低氮燃烧系统改造成本函数值F1，不具有技术改造经济性，此时电厂脱硝技术方案应采用“原有燃烧技术+SCR”。

此外，当机组服役年限一定的情况下，低氮燃烧技术改造前氮氧化物排放浓度CF=0随着改造部分设计、安装成本的增加而增大，尤其在机组服役期限将满，成本回收期较短时增大的尤为明显。氮氧化物排放浓度CF=0随机组服役年限的增加而增大，尤其在改造部分改造部分设计、安装成本较大时增大的尤为明显。如在机组服役年限为10年时，改造部分设计、安装成本在20元/kW时，低氮燃烧技术改造前氮氧化物排放浓度CF=0在400 mg/Nm3；改造部分设计、安装成本在60元/kW时，低氮燃烧技术改造前氮氧化物排放浓度CF=0在541 mg/Nm3，变化141 mg/Nm3；而当在机组服役年限为19年时，改造部分设计、安装成本在20元/kW时，低氮燃烧技术改造前氮氧化物排放浓度CF=0增大到742 mg/Nm3；改造部分设计、安装成本在60元/kW时，低氮燃烧技术改造前氮氧化物排放浓度CF=0增大到2 128 mg/Nm3，变化1 386 mg/Nm3。 此时，机组服役年限为19年与机组服役年限为10年时相比，改造部分设计、安装成本在20元/kW和60元/kW时低氮燃烧技术改造前氮氧化物排放浓度CF=0分别增大了342 mg/Nm3和1 587 mg/Nm3。

3.3机组运行状况影响下的低氮燃烧技术改造经济性管理

机组运行状况影响低氮燃烧技术改造收益产出函数值F2，主要体现在机组容量及年利用小时数两个因素上。此两因素对成本收益函数F的影响如图3所示。

图3　机组容量和机组年利用小时数对低氮燃烧技术改造经济性的影响

从图3中(a)可以看出，当机组容量一定时，随机组年利用小时数的增加，低氮燃烧技术改造成本收益函数值F增大，但增大的幅度逐渐降低。当机组年利用小时数相同的情况，随机组容量增加，低氮燃烧技术改造成本收益函数值F逐渐增大，而且随机年利用小时数增加，成本收益函数与机组容量曲线斜率逐渐增大，表明机组容量变化对低氮燃烧技术改造成本收益函数值F的影响在逐渐增大。提高机组容量等级和年利用小时数可提高低氮燃烧技术改造经济性。随着机组容量的增加，低氮燃烧技术改造成本投入会增加，但增加的幅度小于收益产出随机组容量变化而增加的幅度，整体上低氮燃烧技术改造成本收益函数值F仍随机组容量的增大而增大，技术改造的经济性仍朝向有利的方向发展。因此，提高机组容量等级尤为重要，燃煤电厂应优先对大容量在役机组进行低氮燃烧技术改造。

从图3中(b)可以看出，在满足低氮燃烧技术改造成本收益函数值F=0情况下，机组年利用小时数随机组容量的增大而减小。但对于机组容量一定的情况下，随机组服役年限增长，机组年利用小时数增大。如对于300 MW机组，在机组服役年限为10年时，年利用小时数超过2 760 h时，可进行低氮燃烧技术改造；但在机组服役年限为15年时，年利用小时数超过4 160 h时，才可进行低氮燃烧技术改造；对于200 MW机组，在机组服役年限为10年时，年利用小时数超过3 030 h时，才可进行低氮燃烧技术改造；在机组服役年限为15年时，年利用小时数超过4 370 h时，才可进行低氮燃烧技术改造。

这些表明在相同的服役年限内进行低氮燃烧技术改造时，小容量机组对年运行小时数的要求比大容量机组要高；对同一机组，服役年限越长，低氮燃烧技术改造对年运行小时数的要求越高。因此，从企业的角度讲，考虑低氮燃烧技术改造经济性时要尤为关注机组年利用小时数。

3.4低氮燃烧技术改造效果影响下的低氮燃烧技术改造经济性管理

低氮燃烧技术改造效果主要表现为改造后氮氧化物排放浓度和脱硝效率，体现了低氮燃烧技术改造的技术水平。不同的改造效果影响改造的收益产出函数值F2的大小。因此，对不同改造效果下的技术经济性进行分析，具体结果见图4。

图4　改造效果对低氮燃烧技术改造经济性的影响

从图4中(a)可以看出，当改造后氮氧化物排放浓度一定的情况下，随着脱硝效率的增加，低氮燃烧技术改造成本收益函数值F增大，且增大的幅度不断加大。当脱硝效率一定的情况下，改造后氮氧化物排放浓度的增大，意味着改造前氮氧化物排放浓度增大，此时，技术改造前后氮氧化物排放浓度的下降绝对值增大，改造的成本收益函数值F增大。因此，对于同等技术水平低氮燃烧技术，与改造前氮氧化物排放浓度较低的机组相比，改造前氮氧化物排放浓度较高的机组比进行低氮燃烧技术改造经济可行性较好。如在改造后氮氧化物排放浓度为300 mg/Nm3的情况下，随着脱硝效率从30%增大到40%时，成本收益函数值F由-29万元增加51万元，低氮燃烧技术改造在经济上由不可行转变为可行。当脱硝效率维持在30%时，改造后氮氧化物浓度从300 mg/Nm3增加至400 mg/Nm3即改造前浓度从429 mg/Nm3增加至571 mg/Nm3时成本收益函数值F由-29万元增加至5万元，低氮燃烧技术改造在经济上由不可行转变为可行。

从图4中(b)可以看出，当机组设计寿命一定的情况下，随着服役年限的增加，F=0曲线上移，对技术改造的脱硝效率要求提高，以提高技术改造的经济性。当机组服役年限一定的情况下，随机组设计寿命的增加，F=0曲线下移，对技术改造的脱硝效率要求降低，从经济性的角度，企业应在保证安全的前提下尽可能的延长机组使用寿命，以提高机组锅炉进行低氮燃烧技术改造的经济性。

4结语

(1)燃煤电厂在役机组低氮燃烧技术改造并非一定要进行。企业氮氧化物控制应通过经济性管理分析来确定是否应进行低氮燃烧技术改造。

(2)从低氮燃烧技术改造经济性管理角度看，燃煤电厂进行低氮燃烧技术改造时应尽可能的控制改造部分的设计、安装成本，保证低氮燃烧技术改造的技术水平。

(3)在役机组的低氮燃烧技术改造应可能尽早的进行，应在安全的前提下尽可能的延长机组使用寿命、努力提高电厂机组的容量等级和年利用小时数。

(4)从经济管理角度讲，燃煤电厂应优先对大容量机组、改造前氮氧化物排放浓度较高的机组进行低氮燃烧技术改造。

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(本文编辑：赵艳粉)

Economic Management of Low Nitrogen Combustion Technology Update in Coal-Fired Power Plant

GUO Tian-xiang1，WU Peng2，SUN Zhi-kuan3，ZHAO Yi1

(1. School of Environmental Science & Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003；2. School of Energy Power & Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003；3. Shenhua Guoneng Energy Group Co., Ltd., Beijing 010003)

Abstract:Economic management analysis model of low nitrogen combustion technology update was established on the basis of NOx control policies for coal-fired power plants in China. The analysis results showed that the economy of low nitrogen combustion technology update is influenced by various factors such as design and installation costs of technology update, technology level, boiler′s service life, unit capacity and annual utilization hours, NOx emission concentration before update. Low nitrogen combustion technology update should be preferred for coal-fired power plants, but not necessarily an economical selection, because the economy becomes poor with the increase of unit service life. Low nitrogen combustion technology update should be carried out for those units with large capacity, high annual utilization hours and high NOx emission concentrations before update.

Key words:low nitrogen combustion; technology upgrade; economic management; cost input; yield output

DOI：10.11973/dlyny201601023

基金项目：中央高校基本科研业务专项资金项目(916051203)；浙江省工业锅炉炉窑烟气污染控制工程技术研究中心开放基金(2012B01)

作者简介：郭天祥(1982)，男，博士，讲师，主要从事燃煤电厂脱硫脱硝技术方面的研究。

中图分类号：TM621.1

文献标志码：A

文章编号：2095-1256(2016)01-0103-07

Foundation items：the Fundamental Research Funds for the Central Universities(916051203); Zhejiang Provincial Engineering Research Center of Industrial Boiler & Furnace Flue Gas Pollution Control(2012B01)

收稿日期：2015-09-23