如何提高脫硝運行的經濟性

周光秋 ZHOU Guang-qiu

（國能重慶電廠有限公司，重慶 400050）

1 目前脫硝應用現狀及舉例

發展脫硫和脫硝技術是整治環境污染、改善空氣質量的重要舉措[1]。按照國家相關要求規定，自2017年7月1日起工業裝置氮氧化物（NOX）的排放將全面執行低于100mg/m3的新標準。為了實現NOX的超低排放，我國的大部分工業裝置現在大多通過鍋爐升級改造、低氮燃燒器改造、選擇性催化還原（SCR）煙氣脫硝系統改造、選擇性非催化還原（SNCR）煙氣脫硝工藝改造、優化運行調整等手段來實現NOX的超低排放到低于50mg/m3的新標準。目前，火電廠的脫硝應用組合手段有2種：一種是低氮燃燒脫硝+選擇性催化還原法（SCR）脫硝：即在鍋爐燃燒側，脫硝的方式主要是加裝低氮燃燒器、增加SOFA風達到減少NOX，減少結渣的目的，在鍋爐出口側，主要是通過脫硝工藝減少NOX的排放；另一種是低氮燃燒脫硝+選擇性非催化還原法（SNCR）脫硝：即將氨水或尿素水溶液直接噴入850℃~1100℃的爐膛內，將煙氣中的NOX轉化為氮氣和水，是不用催化劑的SNCR脫硝技術。SCR脫硝技術，即使用催化劑脫硝技術，它是將氨氣噴在320℃~420℃的煙氣中，在催化劑的作用下，氮氧化物被氨氣還原成氮氣和水，沒有二次污染。氨氣的來源是通過液氨蒸發法或尿素熱解法獲得的，這兩種氨氣生產法在大多數電廠都在使用。比如遼寧能港發電有限公司現有兩臺200MW燃煤發電機組改造工程（如圖1）就是采用低氮燃燒器與SCR相結合的方式，對現有燃燒器進行改造，低氮燃燒器改造NOX控制目標為360mg/Nm3，采用后煙井雙層催化劑層（1+1）布置工藝，不設置SCR旁路及省煤器旁路，SCR系統采用聲波吹灰方式，采用平板式催化劑，采用液氨作為脫硝還原劑。#1、#2爐以660mg/Nm3的NOX排放濃度作為脫硝改造設計基準，脫硝裝置的可用率≥98%。

圖1 遼寧能港發電有限公司脫硝系統圖

2 影響脫硝運行經濟性的因素及控制措施

在整個脫硝技術的實踐應用中會發現，煤質中氮元素含量高，鍋爐運行調整不當，催化劑、還原劑的使用不當、煙氣系統CFD模擬不準確、數據測量不準、SCR運行調整不當都是影響脫硝運行經濟性的主要因素。鍋爐燃燒煤質設計中，煤質中氮元素的含量高低決定了煙氣中氮元素含量的高低，因此選用揮發分含量較大的低含氮量的褐煤，這樣鍋爐在較低的爐膛溫度時，煤粉氣流就能著火，降低了燃料N的轉換率，也降低了熱力型NOX的生成量；從而降低了進入脫硝SCR系統煙氣中氮氧化物的含量，噴氨量也減少。燃料燃燒時的溫度（T）和過量空氣系數（a）是影響NOX的生成量和排放量的最主要因素，如果鍋爐運行中這兩個因素調整不當，會造成煙氣中氮氧化物生成增多；因此要對燃燒過程進行控制，具體方法為：分級燃燒、再燃燒法、低氧燃燒、濃淡偏差燃燒和煙氣再循環等。通過對燃燒過程進行分級燃燒控制，在富燃料的主燃燒區保持缺氧狀態，降低爐膛氧量，在燃燒的末級用燃盡風即SOFA風進行補風，將未燃完的燃料進行再燃燒，降低爐內中心溫度，就減少了NOX的生成；爐內氧量控制在3%以內，甚至在鍋爐燃燒較好的情況下，氧量會降低到1%以下，NOX的生成量會顯著減少；由于燃燒過程中所產生的氮的氧化物主要為NO和NO2，NO平均約占95%，燃料燃燒所生成的NO主要來自兩個方面：一是燃燒所用空氣（助燃空氣）中氮的氧化；二是燃料中所含氮化物在燃燒過程中熱分解再氧化；還有“瞬發NO”，NOX是由燃燒產生的，而燃燒方法和燃燒條件對NOX的生成有較大影響，因此可以通過改進燃燒技術來降低NOX，其主要途徑如下：降低空氣過剩系數，組織過濃燃燒，來降低燃料周圍氧的濃度；在過?？諝馍俚那闆r下，降低溫度峰值以減少“熱反應NO”；在氧濃度較低情況下，增加可燃物在火焰前峰和反應區中停留的時間。負荷的增加往往帶來氧量的減少，NOX也就隨之減少。低氮燃燒及NOX排放下降后必然會導致鍋爐效率的下降，要尋找一個最佳經濟平衡點，不能一味追求低NOX運行。鍋爐運行人員在運行調整中，只要NOX不是太高，可以關小SOFA風，開大二次風，以提高燃燒效率[2]。對于汽溫偏低及甲乙側汽溫偏差大的情況，可以在煤質好時，SOFA風開大點，煤質差時，SOFA風開小點。有條件時應盡量使用下層燃燒器，用抬高噴燃器擺角的方法兼用二次風、SOFA風配比來調節汽溫，有利煤粉燃盡，提高燃燒效率。同時降低爐膛、制粉系統漏風。低負荷運行應適度增大燃燒區風量，以利煤粉燃盡，但是風量過大，會使爐膛溫度降低，造成汽溫偏低；高負荷可以適度降低燃燒區風量，但是風量過小，爐膛出口溫度升高，會造成排煙溫度偏高，損失增加。

SCR脫硝技術中，在滿足環保排放要求的情況下，選擇可重復利用的催化劑，設計合理的SCR入口煙氣溫度、煙氣流速和還原劑能最大限度的提高脫硝經濟性。為提高脫硝效率，必須要使用催化劑，催化劑的使用壽命周期是決定SCR脫硝運行的經濟性的重要因數，其次是SCR入口煙氣溫度范圍、NH3/NOX摩爾比、SCR入口NOX濃度、煙氣流量、煙氣停留時間等都會影響脫硝效率，從而間接影響脫硝經濟性。催化劑的壽命取決于它本身的壽命和使用維護情況，SCR脫硝催化劑基本都是以TiO2為載體，以V2O5為主要活性成份，以WO3、MoO3為抗氧化、抗毒化輔助成份的化學物質，它的作用是促使還原劑選擇性地與煙氣中的氮氧化物在一定溫度下發生化學反應；催化劑的各化學成分比例、分布結構基本決定了煙氣脫硝系統的能力，V2O5含量達到6.6%時，達到最高效率，后降低，鈉、鉀、砷、鈣、三氧化硫等都會使催化劑中毒。SCR入口煙氣溫度在300℃~410℃達到最高效率，NH3/NOX摩爾比1.05時效率最高，SCR入口NOX濃度越高、煙氣流量越大、煙氣停留時間越短，脫硝效率越低，排污費越高。還原劑使用量越少，脫硝經濟性越高。SCR脫硝使用的還原劑主要是氨氣，氨氣的來源有兩種，一種是液氨通過液氨蒸發器加熱蒸發成氨氣，通過加熱溫度控制，控制生成的氨氣量，氨氣生成穩定。二種是把尿素配制成40%的尿素溶液，通過電加熱成450℃~600℃的熱解爐后，分解成氨氣和水，他們都與稀釋風充分混合，進入省煤器出口煙道進行脫硝反應。但尿素在水解熱解過程中，容易分解出氨基甲酸氨腐蝕管道、產生的縮二脲及其他縮合物堵塞管道，而且生成的氨氣不穩定，導致運行跟蹤困難。有數據證明，使用液氨和使用尿素的建造成本基本差不多的，而年度運行成本來看，使用液氨比使用尿素成本低得多。

脫硝工藝設計中，從送風機到空預器到爐膛到省煤器再到SCR入口，煙道多處拐彎節流，煙氣流速不斷發生變化，煙氣流場不斷出現速度偏差，CFD模擬很難準確，導致煙氣參數測量不準；煙氣分析儀表的誤差也給脫硝系統的經濟運行帶來巨大的損害。通過全國多個電廠脫硝性能測試數據分布，可以看出脫硝煙道內煙氣流場分布很不均勻，紊亂的流場造成氮氧化物在煙氣中的分布不均勻，煙氣溫度交錯偏差，鍋爐負荷適用性差，常常形成煙氣集中沖刷催化劑的現象，造成催化劑部分快速磨損破裂，縮短催化劑使用壽命，給脫硝調整帶來極大的困難，造成噴氨量過多過少，氨逃逸增加，氨氣浪費嚴重，多余的氨氣形成硫酸氫氨堵塞空預器，造成鍋爐引風機負荷增加，甚至降低鍋爐負荷運行。測量位置設計不合理使得測量數據不準確，給脫硝調整帶來極大的困難，SCR入口煙氣溫度不正確造成噴氨投退不及時，損害催化劑；SCR入出口濃度不準，風量不準，造成氨氮比不準確，噴氨位置不合理造成煙氣停留時間太短。由于煙道流場不均勻不穩定，而現場監視設備比如煙氣分析儀的取樣點只有一個，測量的數據基本不具有代表性，大多數電廠脫硝SCR進出口煙氣分析儀安裝位置離取樣點都比較遠，煙氣取樣到測量出數據存在嚴重滯后，通過測量數據算出的需噴氨量與實際應噴量相差甚遠，造成噴氨量忽多忽少，脫硝效率和經濟性難以平穩控制；煙氣分析儀本身的測量誤差都嚴重影響著脫硝運行的經濟性[3]。

3 提高脫硝運行經濟性的措施在實踐中的應用成果

首先要做好鍋爐運行調整。在保證鍋爐安全穩定運行和經濟性的前提下，通過調整鍋爐助燃二次風的擺角、一次風速、風量大小、助燃二次風、爐膛氧量高低、給粉機的布置方式、燃盡風量大小、減少鍋爐本體漏風，降低爐內無組織風量等方式控制爐膛出口NOX在規定范圍內；在SCR調整運行中，通過調整使用最少的氨氣量，加強聲波吹灰和蒸汽吹灰，降低氨逃逸量，控制出口NOX在環保排放范圍內。其次，加強煙氣系統內部的流場的監測，通過手持式測溫儀、流量計、煙分析儀對設計監測點數據進行比對和校正，設計位置不符合要求的測點進行更改，使儀表顯示數據具有代表性和及時性；脫硝煙道內加裝混流裝置使流場分布更均勻。在遼寧能港發電有限公司設計煤90%BMCR即196MW負荷工況下調整后如表1、表2、表3所示。

表1 給粉機轉速

表2 二次風門開度（以就地風門開度為準）

表3 SCR區數據

在100%撫順煤的情況下，通過在90-195MW左右負荷的低氮燃燒調整試運行，爐膛氧量控制在4.2以內，各項指標都能達到技術協議的要求，通過加大噴氨量，各個工況都能達到環保排放的要求。通過低氮燃燒調整后，飛灰和爐渣可燃物略有增加，但鍋爐進風量明顯減少，排煙熱損失減少，鍋爐熱效率基本不變。由于排污費減少，脫硝經濟性得到提高。

4 結束語

我國脫硝技術雖然起步較晚，但是隨著我們的不斷努力和對脫硝技術的不斷吸收轉化，催化效率更高，可再生催化劑生產逐步實現了國產化，催化劑價格更低；為追求更優化、更先進的脫硝工藝流程、研發催化反應溫度更低、抗熱性更好、效率更高、活性溫度段更長、更耐水耐酸，具有更高再生性的催化劑的研究沒有停止；脫硝新的研究成果正在不斷涌現，通過創新脫硝機理、多級脫硝和多聯產新工藝技術的研發和應用，在減少NOX的排放量的同時，還轉化生成農用氮肥或者其他工業產品，真正實現了節能減排增效。