锅炉发电氨耗率优化调整及其研究

锅炉发电氨耗率优化调整及其研究

郭 ,云

国家电投集团贵州金元股份有限公司纳雍发电总厂

摘要：氮氧化物NOx是造成大气污染的主要污染源之一。通常所说的 NOx有多种不同形式:NO、 N20、NO2、N2O3、N2O4、N2O5、其中NO、NO2 是重要的大气污染物。我国氮氧化物的排放量中70%来自于煤炭的直接燃烧。电力工业是我国的燃煤大户，因此在火力发电厂是控制NOx的排放具有十分重要的意义。本文将基于一厂4号炉运行现状，在可调范围内研究如何降低NOx的生成以及如何用最少的原料降低NOx的排放。

关键词：锅炉；   发电氨耗率 ；   优化调整

1.NOx的形成机理

在煤的燃烧过程中，NOx的生成量和排放量与燃烧方式有关，特别是燃烧温度和过量空气系数等密切相关。燃烧形成的NOx分为燃料型、热力型和快速型3种。其中快速型NOx生成量很少，可以忽略不计。

热力型NOx指空气中的氮气在高温下氧化成NOx。当炉膛温度在1350℃以上时，空气中的氮气在高温下被氧化生成NOx，当温度足够高时，热力型NOx可达20%。过量空气系数和烟气停留时间对热力型NOx的生成有很大影响。

燃料型NOx，指燃料中含氮化合物在燃烧过程中进行热分解，继而进一步氧化而生成NOx。其生成量主要取决于空气燃料的混合比。燃料型NOx约占 NOx总生成量的75%~90%。过量空气系数越高，NOx的生成和转化率也越高。

快速型NOx，指燃烧时空气中的氮和燃料中的碳氢离子团，如CH等反应生成NOx。主要是指燃料中碳氢化合物在燃料浓度较高的区域燃烧时所产生的烃，与燃烧空气中的N2发生反应，形成的CN和HCN继续氧化而生成的NOx。在燃煤锅炉中，其生成量很小，一般在燃用不含氮的碳氢燃料时才予以考虑。

在这三种形式中，快速型NOx所占比例不到5%;在温度低于1300℃时，几乎没有热力型NOx。对常规燃煤锅炉而言，NOx主要通过燃料型生成途径而产生。

2.NOx的控制

控制NOx排放的技术措施可分为一次措施和二次措施两类，一次措施是通过各种技术手段降低燃烧过程中的NOx生成量，即低NOx燃烧技术;二次措施是将已经生成的NOx通过技术手段进行处理，即烟气脱硝技术。

一次措施，如何降低NOx的生成量。

一厂4号炉在长期的运行中，以总结出稳定、安全的运行经验。即在目前安全运行要求下，以保煤耗指标为首要，汽温不低温，不超温，使用低NOx燃烧技术。OFA小风门的使用在满足负荷对应风箱差压需求情况下，燃用不同煤种，运行不同制粉系统套数，负荷的高低。开度在0%至60%开度按脱硝系统反馈最低NOx的生成量适时调整，其余小风门的使用按原规定执行即可。

抑制NOx的生成量，总结方法一，控制合理的过量空气系数。过量空气系数按照规程规定的合理范围内控制，在保证充足燃烧氧量情况下，尽可能减少燃料型NOx的生成。以当前炉膛氧量近似计算当前过量过量空气系数进行比对，一般地过量空气系数α推荐值按负荷高低推荐值在1.25～1.33之间，根据现有运行方式尽可能靠近该范围。过量空气系数α按以下公式近似计算。

过量空气系数α=空气含氧量21/（空气含氧量21-当前炉膛氧量）

抑制NOx的生成量，总结方法二，少火嘴高转速的给粉机运行方式。同等负荷下，最上层给粉机每少运行一台，NOx的生成量大幅减少。在正常情况下，同等负荷，停运两台给粉机已达到现行给粉机运行转速上限，也不宜过多停运。

不改变其余工况，负荷越高效果越明显。调整给粉机的运行方式效率高，见效快，同等负荷下有效的降低了SCR系统喷氨流量。

抑制NOx的生成量，总结方法三，炉膛微正压的运行方式。提高炉膛负压，一是增加烟气的停留时间，在主燃烧区还原性气氛下时间越长，抑制NOx的生成量越多，二是增加SCR及SNCR反应的时间。在一厂4号炉的试验表明，提高炉膛负压能有效的降低NOx的生成量。

二次措施，烟气脱硝技术。烟气脱硝技术分两种，一是选择性催化还原技术SCR，二是选择性非催化还原技术SNCR。

3.选择性非催化还原技术（SNCR）

选择性非催化还原法是一种不使用催化剂，在 850～1100℃温度范围内还原NOx的方法。使用的尿素溶液经由稀释水稀释后同雾化压缩空气一同喷入炉膛。在炉膛高温区域，尿素受热分解成NH3，与烟气中NOx发生SNCR反应，生成N2和H2O。一般地，SNCR反应温度不宜过高，当投入更多尿素溶液流量时，不宜与提高主汽温度的小风门调整方式并用。当温度进一步提高分解产物NH3与O2发生反应会反向生成NOx。

对于SNCR系统的使用，主要研究稀释水流量与尿素溶液浓度的合理配比。当稀释水过量喷入炉膛，理论来说由于需要把额外的常温水加热至烟温，需要额外的煤进行做功，从燃烧安全或是节能降耗的角度来看都是不利的。当尿素溶液浓度过量，喷入炉膛若不能分解完全且反应完全，长期以往，不利于空预器差压的控制，严重时造成空预器堵塞。

基于SNCR系统2区及3区的试验结果表明，尿素溶液流量与稀释水流量之比接近1比10的配比时，可以获得相对较低的NOx排放浓度。可定义该比列为SNCR系统的黄金稀释比10%。

在一厂4号炉投运SNCR系统优先考虑2区，该区同等尿素溶液流量下，调节稀释水量NOx排放浓度反应较为明显，更具有节能降耗价值。对于2区、3区管道不同布置特点，需要考虑静压的影响，不同区域的黄金稀释比对应压力可以作为一个参考，增大使用量的同时，尽可能保证该压力。

4.选择性催化还原技术（SCR）

电厂烟气脱硝的主流技术SCR，是利用还原剂NH3在金属催化剂作用下, 选择性地与 NOx 反应生成 N2 和H2O, 而不是被 O2 氧化, 故称为“ 选择性”。该法具有脱硝效率高，价格相对低廉，在国内外工程中广泛应用的优点。缺点是燃料中含有硫分, 燃烧过程中可生成一定量的SO3。添加催化剂后, 在有氧条件下, SO3 的生成量大幅增加, 并与过量的 NH3生成 NH4HSO4 。该物质具有腐蚀性和粘性, 可导致尾部烟道设备损坏。虽然SO3的生成量有限, 但其造成的影响不可低估。另外,催化剂中毒现象也不容忽视。

基于一厂4号炉SCR系统尿素水解法制备脱硝还原剂NH3的方式与特点，研究尿素水解法制备NH3最优控制过程。

水解法工艺为：尿素尿素颗粒提升机自动给料机尿素溶解罐溶解泵溶液储存罐溶液输送泵水解制氨反应器氨气。系统输送至脱硝区域氨空混合器入口处的氨气压力为0.40.65MPa(g)。启动工况蒸汽设计参数： 1.27MP、320℃，工作参数0.81.2MPa, 280320℃。

在水解反应器中，蒸汽不与尿素溶液混合，通过盘管回流，冷凝水去疏水箱回收。水解反应器内的尿素溶液浓度可达到40～60%，气液两相平衡体系的压力约为0.3～0.6MPa，温度约为135～160℃。对于50wt%（wt%为质量浓度）的尿素溶液进料情况下，水解反应器中产生出来的含氨气流约包含37.5wt%的氨气、18.7wt%的二氧化碳和43.8wt%的水蒸气，这些含氨气流首先进入计量模块，然后被加热的稀释风混合，最后进入SCR反应器进行反应，以除去烟气中的NOx。

由上表试验结果表明水解器运行压力，能有效控制NOx排放浓度。该控制理论参考下表“NH3饱和液和饱和蒸汽”和“水蒸汽压力对应饱和温度”，在同等压力下的饱和温度，提高水解器运行压力后，水解器运行温度低于当前压力下饱和温度，破坏现有气液两相平衡体系，使得气相水蒸气液化成水多一点，从而提高NH3 产物相对浓度，直至重新建立新的气液两相平衡体系，并能连续维持该浓度体系。本质上NH3原料的使用量并未减少，因为浓度的变化，使得相对喷氨流量可以减少。最主要的意义在于水解器内压力与水解器出口压力之间连续的维持一个0.05MPa压差，当出现异常工况导致NOx排放浓度快速升高时，这部分压差就能作为一种能量储备可以快速的释放并产生抑制效果，从而一定程度上避免NOx排放浓度超标事故的发生。

现行水解器正常运行压力约在0.55±0.05MPa范围内，系统运行压力报警值为0.6MPa，气相泄压压力为0.75MPa。建议正常运行中压力维持在0.6±0.02MPa附近，当压力下降时，通过增大SNCR系统出力，降低SCR喷氨流量的方式维持水解器运行压力，而不是增大水解器进蒸汽流量以提高水解器运行压力的方式。增大水解器进蒸汽流量，会使水解器运行温度快速升高，严重时会发生水解器两相沸腾的异常工况，不利于脱硝系统的稳定。

控制NOx，要合理使用OFA小风门，维持合理的过量空气系数，少火嘴高转速，炉膛微正压的运行方式，合理选择SNCR稀释比例，尽可能高的SCR系统运行压力。

一厂4号炉在四值使用以上综合理论后指标大致如下（kg/万kWh）。

一值平均9.92，二值平均10.64，三值平均10.14，四值平均8.93，五值平均9.62，总平均9.85。

结束语：综上所述，以上措施及建议在能有效降低发电氨耗率，四值平均比总体平局水平节约0.92kg/万kWh。理论每天只发电50万kWh，也能节约46kg原料，对于节能降耗的具有重大意义，建议推广。根据不同锅炉特性，需适当调整优化。

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