330 MW发电机组贫煤燃烧NOx排放特性及控制
摘 要：针对330 MW贫煤锅炉开展了低氮燃烧系统的现场试验，研究了炉膛出口以及SCR前后的NOx排放情况，还考查了NOx浓度随烟道深度和锅炉负荷的变化情况。结果表明：炉膛出口的NOx浓度基本维持在600 mg/m3左右。NOx排放浓度与取样位置有关，现场检测NOx时要在断面合理布点。在炉内低氮燃烧+SCR共同控制下，贫煤锅炉在不同负荷下都可实现烟气出口NOx浓度≤50 mg/m3。SCR系统正常运行情况下脱硝效果较好，但存在氨耗量较大，催化剂堵塞、磨损、低负荷情况脱硝效率较低等问题，建议对于贫煤机组可以采用SNCR+SCR的联合脱硝方法，增加氨气在系统内停留时间，提高脱硝效率，避免氨逃逸。
关键词：贫煤;SCR;NOx排放;低氮燃烧
0 引 言
随着燃煤发电量的逐年增加，我国已经成为世界上煤炭生产和消费大国[1]。煤炭燃烧发电用煤占煤炭消耗总量的50%左右[2]。NOx是一种破坏大气环境和危害人体健康的污染物，燃煤电厂的NOx 排放成为控制 NOx 总排放量的主要途径[3]。目前，大型燃煤火电机组控制NOx低浓度排放的方法主要有低氮燃烧技术和尾部烟气脱硝技术，由于日趋严格的NOx排放标准，燃煤火电厂均采用这2种方法联合脱除NOx，以实现超低排放任务[4]。贫煤是煤化程度较高的一种烟煤，加热时不产生胶质体，其挥发分低，一般无黏结性，难燃，不易着火和稳燃，燃烧温度高，贫煤燃烧过程中产生大量的NOx，根据燃烧条件不同，生成量在600～1 200 mg/m3(标态，6%O2)。因此，对贫煤燃烧过程中NOx的生成控制和脱除处理显得特别重要。
国内学者针对贫煤难燃、NOx排放高的问题进行了大量研究。朱来玉[5]对大港电厂328.5 MW机组贫煤锅炉燃烧技术进行了研究，认为煤粉细度、较高混合物的温度、适宜的煤粉浓度是贫煤燃烧的必要条件，使用双进双出钢球磨，半直吹式制粉系统、配CE宽调节比WR浓淡分离式燃烧器组成的燃烧系统能满足锅炉对贫煤燃烧的要求。王飞[6]对135 MW机组复合式低氮燃烧器改造，利用先进的复合式低氮燃烧技术，改造后在额定负荷和设计煤种工况下，NOx排放浓度由原来的900 mg/m3降低至430 mg/m3。王士桥[7]对300 MW 四角切圆锅炉低氮燃烧改造进行了数值模拟，运用 Fluent软件对锅炉改造前后不同负荷工况进行数值模拟计算，并提出采用缩腰型配风方式，控制过量空气系数为1.2时，锅炉低氮燃烧运行效果较好[8]。
以上研究都是针对贫煤燃烧设备和运行条件进行分析和改造的，缺乏对炉内NOx生成规律的详细研究。某燃贫煤电厂超低排放改造，采用的控硝、脱硝技术措施为炉内低氮燃烧+烟气SCR处理，炉内通过控制燃烧过程来减少 NOx 的生成量，主要有低 NOx 燃烧器、空气分级燃烧(OFA)、低过量空气燃烧等;尾部烟气SCR脱氮，是通过对尾部烟气进行喷氨和选择性催化处理，进而降低NOx 的排放[9]。本文通过对电厂实际运行过程中NOx的连续在线检测和分析，研究贫煤在粉煤炉内燃烧过程中NOx的生成规律及转化机制，为探究贫煤燃烧过程中NOx的控制和脱除提供依据。
1 试 验
1.1 NOx形成机理
通常认为燃煤过程中NOx有3种主要生成类型，即：热力型NOx、燃料型NOx和快速型NOx。其中热力型NOx是指助燃空气中的氮在高温下氧化生成的NOx，温度越高NOx的生成量越大，当温度高于1 800 K时热力型NOx的生成量呈现指数型增长趋势,其生成速率满足Arrhenius定律[10-11]。对于挥发分低、燃烧温度高的贫煤，这部分NOx占NOx总量的19%～30%;快速型NOx是空气中的N2和煤粉燃烧过程中烃基(CHi)等热解后经中间产物NHi与HCN进一步快速与氧气生成NO，当温度低于2 000 K时碳氢燃料主要通过N2生成快速型NOx的量较小，对于贫煤，占总NOx的3%以下;燃料型NOx是指燃料中的含氮化合物受热分解然后被氧化生成的NOx，对于贫煤燃料型NOx占NOx总量的65%～87%[12]，因此，在燃料固定情况下，控制热力型NOx实现低氮排放的关键。
1.2 燃料及烟气处理流程特点
现场试验煤样的工业分析和元素分析见表1。1～4号样品分别表示检测期间连续4 d电厂的入炉煤样。可以看出，由于电厂燃用的煤种来源比较单一，因此煤质相对比较稳定，挥发分主要集中在11%～13%，燃料中氮主要在1%左右波动，变化不明显，燃料型氮对烟气中NOx没有明显影响，因此，燃料对NOx的影响不显著，本文主要研究电厂运行条件对烟气中NOx的影响。
表1 煤的工业分析和元素分析
Table 1 Proximate and ultimate analyses of coal samples
注：*表示由差减法计算。
某电厂为了实现超低排放，在其装机容量为2×330 MW的热电联产机组上脱硝系统采用锅炉低氮燃烧+SCR脱硝烟气处理装置技术。低氮技术改造2次:① 锅炉的C、D层水平浓淡式燃烧器改为垂直浓淡式燃烧器，将B层燃烧器改为等离子燃烧器，改造后锅炉出口NOx浓度由gt;1 000 mg/m3降为800 mg/m3，但存在高温腐蚀现象，其中C层至三次风之间燃烧区域腐蚀尤为严重;② 水平浓淡燃烧器+深度分级高效低NOx燃烧系统，在降低NOx的同时，充分考虑避免锅炉发生高温腐蚀现象，改造后热态调整显示锅炉出口NOx排放浓度在600～700 mg/m3，但实际运行期间根据负荷不同为600～800 mg/m3。SCR装置采用2+1三层布置的蜂窝催化剂。锅炉烟气处理工艺流程及尾部烟道取样口如图1所示。
图1 锅炉烟气处理工艺流程示意
Fig.1 Schematic diagram of boiler flue gas treatment
1.3 现场检测方法
锅炉尾部的烟气采用Testo350型便携式气体分析仪测量，可以连续在线定量检测燃烧过程中生成的NO、NO2、H2O、CO2、CO、SO2等质量浓度，其中NOx的测量精度为±(5×10-6)。该仪器测试前用标气进行校正，仪器每间隔10 s记录一组数据。本研究重点探讨不同工况下NOx的排放特征，对锅炉的运行条件进行了分析，考察运行条件对氮氧化物的影响;对尾部烟道出口、SCR入口及出口对应的截面各设置3个检测点，考察烟气不同截面取样点的NOx的分布;并对SCR出入口截面测点的测量深度进行调整，考察烟气在靠近边界层和远离边界层的位置NOx的分布情况。
1.3.1 烟气取样和测试方法
测试取样点布置在锅炉尾部脱硝系统前后，如图1所示，由于现场尾部烟道内为微负压状态，且其内烟尘较大，因此难以直接通过仪器进行检测。本次试验通过真空泵将烟道内的烟气抽出，经干燥和过滤装置后再通入Testo 350仪器中检测，试验数据由计算机实时记录。为了防止系统漏气影响检测结果的准确性，每个装置在试验前首先进行器密封性检测，具体试验流程如图2所示。
图2 测试取样流程
Fig.2 Flow chart of experiment
1.3.2 烟气浓度计算方法
将烟气中NOx 浓度进行换算，折合到氧浓度为6%进行比较，换算公式如下：
ρ(NOx)=2.05ρ(NOx)PV
式中,ρ(NOx)为氧含量折算到6%的NOx排放质量浓度，mg/m3;ρ(NOx)PV为实际测量NOx排放质量浓度，mg/m3;w(O2)PV为烟气中实际测量O2质量分数，%。
2 试验结果及讨论
2.1 现场在线监测
2.1.1 炉内低氮燃烧运行
采用低NOx燃烧器、空气分级燃烧及低过量空气燃烧方式等，现场运行条件和氮氧化物排放情况如图3所示。图3(a)显示给煤机为3台磨煤机交替运行，以A磨煤机为主，B、C磨煤机根据负荷调整起停。图3(b)表明：左右侧一次风基本都在150 m3/h波动，变化较小，制粉系统风量左侧相对于右侧风量也较小，分别为75～100 m3/h和100～150 m3/h，二次风随负荷变化，用于补充燃烧所需氧含量，左侧比右侧风量小，分别在200～350 m3/h和225～375 m3/h，实现分级燃烧。但从图3(c)可以看出，低负荷时总风量相对较高，高负荷时相对风量较低。结合图3(d)可以看出，负荷和NOx生成存在一定的关系，在煤质相对稳定的情况下(表1)，炉膛出口烟气中NOx质量浓度在600 mg/m3左右浮动，在负荷变化阶段NOx质量浓度较高超过650 mg/m3，稳定负荷下氮氧化物相对较低，原因为变负荷时给煤量调整，磨煤风和一次风相对过量，致使氧含量增加，热力型NOx增加;而稳定负荷下220 MW的NOx质量浓度≥600 mg/m3，300 MW的NOx质量浓度为500 mg/m3左右，原因为贫煤难燃高负荷煤量较大，炉膛的温度在低氧含量下就能维持，而低负荷下要保证难燃煤的充分燃烧，维持相应的温度，需要较高的氧含量，这与王士桥[7]提出的采用缩腰型配风方式，控制过量空气系数为1.2时，锅炉低氮燃烧运行效果较好的结论相符。因此，贫煤在炉膛内燃烧NOx排放的影响因素在维持燃烧温度一定的条件下，主要为炉膛里的氧含量即风量，有效控制炉膛的分级供风可以降低其排放，但分级燃烧要与锅炉的热效率相结合。
图3 炉内低氮燃烧运行情况分析
Fig.3 Low-NOx combustion in furnace
2.1.2 炉内低氮燃烧+SCR运行情况
采用的控硝、脱硝技术措施为炉内低氮燃烧+烟气SCR处理，炉内通过控制燃烧过程来减少NOx的生成量;在炉内低氮燃烧+SCR共同的控制下，贫煤锅炉在不同负荷下均可实现超低排放，其烟囱烟气出口NOx质量浓度≤50 mg/m3，炉膛出口烟气中NOx质量浓度在600 mg/m3左右浮动，SCR系统脱硝效率高负荷相对较好。但SCR出口NOx值接近0，检测仪难以测准，由此可以看出，该运行过程中为了保证出口达标，氨的喷入量较大，过度脱硝引起脱硝成本高，氨逃逸较多，这一点与Jongchol等[13]对SCR反应器进行数值模拟研究时指出为了达到较高的脱硝效率会造成较大的氨逃逸的现象相吻合。
现场运行炉内低氮燃烧+SCR运行情况分析如图4所示。
2.2 运行工况
2.2.1 贫煤燃烧尾部烟道出口NOx排放特征
为了了解锅炉尾部烟道中的烟气在处理前NOx的释放情况，在尾部烟道喷氨前入口处垂直于烟气流动的截面上设置了3个检测点，考查烟气流动的过程中NOx的分布。烟气在未经任何处理的情况下，NOx浓度基本维持在630 mg/m3左右，且随着采样时间的延长，变化不明显，与现场运行数据一致，进一步证明检测仪器的准确性，喷氨前烟气中NOx的分布情况如图5所示(A面表示SCR前的检测点；B面为SCR后检测点)。
图4 炉内低氮燃烧+SCR运行情况
Fig.4 Operation aspect of Low-NOx combustion and SCR
图5 尾部烟道NOx浓度
Fig.5 Concentration of NOx at tail flue
2.2.2 SCR前后NOx的排放
为了考察不同断面和烟枪插入烟道不同深度时NOx排放情况，由于电厂燃用的煤种相对比较稳定(表1)，因此考查同一天中烟道深度对NOx的影响，对SCR前后各3个测点的烟气中NOx浓度进行了检测，其中烟枪的深度分别为1/2和1/4的烟道，结果如图6所示。烟道不同深度处NOx的释放可以间接反映烟道内不同边界层气体的流动情况。
图6 烟枪插入烟道不同深度的NOx浓度
Fig.6 Concentration of NOx at different depth
烟气通过SCR对NOx脱除有明显效果。SCR后NOx的排放浓度明显低于SCR前NOx排放浓度。从图6可以看出，在同一个检测点，下午检测到的NOx排放浓度与上午相比明显降低，这可能与其他操作条件有关。随着检测深度的不同，NOx的分布也不同。将检测期间不同深度下SCR前后共6个检测点的NOx测量值取平均值，如图7所示。
图7 SCR前后6个检测点的NOx平均值的变化情况
Fig.7 Variation of NOx before and after SCR
SCR之前，1/2深度处NOx的排放浓度略高于1/4深度处NOx的排放浓度，即越靠近检测点出口NOx的排放浓度越低。在SCR之后，由于NOx的排放浓度已低于10-6，因此，1/2深度处NOx的排放浓度和1/4深度处NOx的排放浓度无明显差别。
2.2.3 负荷对NOx排放影响
电厂运行工况是随时变化的，由于电厂燃用的煤种相对比较稳定(表1)，因此煤种对NOx的影响不显著，为了进一步研究NOx的影响条件，对测试期间不同工况下的NOx进行检测，考察不同负荷对SCR入口和出口NOx的排放影响，发电负荷分别为250、300和330 MW，NOx检测结果如图8所示。
从图8(a)看出，除2号检测点，SCR前330 MW发电负荷下NOx的排放浓度明显较高，而300 MW发电负荷下NOx的排放浓度比较低。这主要由于要保证高的燃烧效率，相应的燃烧温度和氧含量较高，因此NOx的排放浓度较高。图8(b)可以看出SCR之后，除2号检测点外，1号、3号在整个检测过程中，300 MW发电负荷下NOx的排放浓度较高，而330 MW发电负荷下NOx的排放浓度比较低，250 MW发电负荷下NOx的排放浓度介于二者之间，这主要是为了保证稳燃相对较高的氧含量。
图8 SCR前后NOx随着发电负荷的变化情况
Fig.8 Variation of NOx at different load before and after SCR
3 结 论
1)贫煤在粉煤炉中燃烧，在煤质相对稳定的情况下，以热力型氮为主，炉膛出口烟气中NOx在600 mg/m3左右浮动，在变负荷阶段NOx度较高，为650 mg/m3以上，稳定负荷下NOx较低，且低负荷较高，贫煤在炉膛内燃烧NOx排放的主要影响因素为氧含量，有效控制炉膛的分级供风可以降低其排放。
2)NOx排放浓度与烟道深度、检测位置和运行负荷等有关。随着烟枪插入烟道深度增加其浓度增大，因此，在现场检测NOx时，要合理布点，并对其检测结果进行处理。
3)在炉内低氮燃烧+SCR共同的控制下，贫煤锅炉在不同负荷下都可实现超低排放，其运行烟气出口NOx质量浓度≤50 mg/m3，SCR系统正常运行情况下脱硝效果较好，但存在着氨耗量较大，催化剂堵塞、磨损、低负荷情况脱硝效率较低等问题，建议对于贫煤机组采用SNCR+SCR的联合脱硝方法，增加氨气在系统的停留时间，提高脱硝效率，避免氨逃逸，解决低负荷和起机时脱硝效率低的难题。
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Emission characteristics and controlling of NOx in lean coal-firedboiler of the 330MW unit
Abstract:The field experiments of low-NOx combustion system were conducted in a 330 MW lean coal-fired boiler.Testing investigation of NOx emissions was performed before and after furnace exit and SCR.At the same time,the concentration of NOx varying with the depth of the tail flue and boiler load was examined.The results show that concentration of NOx in the furnace outlet is maintained about 600 mg/m3.The concentration of NOx is related to the sampling location,thus the stationing of section in the field test should be reasonable.The emission of NOx will be less than 50 mg/m3 under the different load with the control of low-NOx and SCR.The denitration efficiency of the SCR system is good under normal running condition.However,there are some problems,such as large consumption of ammonia,catalyst blockage,abrasion and low-NOx efficiency at low load.The study suggests that the power generation unit should combine SNCR with SCR,and increasing the residence time of the ammonia in the system can improve the denitration efficiency and avoid ammonia escaping.
Key words:lean coal;SCR;NOx emissions;low-NOx combustion
中图分类号：X701.7
文献标志码：A
文章编号：1006-6772(2017)06-0107-06
收稿日期：2017-06-01;责任编辑孙淑君
DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.2017.06.020
基金项目：NSFC-山西省联合基金重点资助项目(U1610254);山西省科技重大专项资助项目(MD2014-03，MD2015-01)
引用格式：杨玮，李文秀，郭富德,等.330 MW发电机组贫煤燃烧NOx排放特性及控制[J].洁净煤技术，2017，23(6)：107-112.
YANG Wei，LI Wenxiu，GUO Fude,et al.Emission characteristics and controlling of NOx in lean coal-fired boiler of the 330 MW unit[J].Clean Coal Technology，2017，23(6)：107-112.
