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4 江 电 力 2 0 0 4 年 第5 期 6 0 0 MW 发电机组燃煤锅炉 N x 生成和控制的研究 Re s e a r c h o n t h e M e c h a n i s m o f Fo r m a t i o n a n d Co n t r o l O f NO Emi s s i o n f o r 6 0 0 M W Co a l - fi r e d Bo i l e r 桑如 波 ，乌 亮 ，谢 坚勇 。 1 ． 北仑发 电有限公 司，浙江宁波3 1 5 8 0 0 ；2 ． 浙江省洁净煤技术研究 开发 中心 ，浙江杭州 3 1 0 0 0 5 摘 要 我 国 N O x对酸 雨 的影响将 逐 步赶上 或超 过 S O ，燃 煤 电厂是 N O x生 成排 放的 主要 污染 源 ，通过 在 北 仑 电厂进 行的 N O x排放 特性试 验 、各方面 成 因分析 ，从 而 对 国际 国内成熟 的脱硝技 术进 行评 价 ，探讨 在大 型火 力 电厂 实施 N O x排放的有 效 、经济 的控制手 段和方法 。 关键词 N O x排放 ；燃烧控 制 ；低 N O x燃烧器 ；评 价 Ab s t r a c t Th e c h a r a c t e r i s t i c s o f NO x e mi s s i o n a n d me c h a n i s m o f f o r ma t i o n f o r Be i l u n P o w e r P l a n t 6 0 0 MW b o i l e r w e r e s t u d i e d，a n d t h e p r e s e n t a s w e l l a s t h e l a t e s t d e v e l o p me n t o f N O x r e d u c t i o n t e c h n o l o g i e s f o r t h e t h e r ma l p o we r p l a n t s we r e i n t r o d u c e d a n d e v a l u a t e d．S o me h i g h e ff i e i e n e y an d e c o n o mi c N r e ． d u c t i o n t e c h n o l o gi e s w e r e p r e s e n t e d f o r l arg e t h e r ma l p o w e r p l ant s ． Ke y Wo r d s NO x e mi s s i o n；c o mb u s t i o n c o n t r o l ；l o w - N0 x b u r n e r s ；e v a ] u a t i o n 中图分 类号 T K 2 2 7 ． 1 文献标识码 A 文章 编号 l 0 0 7一l 8 8 l 2 0 0 4 0 50 0 0 40 5 N 0 【 污 染 物 主 要来 源 于 化 石 燃 料 的燃 烧 ，其 中近 7 0 ％来 自于煤炭的直接燃烧 ，1 9 9 9年我国氮 氧化物的排放量约为 9 1 0万 t ，目前我国 N 0 【 排放 量 已接 近 1 6 0 0万 t 。随 能 源 消 耗 量 不 断增 长 ， N 0 【 排放 量 也将 持 续增 加 。预计 到 2 0 1 0年 ，我 国 的 N 排 放 量将 达 到 2 1 9 4万 t 。1 9 9 5年 全 国 由于 N 0 【 和 S O 排放造 成的经济损失达 1 1 0 0亿元 以 上 ，接近于当年国民生产总值的 2 ％，由于大气 的 氧化性 ，N 0 【 在大气 中可形成硝酸和细颗粒硝酸 盐 ，同硫酸 和细颗 粒硫酸 盐一起发 生远距 离输 送 ，从而加速 了区域性酸雨的形成 。N 0 【 对酸雨 的影响呈逐年上升之势 ，降水中N O ； ／ s 0 一 比值在 全国范围内逐渐增加。专家预测，随着我国对 S O 排放控制的加强 ，N 0 【 对酸雨 的影响将逐步赶上 或超过 S O 。 燃煤电厂是煤炭燃烧的大户 ，也是 N 0 【 生成 的主要贡献者 。笔者在 国内外研究者的基础上 ， 对北仑电厂锅炉燃烧 N 0 【 生成机理和治理技术进 行研究 和探讨 。 1 N 排放特性试验 试验 主要通过对锅炉负荷 、省煤器出口氧量 及 过燃 风 O A P ／ S A P开 度 3个 方 面 的调整 ，对 N 0 【 排 放进 行 测试 ，以找 出 N 0 【 排放 规 律 。另外 对 锅 炉燃烧器 区域的温度了进行 了测试 ，以寻求 N O x 排放偏高的原因。有关的 N 0 【 排放数据见表 1 ， 燃烧 器 区域 温度见表 2 。 从表 中数据 可 以看 出 ，N x排 放值 基 本在 4 0 0～5 0 0 m g ／ L之间 ，燃烧器 区域温度基本上在 1 3 o 0 c C 以上。过量空气系数与 N 0 【 排放值的关系 见 图 1 。 由图可以看 出，随着烟囱内烟气含氧量的增 加 ，排烟氮氧化物的生成量也呈增加趋势 ，烟囱 氧量从 5 ％增加 到 6 ． 7 ％，排烟 中的 N 0 【 浓度从 3 8 0 m g ／ L增 加到 5 0 7 m g ／ L 。 由此 可 以看 出 ，通过 降低氧量 ，可以减少氮氧化物 的生成量 ，但变化 的幅度不能太大 ，否则会造成燃烧不完全 ，飞灰 可燃物增加 ，锅炉效率下降 ，更为严重的是将使 维普资讯 2 0 0 4 年 第5 期 电力 5 炉膛 结渣 的趋 势增加 。 表 1 不 同工 况下 锅 炉 N 排 放 数据 工 况 1 工 况2 工 况3 工 况4 工 况5 工 况6 测 试项 目 7 0 ％负荷 7 0 ％负荷 8 0 ％负荷 7 0 ％负荷 9 0 ％负荷 5 0 ％负荷 除 尘 器 后 空 预 器 后 ／％ 5． 9 5． 1 c 0／ g‘L 21 6～ 4． 8 NO／ mg ‘L～4 3 3． 4 ． N h／ mg‘L一 2 4． 5 N Q c ／ m g’L ～4 5 8 ． 5 s ／ g‘ 3 5 6 3 9 8． 7 烟 囱7 0 m处 ／％ 5． 9 C O／ mg‘L～4 5． 7 NO／ mg ‘L 4 4 7 N ／ mg‘L～ 2 2． 7 N 0 5c ／ m g’ L‘ 。4 7 0 ． 2 S O, ／ mg ‘L～ 3 6 6． 9 4． 8 4 7． 3 4 7 6． 7 3 9． 9 51 6． 3 4． 9 2 3 7． 4 4 6 O． 4 2 5． 9 4 8 5． 2 3 7 2． 1 5． 3 1 0 8． 8 4 6 3． 3 3 9． 3 5 0 2． 7 5． 6 5． 3 5 1 3 5 1 2 8． 6 4 0 8 4 6 0 1 8． 5 3 O． 2 4 2 6． 4 4 9 0． 1 3 2 6． 8 3 9 5． 6 注 试 验数 据 已折 合 为 6 ％含 氧量 表 2 5号 炉燃 烧 器 区域 温度 测量 结 果 ℃ 工况 1 工 况2 工 况3 工况4 工况5 工 况6 7 0 ％负荷 1 0 0 ％负荷8 0 ％负荷 7 0 ％负荷 9 0 ％负荷 5 0 ％负荷 -26 0 0 4 0 o 5 0 0 ． 3 0 0 萎 0 0 0 O 5 2 5 -3 5 ．4 5 5 5 ． 7 5 8 5 9 6 0 6 ． 3 64 6 5 6 6 6 ． 7 烟 囱处氧量 0 ／ ％ ◆ _ ．NO ／ mg ‘ L。 。 ■一 NO／ mg ‘ L 图 l 过剩氧量与 N 0 】【 排放值之间的关系 2 北 仑 电厂 排 烟 中 N 含 量 较 高 的 原 因分 析 1 北 仑 电厂 3～5号 锅 炉 燃 烧 器 在 布 置 上 有 明显缺陷，主要是单只燃烧器热功率偏大 相当于 同类产品扬州电厂 1 、2 号炉和北仑 电厂 2 号炉的 1 ． 5 倍 ，燃烧器层间距偏小 ，导致燃烧器区域壁 面热强度偏高 2 ． 0 2 M W／ m 3 ，是扬州 电厂 1 、2 号 炉和北仑 电厂 2号炉的 1 ． 2 倍 。这样不仅造成较 严重的炉 内结渣现象 ，同时也使燃烧器 区域火焰 温度偏高。研究结果指出 1 3 0 0 C 是 N 0 生成量 变化的转折点，当温度高于 1 3 0 0 C，且氧气供应 充 足 a1 的条 件下 ，N 0 的 生成 量将 快速 增 大。而实际测试结果 见图 2 表明，北仑电厂的 5 台锅炉燃烧器区域 的温度平均超过 1 3 0 0 ℃ 图中 为 5号 炉 的结 果 ，而且 由于 燃烬 风 比例 过 小 小 于 1 0 ％ ，因此，燃烧器区域的过量空气系统数可 能大于 1 而呈氧化性气氛 ，这恰好满足以上 的条 件 ，故导致烟气 中 N 0 含量升高。 ＼ I AP ．1 F L十 3 8 1 0 0 ⋯0 rr 1 r ⋯ ⋯ 3 4 -7 0 0 ⋯ 一 一 l 4 2 6 rf 1 ⋯ ⋯ F E 十 弓 0 6 “ ⋯ 一 箅 l 3 9 7 T _＼⋯ 一 F L - 2 7 - 7 - 0 ⋯ 1 ＼ ／ 一 N燃 烧 器 ／ 图 2 5号炉满负荷工况燃烧器区域温度 2 由于燃烧器一次风喷 口过分后缩 ，使煤粉 与二次风的混合提前 ，使得燃烧器喷 口附近的氧 气含量很 大，这种情况恰好有利于 N 0 的生成 ， 造成 N 0 较大幅度的升高。 3 北仑电厂所采用 的燃烧器 由于二次风混合 过早 ，故本身的降低 N O x功能减弱 ，而燃烬风量 只占总风量的不足 1 0 ％ ，对抑制 N o 的生成起不 到太 大作 用 。因此 ，所选 用 的燃 烧器 虽名 为低 N 0 燃烧器 ，但事实上 N 0 的降低效果 已经 大打 折扣 。 综上所述 ，导致北仑 电厂二期锅炉 N 0 排放 浓度超标 的根本原 因在于炉膛燃烧器 区域的氧化 性气氛条件及炉膛温度的综合影响。 维普资讯 6 江 电力 2 0 0 4 年 第5 期 3 燃料来源 、种类及元素分析 北仑发 电厂设计燃用煤种为晋北烟煤 ，二期 机组 投运后 主要 燃用 和试烧 的煤 种 有平 朔 混煤 、 大同优混煤、大同末煤 在秦皇岛港 口配制 、富 兴 煤 由大 同 、平朔 等地 的煤 在秦 皇 岛港 口配 制 、神华混煤 神府东胜煤 田产煤和山西河东煤 田产煤配制 ，表 3是 北仑发 电厂煤质分 析数据 。 表 3 北 仑 电厂 二 期煤 质分 析 从表 中数据可 以看出 1 北仑电厂实际燃用的煤种与设计煤种性能 总体较接近。 2 近期燃用燃 料的含氮量基本与设计值 相 仿 ，略有微小增加。 运行实际监测 和有关试验结果均表 明，在以 上煤种各种成分的变更范围内 ，N 0 【 排放量基本 维 持在 4 0 0～5 0 0 m g ／ L ，变化 不大 。 4 脱硝 技术方案研究 4 ． 1 脱硝技 术方 案评 判 北仑 电厂属 于 已运 行大 型 电厂 ，成 熟 的脱 硝 工 艺 应是 首 要考 虑 的 因素 。 目前在 世 界上 各 国应 用最广泛和最成熟的技术主要有 S C R法 、天然气 再燃法 、超细煤粉再燃法、低 N 0 【 燃烧器 、燃烧 优化调整 含空气分级燃烧 等 5 种方法。这些方 法 各有 优 缺点 ，本 节 采用 模糊 评 判 法对 这 些 方法 进行初步的综合评判 ，以期为北仑电厂脱硝方案 的最终 选择提供依 据 。评判结 果如表 4 。 用模糊评判法进行评判 ，计算结果按得分排 表 4 模糊评判表 序为 E 、D 、c 、B 、A 。即燃烧优化调整 含空 气分级燃 烧 ，低 N 0 【 燃烧 器 ，超 细煤粉再燃 ，天 然气再燃 ，选择性催化还原法 S C R 。 以上结果没有考虑 N o 【 排放标准的要求 ，目 前我国对 1 9 9 7年以前投产的燃煤电厂尚未颁布排 放标准 北仑电厂即属此类 ，1 9 9 7 年以后的电厂 排 放标 准 为 6 5 0 m g ／ N m 。 ，国家下 发 的新 的 “ 燃 煤 电厂污染排放标准征求意见稿” 中，要求 “ 第三 时段”的排放标准为 4 0 0 m g ／ N m 3 。从 2 0 0 4年 7 月 1日起 ，国家 将对 N 0 【 排放 实行 总 量收 费制度 0 ． 6 3 元／ k g N O x 。北仑电厂 N 0 【 排放平均浓度为 8 0 0～1 0 0 0 m g ／ N m 3 左右 ，N 0 【 排放值每年近 7万 t ，则 年 排污 费 为 4 4 1 0万 元左 右 。 因此 虽 然 新标 准的要求无法得知 ，但从总量收费的角度看 ，北 仑电厂在选择脱硝设备时脱硝率不易太低 ，否则 会使总体经济性变差。 4 ． 2方案的比较 各种方法的费用情况及脱硝率见表 5 ，本表中 的数据均取 自前述内容的表 4 。 采用净现值法和年费用法进行简化评价。评 价对象为低 N 0 【 燃烧器、超细煤粉再燃 、天然气 再燃 、S C R法 4 种 由于燃烧调整法对北仑电厂明 显不适 用 ，故不再 评价 。 1 净 现值法评 价结果 以 3号炉 为计算对 维普资讯 2 0 0 4 年 第5 期 江 迤 力 7 象 。评判结果 方案 1 低 N O x 燃烧器 的净现值 最大 ，方案 3 超细煤粉再燃 的净现值次之 ，而 其余两个方案的净现值都很小。 2 等 额年 费用法 比较 。该方 法 的基本思 想是 将一个系统整个寿命期 的现金流量 ，利用适 当的 因子转换为等额 的年费用 ，再按 年费用进行评价 或 比较 ，年 费用 较低 者 为 可取 方 案 。有 关 基 础 数 据 和结果见 表 7 。 表 5各种 方 法 的费 用及 脱硝 率 一览 表 表 6 净现 值 法评 价 表 1 按 O ． 6 3元／ k g收 费的 净现 值 总 投资 费用／ 万 元 运行费 用／ 万元 ‘ y 脱 硝率 ／ ％ N 排 放量 l d／ k g Y 省排污 费／ 7 5 元 ‘ Y 计 算年 限／ y 到期后 设备残 值 贴 现率 ／ ％ 其 它收 益／ 万元 Y 净 现值 -Ⅳ， P ，V ／ 万 元 不 考虑 其它收 益净 现值／ 万元 3 6 o o 2 l o o 5 0 4 71 ． 4 5 2 O O l O N 8 8． 5l N L 7 45 9 1 7 4 5 9 9 6 0 0 1 5 9 6 o 6 0 3 O o 0 4 2 o o 5 5 l 4 9 6 6． 8 5 6 5． 7 5 5 1 8． 6 0 2 O 2 O 0 0 l O l O N N 8． 5 l N 一 1 4 0 6 0 5 8． 5 L N 一 3 4 3 2 9 1 4 0 6 0 5 3 4 3 2 9 2 l 0 0 0 年 运行 以7 0 0 0 h 计平 均值 8 0 7 5 4． 3 3 2 O 0 l O N 8 5l N 一 2 0 8 2 9 L 由于 比较 各 方 案 的相 对值 故不 计算 残值 含 社 会效 益 转化 来 的经 济效 益 及其 它附 加效益 2 0 8 2 9 1 假 设 除节 省 排 污费 外无 任 何 经 济效 益 目．从 结 ．田 要 苎 5结 论 最 小 ，方案 3的等额年费用次之 ，其余两种方案 ～ 的等额年费用都较大。 通过 以上各部分的分析论证 ，得出如下初步 维普资讯 8 电力 2 0 0 4 年 第5 期 结 论 1 在 所列 5种 脱硝 技术 中 ，燃烧 调 整法 明显 不适用 于北仑 电厂 ；而 S C R法由于其初投资和运 行 费用都 很高 ，但其脱 硝效率最 高 ，在 国家对 N x排放要求 日益严格的情况下 ，该法今后还是 有其优势 ；天然气再燃法技术本身是可行的 ，但 由于北仑 电厂在以往的锅炉改造中已将燃烧器整 体上移了 3 ． 5 m，因此 ，再燃空间很小 ，对天然气 的燃 尽 可能 产 生较 大 影 响 ，因此 ，针 对 北仑 电厂 实际 ，该 法 在 技术 上 不 可行 ，而且投 资 和运 行 费 用都相当高 ，同时资源保 障也是 困难之一 ，因此 不 建议 采 用 。超 细 粉 再燃 的脱硝方 案 ， 由于 同样 存 在上 述 问 题 ，技 术上 实现 难度较 大 ，也不 建议 采用 。 2 低 N x燃烧器法是经济性最好的方法 ，技 术也比较成熟 ，推荐采用低 N x 燃烧器配合燃烬 风 进 行 脱 硝 的 方 案 ，可 使 脱 硝率 达 到 6 0 ％ ～ 7 0 ％，有望 使 N x排放值 控制在 5 0 0 m g ／ N m 3 以 下 。但 实 施 该方 案 时 ，由于 二期锅 炉 原燃 烧 器标 高 间距 偏 小 ，为充 分 发 挥低 N x燃 烧 器 的作 用 ， 应适当加大间距 ，这将使一次风和二次风的部分 管 道 需 进 行 相 应 的 改 动 ；同 时 还 应 对 炉 膛 水 冷 a { 壁 、过热器等受热面重新进行热力计算和锅炉有 关结构部件的强度校核计算。总之 ，还要作进一 步的技术经济可行性分析研究 。 3 如果国家今后出台的大机组排放标准低于 4 0 0 m g ／ N m 3 或 更低 ，则 需要 选择 S C R法 或 者新 开 发出的其它高效低费用脱硝技术。 参考 文献 [ 1 ] 毛健雄 ． 煤的清洁燃烧 [ M] ． 北京 ；科学 出版社 ， 1 9 9 8 ． [ 2 ] 国家热 工研究 院 ． 浙江北仑 发 电厂二期锅 炉煤种适 应性 研究 [ R] ． 2 0 0 1 ． [ 3 ] 李戈 ． 超细煤粉再燃机理及 细粉分离技 术研究 [ R] ． 浙江 大学博士论文 ，2 0 0 3 ． [ 4 ] 毕玉 森 ． 低氮 氧化 物 燃烧 技 术 的 发展 状 况 [ J ] ． 热 力发 电 ，2 0 0 0 ， 2 2 9 ． [ 5 ] 叶铭 ． 低 N 燃烧器 在燃煤 电站锅炉 中的应 用前景 [ J ] ． 能源研究与信息 ， 2 0 0 1 ． 收稿 日期 2 0 0 4 0 7 0 9 作者 简 介 桑如 波 1 9 5 7一 ，女 ，浙 江 慈 溪 人 ， 高级 工 程 师 ，硕 士 ，从事 电厂热动 工程技 术 的研 究和 电力生产 管理工 作 。 - 电力信 息 我国电网建设将进入新阶段 随着经济发展和西部大开发战略的实施 ，我国电力需 求快速增长 ，电力建设力度不断加强 ，电网建设将进入全 面推进西 电东送 、南北互供和全 国联网 ，实现更大范 围资 源优 化配 置 的新阶 段 。 有关专家提出，在提高供 电量的同时，我 国应适度超 前 建设 电网 ，使 其具 有 足 够 的输配 电 能力 。2 0 0 3 年 9月 l 9 日，青海官亭至甘肃兰州东 7 5 0 k V输变电示范工程正式开 工 ，标志 着我 国电网建设 进 入一 个新 阶段 。 随着山东与华北 电网联网和华中与西北 电网直流 “ 背 靠背”联网工程的实施 ，2 0 0 5年将初步形成全 国范围的互 联电网，系统装机容量超过 3 ． 7亿 k W。国家将继续加强和 完善区域主干网架和各省受端 网架建设 ，促进省级电网、 区域电网和全国联合 电网同步发展。 专家们提 出 ，当前统一规划 中十分重要 的一点就是要 尽快提出全 国电网 2 O 1 0 、2 0 2 0年 的发展 目标 ，研究确定 同 步电网的合理容量和 区域电网之间合理的联网方式 ，这样 可 以 使 中长期 的建 设 目标 与 目前 的建 设 任务 很 好 地统 一 起 来 ，避 免重复 建设 。 专家们建议，在跨大区联网中优先采用超高压直流或直 流 “ 背靠背”的联网方式 ，有计划地解决部分电网中 5 0 0 k v和 2 2 0 k V电磁环网问题 ，尽快调整 、加固电网结构 ，切 实增加电网的输电容量 、提高电网的稳定水平。 在电网建设资金方面，南方 电网公司专家认为，电网的 建设和技术改造需要足够的资金 ，使电网的发展水平满足国 民经济发展的需要。我国过去多年的做法是 “ 重发轻供不管 用”，电网方面欠账较多 ，特别是城市电网的改造，取消贴 费后实际上无资金来源。电网设备的折旧年限全国一刀切， 难 以适应各地 电网建设的需要。电力体制改革后尚未形成科 学合理的电价形成机制。就此 ，专家认为 ，国家有必要建立 一 个合理的输配电价格机制。 在加强电网建设的同时，有关专家认为，电网供电方面 要建立供电合 同诚信制度的监督机制 ，签订的供电合 同必须 履行 。 维普资讯