论文总字数：26872字

摘 要

本文的主要目标是针对1台1000 MW超超临界机组NOx排放的优化控制，基于锅炉机组运行的DCS历史数据，对锅炉NOx排放特性和SCR烟气脱硝系统的运行性能进行分析，在此基础上对SCR系统的脱硝成本进行了分析和比较。对锅炉NOx排放特性的研究通过分析主要运行参数对锅炉NOx排放的影响，表明机组负荷处于较低水平时，锅炉NOx排放量较大。炉膛内氧量增长使得锅炉NOx排放量增加，应根据实际情况分别考虑NOx排放、热损失、高温腐蚀等因素来选择合适的氧量。选择合适的一二次风配比，达到实现良好的燃烧效果。对于SCR系统脱硝效率方面，注氨量增加能够有效降低NOx的排放量。并且系统入口NOx浓度增加，造成脱硝效率下降。对于SCR系统脱硝的经济性来说，注氨量过高会大幅增加脱硝成本。系统入口NOx浓度过高，也会增加脱硝成本。

关键词：超超临界机组，氮氧化物，优化控制

A study on optimization of 

ultra-supercritical pressure unit NOx emissions

Abstract

This article is written to find out the way of optimize the method of operation to reduce the NOx emissions. According to the DCS data of a 1000MW thermal power plan, I analyze the operating performance of the boiler’s NOx emissions and SCR system. In addition, I analyze the cost of SCR system’s denitration.

Through analyzing the main operation parameter’s effect of the NOx emissions, I disscuss the features of the boiler’s NOx emissions. I find out that when power plant work in low load, the amount of the NOx emissions are in a high level. What’s more, if the amount of oxygen get raise, the amount of the NOx emissions also get raise. But the amount of oxygen influence a lot, such as the thermal losses, the corrosive characteristics and the NOx emissions. Consider all the influence factors and then I confirm the amount of oxygen. In addition, choosing the suitable raito between the primary air and the second air can achieve a wonder combustion result.

To the effect of the SCR system’s denitration, improving the amount of ammonia consumption can reduce the amount of the NOx emissions. If the amount of NOx in the SCR system’s entrance raise, the efficiency of SCR system will reduce.

To the economical efficiency of SCR system, the higher ammonia consumption and more NOx of the SCR system’s entrance mean high cost of SCR system.

Keywords: 1000MW thermal power plant; NOx; Optimization of operation

目 录

摘要……………………………………………………………………………………….…..…… I

Abstract………………………………………………………………………………………….... II

第一章 绪论 3

1.1 研究背景 3

1.2 NOx排放控制技术应用现状 4

1.2.1 低NOx燃烧技术 5

1.2.2 SCR烟气脱硝技术 6

1.2.3 实际应用 7

1.3 发展前景 7

1.4 论文课题的目的和研究内容 8

1.5 小结 8

第二章 1000 MW锅炉机组燃烧NOx排放特性的分析 9

2.0 引言 9

2.1 设备概况 9

2.1.1 锅炉设备 9

2.1.2 锅炉低NOx燃烧系统 10

2.1.3 设计和运行煤质特质 11

2.2 锅炉机组运行历史数据的采集和分析 14

2.3 锅炉燃烧NOx排放特性的分析 14

2.3.1 机组运行负荷的影响 14

2.3.2 给煤机给煤量的影响 15

2.3.3 燃烧氧量的影响 16

2.3.4 紧凑燃尽风（CCOFA）的影响 17

2.3.5 分离燃尽风（SOFA）的影响 18

2.3.6 燃烧器二次风门开度的影响 21

2.4 小结 24

第三章 SCR系统脱硝运行性能的分析 25

3.0 引言 25

3.1 设备概况 25

3.2 SCR系统脱硝技术 25

3.2.1 SCR系统的工作原理 25

3.2.2 SCR系统的布置方式 27

3.2.3 SCR系统的工艺流程 27

3.3 SCR系统的运行性能及其影响因素 28

3.3.1 SCR系统入口NOx浓度对出口NOx浓度的影响 28

3.3.2 SCR系统入口温度对出口NOx浓度的影响 28

3.3.3 还原剂对出口NOx浓度的影响 29

3.4 小结 30

第四章 SCR系统运行经济性的分析 31

4.0 引言 31

4.1 SCR脱硝成本计算原则 31

4.2 SCR脱硝成本构成与分析 31

4.3 SCR脱硝成本经济性分析 33

4.3.1 注氨量对于经济性的影响 33

4.3.2 SCR系统入口NOx浓度对于经济性的影响 35

4.4 小结 35

第五章 总结 37

致谢 39

参考文献 40

第一章 绪论

1.1 研究背景

火力发电指利用煤炭、石油、天然气等固体、液体、气体燃料燃烧时产生的热能，来加热水，使水高温气化产生高压水蒸气，然后再由水蒸气作为动力而发电的一种发电方式^[14]。火力发电作为应用时间长、各项技术成熟可靠的发电方式，在发电行业中仍占有重要的地位。

火力发电在经过了长时间的考验后依然能够在实际生产中具有强大的竞争力，这与火力发电具有成熟的工艺息息相关。相对于其他发电方式来说，火力发电依然有着其独特的优势，使其依然能够活跃于当下的发电行业。与风力发电和水力发电相比，一方面火力发电选址更为灵活，能够针对寻求进行建造。另一方面火力发电机组受气候环境的影响较小，持续供电能力强且供电质量高，只要能够保证煤量的持续性供给，火电站就能够满足基本供电要求。另外同核发电相比，火电厂所需的初期投资较低，占地面积较小，建筑周期较短。火力发电在发电的同时，也可以兼顾到周边地区的供暖供热。

与此同时，火力发电的劣势同样明显。首先，火力发电对于燃煤的利用率较低，发电效率仅能达到30-40%，导致能源浪费现象严重。其次，护理维修难度较大，火电机组一旦发生故障，就需要进行停机维修。最后也是最为严峻的一点，就是环境污染问题。火力发电会带来三大污染：粉尘污染、硫化物污染以及氮氧化物的污染。对于粉尘污染，火力发电企业主要采用电除尘、布袋除尘等方法进行抑制。对于硫化物污染，火力发电企业普遍采用燃烧前脱硫、燃烧中脱硫以及燃烧后脱硫的方法进行脱硫，具体方法有化学方法、物理方法、生物方法、洗煤方法、电子束法等方法。而氮氧化物的污染是目前最受关注问题之一，也是本文重点介绍的问题。对于氮氧化物的污染，现代火电企业一般采用低NOx燃烧装置和烟气脱硝装置进行控制。

氮氧化物（NOx）已经成为了现在大气污染问题的最主要的污染源之一。而氮氧化物的产生大致可以认为有两种：自然产生以及人为原因。自然生成的氮氧化物大多来自雷电、臭氧以及细菌作用，本身的量比较小，不是大气污染的主要来源。而大部分氮氧化物有人为原因造成的，这种NOx的产生主要来自化石燃料的燃烧、化工企业的排放。除了火力发电之外，钢铁业、化工业、汽车尾气等都是氮氧化物排放的主要来源。

近年来，在国家的宏观控制以及各单位的积极响应下，总颗粒物排放量以及硫化物的排放量能够基本控制，但是随着能源消费的增加（火力发电）以及机动车普遍率增加，使得氮氧化物的排放量一直居高不下并且持续增长，已经严重影响到了人民正常的生活以及身体健康。

通常所说， NOx是NO、NO₂两种氮氧化物的统称，其余氮氧化物还包括N₂O、N₂O₃、N₂O₄、N₂O₅等。最为主要的是NO、NO₂、N₂O。这些氮氧化物具有很大的危害，首当其冲的是氮氧化物具有很强的毒性，对人体及动物具有致毒作用，对植物也具有损害作用。NO同血红蛋白具有极强的亲和力，进入人体会将血红蛋白中的氧驱赶出来，并然后与血红蛋白结合，长时间会引起支气管炎、肺气肿，严重甚至会引起肺癌^[18]。而且氮氧化物是形成酸雨、酸雾的罪魁祸首之一，氮氧化物进入大气与空气中的水混合产生反应生成硝酸以及亚硝酸，随雨水降至地面，会引起建筑腐蚀、植物死亡。并且NOx是形成光化学烟雾的诱因，这种现象容易引发眼睛红肿、咳嗽、皮肤潮红等症状，严重者心肺衰竭。与此同时，NOx过多会造成臭氧层的破坏以及温室效应的加剧，进而影响人类的生存环境。

众所周知，火力发电行业是氮氧化物排放的重点对象。在当下以及未来相当长的一段时间内，火力发电在我国电力生产行业中依然占有主要地位。所以对于火力发电行业进行NOx排放控制，是一种不仅能够缓解当下环境问题而且能造福后人的行为。

我国对于火电行业氮氧化物的排放有严格的要求。2011年颁布了严格的排放标准——《火电厂大气污染物排放标准》（GB 13223—2011），要求自2014年7月1日起，所有燃煤电厂的氮氧化物排放量不得超过100 mg/m^3[18]。而工业发达的一些东部省份则要求先进火电厂能实现超低排放，如江苏省要求的燃煤火电厂NOx超低排放指标为50 mg/m³。这意味着所有燃煤电厂都需要采用先进的污染物控制技术或采用先进技术对机组进行改造，以适应国家的环保要求。

火电企业对于氮氧化物的控制主要集中于两个方面，即生成量以及排放量。降低生成量的最有效途径就是采用低NOx燃烧器和燃烧系统、优化燃烧条件进行低NOx燃烧，降低锅炉的NOx生成量，而降低排放量的最有效途径则是进行烟气脱硝。

低NOx燃烧技术是通过对燃烧条件的控制和优化进而抑制NOx生成。在各种降低NOx排放的技术中，低NOx燃烧技术应用最为广泛、方法简单、经济有效。目前主要有低过量空气燃烧、空气分级燃烧、燃料分级燃烧以及烟气再循环等方法抑制NOx的生成。

烟气脱硝是采用烟气处理装置使用还原剂将烟气中的NOx还原为无害的氮气。燃煤电厂进行烟气脱硝主要有三种技术：选择性催化还原脱硝法（SCR）、非选择性催化还原脱硝法（SNCR）以及SNCR-SCR联用技术,其中SCR脱硝技术是当前世界上应用最为广泛、脱硝效果最佳的烟气脱硝技术。本文所论文课题研究涉及的机组采用的就是SCR烟气脱硝系统。

1.2 NOx排放控制技术应用现状

自从《火电厂大气污染物排放标准》（GB 13223—2011）颁布以来，我国各个火电企业对各自机组都进行了NOx减排控制的改造，虽然具体的改造方式有各自的特殊性，但是方向性是一致的。

电站机组对于NOx的控制主要体现在两个方面：燃烧控制方式和烟气净化方式。

1.2.1 低NOx燃烧技术

燃烧控制方式就是进行低NOx燃烧，降低NOx的生成量。主要包括过量空气优化、空气分级燃烧、燃料分级燃烧以及烟气再循环等方法。下面将介绍几种应用较为广泛的低NOx燃烧技术。

1. 低氧燃烧技术

减少氧量是能够显著降低NOx的生成，所以控制NOx生成量首先采用的应该是低氧燃烧技术。与此同时，减少氧气浓度能够减少锅炉的排烟热损失，提升锅炉的热效率。但是过低的氧气浓度可能导致燃烧不够完全、锅炉水冷壁结渣和严重高温腐蚀现象的发生。不同锅炉结构配置不尽相同，氧气浓度对于它们的影响也会有所差异，因此应该具体问题具体分析，通过实验确定氧气浓度对于NOx生成量的具体关系，从而实现低NOx燃烧效果。低氧燃烧的关键是精确控制燃烧器的燃料与氧气浓度的比例分配，使得在NOx燃烧生成能得到有效控制的前提下炉膛内的燃烧效果达到最佳。

1. 空气分级燃烧

空气分级燃烧技术是目前应用最为普遍的低NOx燃烧技术。它的基本运行思路就是将燃料燃烧所需的氧气分级提供给燃烧系统。在第一阶段不提供燃烧所需的所有空气的来进行燃烧，能够减少煤粉燃烧区的空气量。煤粉进入炉膛时，就处于缺氧燃烧的情况下，燃料型NOx 的生成量就能得到有效的控制。下一阶段，对煤粉进行了不完全燃烧后的产物提供适当的空气以达到完全燃烧的效果。这种方法能够有效地防止火焰温度过高，明显地控制了热力型NOx 及燃料型NOx 的生成。

1. 燃料分级燃烧

燃料分级燃烧通常采用燃料再燃烧技术，具体思路是将燃烧过程分为三个步骤，分别在主燃烧区、再燃烧区及燃烬区进行燃烧。这种方法的主要的目的是将主燃烧区生成的NOx在再燃烧区还原成氮气以实现降低NOx排放的目的。燃料分级燃烧的具体流程：在主燃烧区喷入80-85%的煤粉，在低过量空气系数的条件下进行燃烧；在再燃烧区喷人剩余15-20%的煤粉，在低氧量的情况下分解为碳氢基元(CmHn)，这时CmHn会与主燃烧区燃烧生成的NOx发生还原反应，将NOx还原为氮气，以降低NOx的生成量。在燃烬区，喷入了燃尽风，保证了未完全燃烧的燃料进一步燃烧并且燃尽。

1. 烟气再循环

烟气再循环的主要目的是为了降低炉内燃烧温度和氧气浓度。流程是将部分烟气回收，并由一次燃烧喷嘴再次吹入炉膛，从而达到减少NOx生成的目的。有研究表明当过量空气系数为1.2，排烟温度为200 ℃时，烟气再循环可以使炉膛温度降低约100 ℃^[15]。由于烟气中的氧气含量较低，能够降低NOx的生成量。尤其是质量流量增大时，火焰温度下降，烟气中的NOx排放量随之降低。

1. 浓淡燃烧

已知NOx生成量同化学当量比相关。具体关系：化学当量比为1时NOx生成量达到最大；空气比lt;1时，由于氧气浓度低，燃烧效果较为缓慢，能够有效控制NOx的产生；当空气比gt;1.5时，因为燃烧温度较低，同样能够有效控制NOx的产生^[15]。因此，交替布置燃料浓度小的燃烧器和燃料浓度大的燃烧器可以实现低NOx燃烧的效果。实现浓淡燃烧普遍使用两种方式：一种是通过调整上下燃烧器喷嘴的燃料与空气的比例来实现，这种方式的好处能够保持总风量不变；另一种是使用宽调节等浓淡燃烧器，通过离心力作用，使煤粉气流在管道转角处自动将煤粉压缩至转交外侧，从而实现浓淡偏差燃烧，以降低NOx生成量。而且煤粉浓度高的区域热容量小会先着火，然后通过辐射作用使得煤粉浓度低的区域着火，这种燃烧方式着火温度，燃料未完全燃烧的情况能够得到改善，具有高效清洁的燃烧效果。

1. 低NOx燃烧器

低NOx燃烧器减低NOx的主要措施是对燃烧器出口附近燃烧区的氧气浓度进行控制，并且减少提供燃烧峰值温度区域内的煤粉量。低NOx燃烧器的工作原理是在燃烧器内部或出口射流时进行空气分级，进而能够控制每一个燃烧器中煤粉与空气的混合，延迟燃烧，火焰行程加长，火焰温度减低，从而减少NOx的生成量。通过燃烧空气的分级配送，煤粉处于缺氧状态，在这种情况下煤粉会进行热解，促使燃烧氮转化为氮气分子。在实际的生产中，将低NOx燃烧器与其他的低NOx燃烧方式结合使用，可以有效降低NOx的排放量。

1.2.2 SCR烟气脱硝技术

现阶段，火力发电行业采用最为主要的烟气脱硝方法有三种：选择性催化还原（SCR）、非选择性催化还原（SNCR）以及SNCR-SCR联合脱硝方法。由于SCR烟气脱硝系统具有脱硝效率优秀、运行可靠、操作便捷等优势，所以SCR烟气脱硝系统是当前使用最为普遍的脱硝系统。

SCR脱硝的流程如下：烟气自锅炉省煤器排出通过烟道进入SCR反应室，通过安装在SCR反应室入口烟道处的氨气喷射栅格（AIG），将氨气和空气的混合气体喷射到SCR 反应室入口烟道中，与烟气中的NOx进行充分混合。在装置中普遍加装烟气导流板，保证混合烟气能垂直托管SCR反应室床层。混合烟气通过催化剂床层时，在催化剂的催化作用下，NH3 与NOx发生氧化还原反应生成氮气和水，进而降低NOx的排放量。

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