660MW机组锅炉NOx排放超标问题分析及优化措施

近年来，广东省珠江三角洲地区的火电厂通过添加或改造脱硝技术达到了“超低排放”的指标要求。“超低排放”出自《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223—2011），燃煤电厂排放烟气中的二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）和烟尘浓度必须达到或低于本标准中规定的天然气燃气机组的大气污染物排放限值。单位排放限值，即在参考氧含量6%的情况下，烟气中粉尘、SO2和NOx的含量分别低于5mg/m3、35mg/m3和50mg/m3。
1机组情况概述
燃煤电厂660MW机组锅炉采用亚临界压力、一次中间再加热，强制循环汽包炉，单炉Π型布置。过热蒸汽采用一级喷水调节汽温，再热蒸汽温度采用燃烧器摆角和一级喷水调节。锅炉采用膜式水冷壁，其最大连续蒸发量为2100t/h。燃料燃烧系统为正压直吹式，配备6套HP983中速碗式磨煤机，由下至上为A、B、C、D、E、F，设计给煤机给煤率为53t/h，正常情况下5台制粉系统即可满足BMCR运行要求。燃烧方式为四角双切圆，燃烧器布置在锅炉四角。
2锅炉脱硝系统采用的工艺
低氮燃烧引入了垂直空气分级技术：分离燃尽风（SOFA）喷嘴添加到主燃烧区的上部，且一部分二次空气与主燃烧区分离并通过上部SOFA喷嘴送到炉子。SOFA风共有8个喷口，即锅炉两侧各4个，从主燃烧区分离出一部分二次风后使炉内主燃烧区处于一个整体欠氧的状态，形成还原气氛，抑制燃料氮转化为NO，并且由于总体欠氧化而降低了主燃烧区中烟道气的温度，避免了生成过多的热力型NOx。然后将分离的二次空气补充到炉子主燃烧区上部的SOFA喷口中，以确保燃料燃烧。低氮燃烧可有效降低锅炉的NOx排放浓度。
根据锅炉后部的烟气流动模式设置选择性催化还原（SCR）脱硝工艺，并设置单炉双SCR结构。SCR反应器布置在锅炉尾部烟道省煤器出口和空气预热器之间。脱硝系统设备处理100%烟气量，脱硝反应器与还原剂供应系统按照脱硝效率80%设计。脱硝还原剂采用液氨，锅炉氨区供氨系统集中布置，经氨气蒸发器后由一条供氨母管送至锅炉区域，和稀释风机打出的空气混合喷入SCR反应器中。
3脱硝氨控制系统和SOFA调节挡板控制
图1显示了脱硝系统A和B两侧氨控制阀的自动控制逻辑。取入口O2含量和入口NOx含量作为主控制器的前馈信号，出口O2含量和出口NOx含量作为反馈信号一起供给主控制器，给出氨流量调节阀的开度，以调节注入炉内的喷氨量。

图1脱硝氨系统的调整原理
图2调节挡板（SOFA）与锅炉各负荷之间的基本关系
图2给出的是日常运行中，在保证脱硝SCR入口NOx含量小于350mg/m3的条件下，分体式燃尽挡板（SOFA）开口与锅炉负荷之间的基本关系。由于SOFA风被带到锅炉的二次风管道，一部分风量以牺牲辅助风的速度送到燃尽区域，以实现低氮燃烧，因此，为了保证锅炉主燃料区安全燃烧，目前8个SOFA风门调节挡板仍放在手动调节模式，操作员在负荷变化时应根据此曲线及时调整SOFA调节挡板开度，保证低氮燃烧。
4存在的问题
负荷频繁、大幅度（200～660MW）变化，CCS自动控制锅炉总风量、燃料量、氧量均随负荷变化而大幅度变化，导致喷氨系统进出口氧量、NOx含量变化幅度很大，由于喷氨调节响应时间约为3min，故调节滞后严重，锅炉出口NOx频繁超标。另外，由于调节滞后，导致经常性出现喷氨过量的情况，氨逃逸率增加，加剧了对SCR之后的烟气系统如空气预热器、电袋除尘器等低温区域的腐蚀。另外，会形成硫酸氢铵等黏稠物质吸附在烟气通道表面，增大空气预热器、电袋除尘器前后压差，导致机组引风机负担增大，动叶开度过大，当动叶开度大于90%时，引风机容易失速、喘振，为保证安全运行需限制负荷上限，降低了经济性。
5优化措施
5.1氧量调整
图3所示为氧气设定值和负荷关系曲线，当机组负荷变化时，氧气设置会根据曲线自动调整到设定值。而氧量值与过量空气系数直接相关，随着过量空气系数的增加，锅炉的总NOx生成量增加。由于氧量控制参与送风机动叶调节，在快速降负荷时，一方面，为保证送风机安全运行，其动叶开度大于10%时，氧气控制应及时切手动，设定值应根据曲线设高；另一方面，当送风机动叶开度足够、总风量满足时，应尽量将氧量设定值设低，降低锅炉过量空气系数，减少锅炉NOx生成。另外，当机组快速升负荷时，应及时将氧量控制投回CASC，以防止氧量过剩。
5.2降低主燃烧区高度
降低主燃烧区的高度可以有效地减少NOx的产生。当机组减负荷时，各制粉系统给煤率逐渐降低。当需要执行减少制粉系统的操作时，优先停止上层制粉系统，保留下层制粉系统运行。另外，通过对给煤机设定偏差，可以降低上层制粉系统的给煤量，同时提高下层制粉系统的给煤量。另外，在保证主、再热蒸汽参数正常的情况下，尽量将燃烧器摆角向下摆，可有效降低燃烧中心高度，对减少NOx生成有一定效果。
5.3调整SOFA调节挡板开度
当锅炉NOx超标时，在确保锅炉辅助风量的情况下应尽可能地将SOFA调节挡板的开度调大，增加SOFA的空气量，减少主燃烧区的空气过剩率。粉煤燃烧不足，炉内的平均温度降低，并形成还原气氛，延迟粉煤的燃烧，有利于抑制产生NOx的氧化反应和减少产生的NOx，因此可以达到减少NOx排放浓度的效果。在实际运行操作中，减少NOx的生成可以降低锅炉消耗的喷氨量，降低脱硝系统的运行成本。
5.4喷氨系统切手动
根据锅炉进出口NOx含量的曲线变化趋势，当发现NOx含量曲线呈明显上升趋势时，预先手动控制氨喷射控制阀以增加喷射的氨量，可以防止NOx排放超过标准。但为了防止喷氨过量，应时刻关注曲线变化，当NOx含量曲线呈明显降低趋势时，应及时减少喷氨量，投回自动控制。
5.5SCR催化剂运行管理优化
在满足NOx排放浓度不超标的前提下，应该加强对催化剂状态的监控和调整，最大程度地延长催化剂寿命，优化催化剂再生和更换方案，以减少还原剂液氨的消耗，并尽量避免对下游热交换设备（如空气预热器）等产生不利影响。SCR反应器催化剂的工作温度严格控制在280～400℃之间，以确保催化剂的活性。声波吹灰器保持24h不间断运行，当SCR进出口压差偏高时，蒸汽吹灰器的吹灰频率应适当增加。每次启动蒸汽吹灰时，应暖管充分，保证入炉的蒸汽是无水状态；吹灰压力应控制在500～800kPa（5～8bar），保护催化剂不受损坏。
5.6煤粉调整
提高每个磨煤机煤粉的出口温度，相应提高煤粉的点火温度，有利于煤粉的充分燃烧；提高煤粉的细度，使粉煤与空气充分接触，降低点火高度，抑制热NOx的产生。另外，实行多煤种掺烧可有效减少NOx的生成。
6结语
通过一系列的优化调整，在机组负荷大幅度调频变动时，有效地控制了锅炉出口NOx排放量，在保证机组安全运行的同时，确保了锅炉NOx排放不超标。