近年來，隨著我國霧霾等惡劣天氣的頻發(fā)，火力發(fā)電等重點(diǎn)行業(yè)的污染物排放狀況受到了更多關(guān)注。為此，自2015年以來，我國燃煤電廠逐步開始實(shí)施超低排放改造，改造后其主要污染物(煙塵、SO2和NOx)可達(dá)到國家對(duì)燃?xì)鈾C(jī)組的排放限值要求，部分電廠氮氧化物排放濃度已達(dá)到25mg/m3水平。

眾所周知，由于燃料特性的不同，燃?xì)獍l(fā)電相比燃煤發(fā)電更為清潔高效，但隨著燃煤電廠實(shí)施超低排放改造，燃?xì)怆姀S的環(huán)保優(yōu)勢(shì)受到挑戰(zhàn)。特別是近年來氣電裝機(jī)容量的迅速擴(kuò)充，加之燃?xì)怆姀S主要位于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、環(huán)境敏感區(qū)域，所以其環(huán)保問題已日益凸顯。江蘇省作為沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，燃?xì)獍l(fā)電裝機(jī)容量已接近1000萬kW，預(yù)計(jì)2020年將達(dá)到2000萬kW。同時(shí)，江蘇省10萬kW以上燃煤機(jī)組將全部完成超低排放改造，排放水平將達(dá)到燃?xì)怆姀S環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)要求，省內(nèi)燃?xì)怆姀S環(huán)保優(yōu)勢(shì)已受到挑戰(zhàn)。

隨著江蘇省氣電裝機(jī)容量的擴(kuò)充，燃?xì)獍l(fā)電的污染物排放情況將受到足夠重視，燃?xì)怆姀S應(yīng)積極開展降氮潛力評(píng)估工作，為迎接更高的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)做好技術(shù)儲(chǔ)備。

1江蘇省燃?xì)怆姀S的環(huán)保現(xiàn)狀

截至2016年底，我國燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組總裝機(jī)容量已達(dá)7860萬kW。作為沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的江蘇，近幾年燃?xì)庋b機(jī)容量增長迅速，如圖1所示。

隨著江蘇省燃?xì)獍l(fā)電裝機(jī)容量的遞增，其污染物排放現(xiàn)狀已不容忽視。通過對(duì)江蘇省13座在役燃?xì)廨啓C(jī)電廠和8座在建燃?xì)廨啓C(jī)項(xiàng)目進(jìn)行了環(huán)保現(xiàn)狀調(diào)研，其主要污染物排放水平匯總?cè)绫?所示。目前，江蘇省燃?xì)鈾C(jī)組污染物排放水平均能達(dá)到《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)GB13223-2011》(以下簡稱“國家標(biāo)準(zhǔn)”)，其中需要關(guān)注的主要污染物為氮氧化物。

如表1所示，在未安裝任何脫硫除塵環(huán)保設(shè)施的情況下，SO2和粉塵實(shí)際排放水平均遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的排放限值，也遠(yuǎn)優(yōu)于超低排放燃煤機(jī)組的排放水平;此外，燃?xì)怆姀S運(yùn)行過程中除生活廢水外基本無生產(chǎn)廢水外排，其噪聲通過防噪墻等降噪措施處理后也能達(dá)到國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求;氮氧化物為燃?xì)怆姀S的主要污染物，但排放水平也能達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的排放限值。

役機(jī)組氮氧化物排放水平分布情況存在差異。為了便于研究和預(yù)測(cè)地區(qū)排放限值，圖2分析了江蘇省在役13座電廠近30臺(tái)燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組最近一年的最高氮氧化物小時(shí)排放均值。

機(jī)組的排放數(shù)據(jù)為小時(shí)均值，當(dāng)一年內(nèi)排放最高的20個(gè)數(shù)據(jù)的平均值介于50～40mg/m3，則將該機(jī)組化歸為“50-40檔”;當(dāng)該平均值介于40～30mg/m3，則將該機(jī)組化歸為“40-30檔”;當(dāng)該平均值介于30～20mg/m3，則將該機(jī)組化歸為“30-20檔”。如圖2所示，54%的機(jī)組NOx最高濃度平均數(shù)值在30mg/m3以上。

NOx排放水平分檔規(guī)律因機(jī)組參數(shù)不同而不同。由于燃?xì)廨啓C(jī)透平前溫決定氮氧化物生成速率，F(xiàn)級(jí)機(jī)組透平前溫高于E級(jí)機(jī)組，因此F級(jí)機(jī)組的氮氧化物排放濃度一般會(huì)高于E級(jí)機(jī)組。

目前，江蘇省燃?xì)鈾C(jī)組氮氧化物濃度分檔情況如圖3所示，在低濃度檔位，E級(jí)機(jī)組占比更大，F(xiàn)級(jí)機(jī)組占比更小。SCR預(yù)留和加裝情況存在差異。目前，江蘇省在役機(jī)組只有2座電廠加裝有SCR脫硝系統(tǒng)。

如圖4所示，大部分在役機(jī)組未預(yù)留SCR安裝位置;而所有在建機(jī)組全部預(yù)留了SCR安裝位置(其中1座電廠已安裝SCR)，但部分機(jī)組預(yù)留空間偏小。從裝機(jī)容量角度考慮，江蘇省在役機(jī)組中約有598萬kW未預(yù)留SCR脫硝位置，約占總裝機(jī)容量的60%。

因此，在研究脫硝技術(shù)路線時(shí)，大部分在役機(jī)組由于無法加裝SCR，能采用的脫硝技術(shù)明顯有別于在建機(jī)組。同時(shí)，燃?xì)怆姀S環(huán)保裝置存在較大優(yōu)化空間。

江蘇省燃?xì)廨啓C(jī)電廠燃燒器均采用低氮燃燒器，由于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒特性，電廠在啟動(dòng)階段有短時(shí)間NOx超標(biāo)情況，部分電廠啟動(dòng)階段有黃煙現(xiàn)象。調(diào)研的燃?xì)怆姀S環(huán)保裝置還存在以下問題:已加裝脫硝系統(tǒng)的電廠SCR運(yùn)行效率偏低，一般在50%左右，還有較大提升空間;對(duì)NOx的檢測(cè)手段有待完善(未測(cè)量NO2);大部分CEMS檢測(cè)原理為紅外法，檢測(cè)量程偏大等。

2燃?xì)廨啓C(jī)氮氧化物排放的影響因素分析

目前，國內(nèi)外燃?xì)廨啓C(jī)氮氧化物減排技術(shù)多樣，有燃燒室注水/注蒸汽技術(shù)、干式低氮燃燒技術(shù)、催化燃燒技術(shù)等，目前主流技術(shù)為干式低氮燃燒技術(shù)。根據(jù)對(duì)江蘇省燃?xì)怆姀S調(diào)研，低氮燃燒技術(shù)受到生產(chǎn)廠家、燃?xì)廨啓C(jī)控制方式以及外界溫濕度變化等因素影響，因此本文將從這三個(gè)方面加以分析。

2．1不同主機(jī)廠家的排放差異

為了比較江蘇省現(xiàn)有燃?xì)鈾C(jī)組本體在正常負(fù)荷下的氮氧化物減排能力，本文對(duì)三大主機(jī)廠家透平出口NOx排放水平進(jìn)行了比較。

如表2所示，除三菱E級(jí)機(jī)組樣本少未計(jì)入外(數(shù)據(jù)不具代表性)，江蘇省其它所有在役機(jī)組均已統(tǒng)計(jì)其中。表2排放水平為本文圖2表述的每臺(tái)機(jī)組最高濃度平均值之和與機(jī)組數(shù)量的比值。

從表2可知，對(duì)于F級(jí)和E級(jí)機(jī)組，正常負(fù)荷條件下不同主機(jī)廠家的氮氧化物排放水平差異不大，其中西門子機(jī)組由于采用環(huán)型或筒型燃燒室，有別于其它廠家的環(huán)筒型燃燒室，實(shí)現(xiàn)正常負(fù)荷下的低氮排放難度更大。目前，江蘇省燃?xì)怆姀S由于排放達(dá)標(biāo)，均未對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)本體進(jìn)行升級(jí)或改造，省內(nèi)現(xiàn)有燃?xì)廨啓C(jī)的低氮燃燒技術(shù)差異不大。

2．2燃?xì)廨啓C(jī)的控制方式變化

目前，燃?xì)廨啓C(jī)本體降氮受到多重因素約束。較難在平衡其它重要運(yùn)行參數(shù)后實(shí)現(xiàn)更低的氮氧化物排放水平。以江蘇省某9F級(jí)機(jī)組啟動(dòng)階段的燃料控制為例。

如表3所示，在啟動(dòng)階段初期，機(jī)組需要增加值班燃料閥(擴(kuò)散燃燒方式)開度確保燃燒穩(wěn)定，此時(shí)值班燃料閥開度是正常運(yùn)行階段的1.29倍。在正常負(fù)荷下，為確保燃燒溫度不致過高而導(dǎo)致氮氧化物排放超標(biāo)，值班燃料閥開度減小，同時(shí)預(yù)混燃料閥開度達(dá)到開機(jī)階段的2.2倍。

燃?xì)廨啓C(jī)的排放也受到機(jī)組安全性的影響。某9F級(jí)機(jī)組在正常負(fù)荷階段，通過減少燃料量降低了機(jī)組出力和效率，同時(shí)減少了氮氧化物排放濃度，但機(jī)組振動(dòng)加速度(ACC值)明顯升高，機(jī)組安全性受到一定影響。

因此，燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒控制需平衡出力、安全、排放等多方面因素，通過控制燃燒降低氮氧化物同時(shí)會(huì)受到其他因素的制約，較難實(shí)現(xiàn)全負(fù)荷低氮排放。

2．3大氣溫濕度的變化

理論分析，大氣溫度、濕度的變化，將會(huì)影響機(jī)組的燃燒溫度，進(jìn)而影響氮氧化物的排放。通常情況下，環(huán)境濕度升高時(shí)，NOx排放會(huì)降低。江蘇省實(shí)際調(diào)研情況，如下圖5至圖7所示。

圖中A、B、C電廠機(jī)組分別為西門子、GE和三菱機(jī)組，圖中統(tǒng)計(jì)的是一年排放數(shù)據(jù)。由圖5、圖6、圖7可知，盡管三臺(tái)機(jī)組氮氧化物排放受環(huán)境濕度的影響存在差異，但趨勢(shì)一致，大氣濕度越大，氮氧化物排放濃度有降低的趨勢(shì)。