煤粉锅炉低氮燃烧脱硝技术及产业化应用

成果概要：本项目成果属于能源科学技术领域，学科分科为锅炉、燃烧及节能减排，所属行业为电力、燃气及水的生产和供应业。本项目经过十余年的发展，对低氧燃烧技术、空气分级燃烧技术和燃料再燃技术等低NOx燃烧技术进行了全面综合研究，经历了从基础研究到中试试验，再到工业化应用的全过程。目前已经在国内十余台锅炉上推广应用，所有改造后的锅炉氮氧化物排放均符合国家标准。本项目主要包括低氧燃烧、SOFA空气分级燃烧、燃料再燃、浓淡燃烧、一二次风大小切圆燃烧、偏转二次风等低NOx燃烧技术，通过改善炉内燃烧方式控制NOx生成，具有投资成本低，运行简单，无需额外运行成本等优点，而且可以大幅度减少后期烟气脱硝的设备投资和运行费用。该套技术可用于烟煤、无烟煤、褐煤、水煤浆等多种燃料，具有广泛的煤种适应性，NOx脱除率可以达到40%～80%，同时可以保证锅炉高效燃烧，改善锅炉结焦状况，并且不影响锅炉的低负荷稳燃。该技术适用于各种大、中、小型电站锅炉、工业锅炉和工业窑炉，能高效低成本地实现节能减排的目的，尤其是对现有锅炉设备改动量小，是一项很适合我国国情并值得大力推广的新型高科技节能环保项目。
　  1 前言和实施背景
　  1.1 公司简介
　  浙江百能科技有限公司成立于2005年3月，是一家以“科技创新，美化人类生存环境，改善人类生活品质”为企业理念，以浙江大学热能工程研究所、能源清洁利用国家重点实验室、国家水煤浆工程中心为技术依托，专业从事能源与环保领域的技术咨询、工程设计、设备制造、成套、施工、安装、调试和服务等业务的国家高新技术企业，也是浙江省信息产业厅认定的软件企业并具有进出口货物的资格。
　  在能源与环境领域，公司与浙江大学合作的多项技术均处于世界领先水平且经受了上百家国内外客户的验证，如低NOx燃烧、水煤浆燃烧、SNCR（选择性非催化还原）脱硝、SCR（选择性催化还原）脱硝、多元优化动力配煤、化石燃料高效清洁燃烧等技术。其中“水煤浆代油洁净燃烧技术及产业化应用”荣获2009年国家科学技术进步二等奖，上述技术与相关产品在行业内知名度广，市场占有率高，广泛应用于国内大中型企业，并在意大利、印尼、泰国等地有很好的技术推广实例。
　  公司建有博士后科研工作站分站及独立的省级中小企业技术中心、市级企业高新技术研究开发中心——浙江百能节能环保高新技术研究开发中心。该中心目前共有研发人员50余名，“梯队式”的研发队伍初具规模，其中中国工程院院士1人，教授5人，副教授3人，具有研究生学历研发人员20人，整个研发中心本科以上学历达100%。技术中心主任及副主任各1人，顾问1人，下设脱硝室、燃烧室、电控室、技经室、工民建5个工作室负责中心日常管理及研发工作。中心研发骨干在本领域从事研究多年，在技术研发、设备制造和工程实施方面拥有很强的综合实力，不仅在国内遥遥领先，也走在了国际的前列。
　  同时公司业已通过ISO9001：2008质量管理体系和ISO14001：2004环境管理体系认证，下设技术中心、技术发展部、生产管理部、项目工程部、市场营销部、计划财务部、总裁工作部七大职能部门，建立健全了各项规章制度，组织架构清晰，管理理念先进。2009年获得“最具节能减排成效企业”荣誉称号，2010年获得杭州市“雏鹰杯”最具成长潜力企业评选优胜奖，“中国中小企业创新100强”荣誉称号。
　  能源与环境是我国国民经济发展的重大问题，能源产业又是我国国民经济发展中的支柱产业之一。百能科技誓以科技创新为己任，我们将运用雄厚的技术实力和良好的开发平台服务于社会，为国家节能环保建设做贡献！
　  1.2 实施背景
　  在我国，煤炭是主要的能源，在今后相当长的时间内，煤炭在一次能源中的主导地位将不会有太大变化。而我国现有的火力发电机组绝大多数采用煤粉锅炉，煤粉锅炉NOx排放普遍较高，是大气污染中NOx的主要来源。预计到2020年，我国NOx排放总量将达到2363～2914万吨，超过美国成为世界第一NOx排放国。2000年火力发电NOx排放占全国总量的35.8%，虽然近些年电厂氮氧化物排放控制得到政府和企业的关注，电厂烟气NOx排放浓度有所下降，但由于装机容量的迅速增长，电厂NOx排放总量逐年增长而且有加快的趋势，如果照此速度发展下去，火电厂NOx排放总量将达到1000万吨以上。
　  NOx以NO、NO2、N2O、N2O3、N2O4、N2O5等形式出现在空气中，NO浓度越大，毒性越强。NO2的毒性更大，它很易与人体和动物血液中的血色素混合夺取氧分，使血液缺氧，引起中枢神经麻痹症，NO2还强烈刺激呼吸器管粘膜，引起肺部疾病，还对人体的心、肝、肾脏及造血组织有损害，严重时会导致死亡。NO和NO2会破坏同温层中的臭氧层，使其失去对紫外光辐射的屏蔽作用，危害地面生物。大气中有NOx会形成酸雨，对环境造成严重污染。由于NOx对人类和自然界存在很大危害，故必须控制NOx的生成和排放。
　  近年来我国新投产的大容量机组锅炉的燃烧器几乎均采用了低NOx燃烧器，但效果不太理想，NOx排放仍较高。对于2004年以前所建的电厂，NOx排放量非常大，可达1000 mg/Nm3以上。2003年12月23日国家环保总局和国家质量监督检验检疫总局联合发布了新修订的国家污染物排放标准《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223－2003)，新标准规定对于Vdaf≥20%的燃煤锅炉，对应第一时段、第二时段以及第三时段的氮氧化物排放标准分别为1100 mg/m3、650 mg/m3和450 mg/ m3，这对于低氮燃烧技术和脱硝技术来说是一个很高的要求。《排污费征收标准管理办法》规定，自2004年7月1日起，对氮氧化物（NOx）按排放总量收费，其收费标准与SO2相同，即0.6元/污染当量值，超标准加倍收费。经济和环保的双重约束都迫切需要发展当前的低NOx排放综合治理技术。
　  目前对于降低NOx排放量最有效的技术是烟气脱硝技术中的SCR技术，但其高昂的运行、维护费用阻碍了该技术的推广。与该技术相比，低NOx燃烧技术在能够获得中等脱硝率的同时，其改造、运行成本低，对现有锅炉设备改动量小，国内外专家都争相深入研究。
　  1.3 国内外研究现状及发展趋势
　  现行的低NOx排放控制技术主要可分为两类：低NOx燃烧技术和烟气脱硝技术。低NOx的燃烧技术主要有低NOx燃烧器、空气分级燃烧、燃料分级燃烧（燃料再燃）等技术，通过炉内燃烧控制NOx具有成本低廉，运行简单等优点，而且可以减少后期烟气NOx脱除的设备投资和运行费用，所以低NOx燃烧技术的研究开发受到国内外的广泛关注，其中空气分级燃烧技术更适合电站煤粉锅炉，是各国NOx控制技术的研究重点。烟气脱硝技术主要包括SNCR（选择性非催化还原）和SCR（选择性催化还原），在国外有比较成熟的应用，主要缺点在于投资成本高，存在氨逃逸问题，国内应用较少，特别是对于2004年以前所建的电厂，设计时没有预留脱硝设备场地，无法进行设备改造。对于剩余设计寿命较短的老电厂由于各种原因，严重缺少改造资金，几乎没有可能采用脱硝工艺。
　  进入21世纪以来，NOx排放问题越来越受各国政府关注，其排放标准日益严格，促使人们开发新技术，以适应严格的NOx排放标准，在各种控制NOx生成的方法中空气分级燃烧技术在国内外均有较多应用。国外，美国ABB-CE公司自20世纪70年代起,陆续开发出了整体炉膛空气分级燃烧系统、二次风射流偏置的同轴燃烧系统—CFS、低NOx同轴燃烧系统—LNCFS等低NOx燃烧系统。在20世纪90年代初，该公司在美国能源部的支持下，对LNCFS进行重大的改进,于2000年开发出最新一代的TFS2000燃烧系统。意大利Vado Ligure热电厂No.4的320 MW机组系燃煤锅炉，早在上世纪90年代就已作过降低NOx排放的燃烧器改进，采用分级送风实现NOx的降低，NOx排放浓度由1200 mg/m3降低到876 mg/m3（炉膛出口过量空气系数为1.23），降低将近30%。国内，华能丹东电厂引进的2×350 MW燃用内蒙准格尔煤，采用分级燃烧系统，即前后对冲布置24台低NOx轴向旋流燃烧器，在上层燃烧器上部311m处布置OFA前后墙各6个，设计OFA占总风量16%，在燃烧器区域空气系数为0.95～1.05时，引风机出口NOx排放浓度在137～177 ppm范围内。由以上文献可知采用空气分级燃烧技术确实能大大降低NOx的排放量。
　  从国内外的研究现状来看，空气分级燃烧仍是控制NOx生成的主要研究方向。根据现有锅炉的特点，通过调整一次风、二次风、三次风，火上风及边界风之间风率的配比，同时合理布置各个风口在炉内的分布，就可以达到低NOx燃烧的目的。无论从可操作性、可实现性以及经济性上都是一种性价比极高的NOx控制方式。
　  1.4公司煤粉锅炉低氮燃烧脱硝技术发展历程
　  浙江百能科技有限公司成立于2005年3月，是一家以“科技创新，美化人类生存环境，改善人类生活品质”为企业理念，以浙江大学热能工程研究所、能源清洁利用国家重点实验室、国家水煤浆工程中心为技术依托，专业从事能源与环保领域的技术咨询、工程设计、设备制造、成套、施工、安装、调试和服务等业务的国家高新技术企业。公司在煤粉炉低氮燃烧脱硝技术方面进行了多年的研究并取得了一系列的研究成果，根据气固多相流和燃料着火的机理性研究提出了新型的浓淡分离燃烧技术，开发出煤粉浓淡稳燃及低氧燃烧技术，已在50余台锅炉应用，取得了NOx排放300mg/Nm3以下的优秀成绩。在半工业性试验炉上进行了煤粉再燃试验研究，烟煤和褐煤的脱硝率均达到45％。以上有关研究为本课题提供了宝贵的研究经验，为日后顺利完成本项目奠定了良好的基础。 
　  本项目根据我国电站锅炉的实际情况，考虑到烟气脱硝技术应用成本偏高，立足于低NOx燃烧技术的研究，一方面开发新型低NOx燃烧器适应低挥发分煤种，另一方面以燃烧优化自动控制作为补充。主要包括低NOx燃烧器开发、分级送风技术开发和煤粉燃烧优化控制系统开发，力图控制燃烧中NOx的生成，从而降低烟气脱硝的难度和成本，并可使大量老机组在不采用脱硝工艺的情况下实现低NOx燃烧，即在不影响低NOx排放的前提下扩大适用范围和降低运行成本。
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  2 成果内涵和具体做法
　  2.1 关键技术及创新点
　  关键技术是空气分级燃烧技术，具体包括高温区低氧燃烧技术和高氧区低温燃烧技术两个方面。因此创新点在于以下四个方面：
　  （1）浓淡分离燃烧技术；
　  （2）一二次风大小切圆技术；
　  （3）SOFA技术；
　  （4）煤粉再燃技术；
　  2.2 实施的具体内容和技术路线
　  2.2.1 实施具体内容
　  电站燃煤锅炉生成的NOx一般包括一氧化氮(NO)、二氧化氮（NO2）和氧化亚氮(N2O)，按生成机理，可以把它们分为热力NOx、快速NOx和燃料NOx。相对应的，影响低氮氧化物生成效果的主要因素主要是：1）温度；2）氧浓度；3）煤种。所以在煤粉锅炉低氮燃烧脱硝技术设计和应用中，要进行不同燃烧条件下N的转化机理的研究。在这项研究的基础上，为了最大程度的降低氮氧化物生成，本项目具体要进行以下研究：
　  （1）煤粉低氮燃烧技术机理研究：主要针对燃烧过程中氧量、温度、煤种特性、燃烧阶段停留时间、煤粉细度、烟气成分等因素对低氮燃烧氮氧化物生成及转化量的影响规律开展机理性研究，分析总结低氮燃烧影响因素的影响规律，为工程实践应用提供指导性数据。
　  （2）煤粉低氮燃烧氮氧化物转化规律的模型的建立：根据机理性研究成果以及相关燃烧控制理论，建立相应的煤粉燃烧过程氮氧化物生成和转化规律模型，并通过实验数据对比检验模型的准确性和适用性。
　  （3）低氮燃烧技术在大型锅炉上应用时需要解决的问题：实际工程应用中需要解决现场情况对低氮燃烧技术的实施提出了限制条件，针对这些具体的问题需要预先完成解决方案的制定，提出解决方法，寻求技术替代方案。
　  （4）低氮燃烧技术对锅炉运行情况的影响：实际锅炉运行时会存在一些问题，如主蒸汽温度偏低，结渣严重等，在采用低氮燃烧技术后可以结合锅炉已存在的问题采取相应的解决措施一一解决，低氮燃烧技术应用后对锅炉的燃尽情况、结渣、烟温偏差、主蒸汽参数、锅炉效率等的影响规律也是研究工作内容之一。
　  （5）低氮燃烧技术应用推广时的成本控制问题：一个有应用前景的技术必然是一种性价比较高的技术，低氮燃烧技术在应用过程中的成本控制与技术革新都对改技术的应用推广前景有巨大的影响，如何有效的提高低氮燃烧技术的性价比也是研究和应用工作的重点之一。
　  2.2.2 技术路线
　  根据技术开发的规律，按照技术机理研究、试验室小型试验模拟、数值计算模拟、中型试验台架燃烧试验、设计原则汇总及优化、工业化应用试验、工业化试验技术优化总结、工业化技术推广、技术拓展创新再开发的技术开发流程，对煤粉锅炉低氮燃烧脱硝技术进行研究工作。
　  具体步骤包括了：
　  （1）现有煤粉锅炉低氮燃烧脱硝技术发展现状的总结，现有技术优缺点的分析总结，对技术开发难度的分析说明，制定相应的研究工作目标、步骤、实施过程控制要点，对技术的开发、试验研究、工业化推广、技术总结等方面要素做出总体性的规划，形成技术研究方案，聘请相关专业的专家学者对技术研究开发方案进行评审，研究技术方案的可行性，提出方案修改意见。
　  （2）根据研究方案的技术，在试验室搭建小型试验台架，进行基础机理试验研究：搭建固定床燃烧试验台架，对煤粉燃烧过程中氧量、温度、烟气成分、煤粉粒度、煤粉种类等因素对氮氧化物生成和转化规律进行研究，搭建沉降炉燃烧试验台架，模拟研究煤粉实际燃烧过程中各种影响因素的影响规律，并对煤粉燃烧特性进行研究。
　  （3）数值模拟计算与氮氧化物转化规律模型的建立：根据基础机理试验研究的结论，采用计算机数值模拟计算的方法对煤粉燃烧过程氮氧化物生成规律进行计算研究，建立氮氧化物生成和转化规律模型，结合数值模拟计算结果和基础试验数据考察和修正模型的正确性和准确性。
　  （4）建立中型试验台架，进行放大性试验研究：将基础机理研究的成果与数值计算模拟数据相结合，制定相应的煤粉低氮燃烧脱硝技术设计原则和控制原则，在中型试验台架上进行工业化燃烧试验模拟研究，研究实际燃烧过程中氧量、空气分级方式、燃烧分级方式、温度、煤粉种类等因素对氮氧化物生成和转化的影响规律，提出相应的技术原则和关键控制数据，为工业化应用设计提供基础设计数据。
　  （5）煤粉低氮燃烧脱硝技术方案的设计：以基础研究和中试试验研究成果为技术出发点，结合实际工程需要和工程特点，制定可行的煤粉低氮燃烧方案。
　  （6）工业化应用：将制定的煤粉低氮燃烧脱硝技术方案付诸实现，结合工业化应用特点，完善技术方案，收集相关技术数据，为深化技术研究收集资料。
　  （7）煤粉低氮燃烧脱销技术的优化：以试验研究数据为依托，结合工业化应用中需要解决的实际问题，对技术的适用性、实用性、经济性、科学性进行深入优化研究。
　  （8）技术的推广应用：在方案和技术优化的基础上推广技术应用的范围，积极开展技术普及宣传工作，扩大技术应用的发展空间。
　  2.2.3 实施方式
　  以我公司为项目负责单位，以技术合作单位浙江大学热能工程研究所为技术负责单位，双方分工合作，联合开发，技术成果产权明晰。
　  2.3 专利情况
　  （1）再燃氮氧化物的燃煤锅炉装置，发明专利（专利号：ZL200510061122.2），独占许可，专利实施许可合同备案号：2008330000569
　  （2）锅炉烟气臭氧氧化脱硝方法，发明专利（专利号：ZL200510061120.3），独占许可，专利实施许可合同备案号：2011330000029
　  （3）蒸汽混合加热式物料溶解罐,实用新型专利（专利号：ZL201020146040.4）
　  除授权的专利外，公司还有数项发明专利及实用新型专利正在受理中。
　  2.4主要业绩
　  （1）广东粤华发电有限责任公司2台300MW机组锅炉低NOx燃烧技术改造项目；
　  （2）中电国华北京热电分公司（北京一热）4台410t/h煤粉锅炉低NOx燃烧改造项目；
　  （3）北京京丰热电有限公司1台100MW机组锅炉低NOx燃烧改造项目；
　  （4）北京京丰热电有限公司1台50MW机组锅炉低NOx燃烧改造项目； 
　  （5）杭州华电半山发电有限公司1台420t/h煤粉锅炉低NOx燃烧改造项目可行性研究； 
　  （6）广州瑞明电力公司2台135MW机组锅炉低NOx燃烧改造项目；
　  （7）南海江南发电厂有限公司5台130t/h煤粉锅炉低NOx燃烧改造项目；
　  （8）广州珠江啤酒集团公司2台75t/h煤粉锅炉低NOx燃烧改造项目；
　  （9）玖龙纸业（太仓）有限公司1台420t/h煤粉锅炉低NOx燃烧改造项目。
　  3 成果推广实施的效益
　  3.1 经济效益
　  该技术适用于我国电站锅炉采用的主流煤粉燃烧技术——四角切园直流燃烧方式以及所燃用的煤种，并且适合我国煤质差、煤质波动大的国情，避免传统分级燃烧技术会使锅炉燃尽变差、产生高温腐蚀或结渣等负面影响。另外，该技术在能够获得满足环保要求的脱硝效果的同时，其改造、运行成本低，对现有锅炉设备改动量小，可以实际有效的解决经济效益和环保的结合问题，促进国民经济健康、快速发展。项目达产后每年约可新增销售收入1100万元，年净利润210万元，年缴税188万元，投资利润率达42%。
　  3.2 社会效益
　  今年是“十二五&rd