燃煤發(fā)電機組實現(xiàn)全工況脫硝運行的改造策略

馬巧春，雒貴，李陽春，李法眾

（華能玉環(huán)發(fā)電廠，浙江玉環(huán)317604）

燃煤發(fā)電機組實現(xiàn)全工況脫硝運行的改造策略

馬巧春，雒貴，李陽春，李法眾

（華能玉環(huán)發(fā)電廠，浙江玉環(huán)317604）

針對日趨突出的環(huán)境污染問題及越來越嚴格的大氣排放標準，控制燃煤發(fā)電廠氮氧化物的排放總量成為鍋爐環(huán)保技術(shù)發(fā)展的方向。通過對現(xiàn)有脫硝技術(shù)現(xiàn)狀及存在問題的分析，對燃煤發(fā)電機組脫硝系統(tǒng)實現(xiàn)全工況運行的5種改造策略，即：兩段式省煤器設(shè)計、九級加熱器、加裝省煤器煙氣側(cè)旁路及給水側(cè)旁和V-Temp省煤器的技術(shù)要點進行了對比分析，為新建和已投運機組采用何種改造策略提供參考。

燃煤發(fā)電廠；鍋爐；氮氧化物；全工況脫硝

火力發(fā)電廠煙氣排放污染正受到越來越多的關(guān)注，近年來，隨著煙氣脫硫技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用及國家對二氧化硫排放的嚴格控制，火力發(fā)電廠二氧化硫的排放已得到了一定程度的遏制。但要更好地控制氮氧化物的排放污染，脫硝技術(shù)還需進一步的發(fā)展。因此，加快脫硝技術(shù)的研究、脫硝系統(tǒng)的建設(shè)，實現(xiàn)脫硝系統(tǒng)全工況運行，將會大大減少氮氧化物排放。以下針對采用SCR（選擇性催化還原法）脫硝技術(shù)的燃煤發(fā)電機組，提出了幾種實現(xiàn)全工況脫硝運行的策略。

1 脫硝技術(shù)應(yīng)用概況

1.1 現(xiàn)有脫硝技術(shù)概況

目前，國際上煙氣脫硝技術(shù)主要分兩大類：燃燒改良處理和燃燒后處理，在此基礎(chǔ)上出現(xiàn)兩種方式聯(lián)合使用的復(fù)合處理技術(shù)。燃燒改良處理的關(guān)鍵技術(shù)有：低氮燃燒器、空氣分級燃盡風(fēng)、再燃燒、分級燃燒及煙氣再循環(huán)等。燃燒后處理主要有：SCR和SNCR（選擇性非催化還原法）[1]。SNCR技術(shù)工藝簡單，無催化劑系統(tǒng)，在國內(nèi)外有一定的工程應(yīng)用，脫除氮氧化物的效率一般在25%～40%，適用于原始氮氧化物較低，且對于排放標準要求不高的機組；而SCR是在催化劑的作用下，利用還原劑（如氨氣、尿素等）有選擇性地與煙氣中的氮氧化物反應(yīng)并生成無毒無污染的氮氣和水，其脫硝效率達75%～90%，可應(yīng)用于各種氮氧化物濃度煙氣的處理。

我國新建大型燃煤發(fā)電機組均采用了低氮燃燒及煙氣脫硝技術(shù)（以SCR工藝為主），已投產(chǎn)機組，按照當前的排放標準，正在逐步實施脫硝技術(shù)改造。

1.2 脫硝系統(tǒng)存在的問題

采用SCR技術(shù)設(shè)計的脫硝效率一般在80%以上。脫硝效率和催化劑活性與反應(yīng)溫度的關(guān)系如圖1所示，反應(yīng)溫度在200～400℃內(nèi)，隨著反應(yīng)溫度的升高，脫硝效率和催化劑活性都逐漸增加，尤其當反應(yīng)溫度在200～300℃時，脫硝效率和催化劑活性隨反應(yīng)溫度的增加增幅較大。當溫度升至400℃時，脫硝效率和催化劑活性都達到最大值，隨著溫度的進一步升高，脫硝效率和催化劑活性隨溫度的升高而下降[2]。因此，為了保證催化劑的活性和達到脫硝設(shè)計效率，反應(yīng)溫度的最佳值應(yīng)控制在300～420℃之間。

圖1 脫硝效率和催化劑活性與反應(yīng)溫度的關(guān)系

但是機組在低負荷運行時（50%～60%額定負荷以下），或高壓加熱器退出運行且機組在70%～75%額定負荷時，省煤器出口煙氣溫度都可能無法達到脫硝系統(tǒng)催化劑反應(yīng)所需溫度，從而導(dǎo)致硫酸氫銨濃度上升、脫硝效率降低、催化劑壽命縮短等問題。為了保證脫硝催化劑運行的安全高效性，在無法達到催化劑反應(yīng)溫度時，只能退出脫硝系統(tǒng)的運行，導(dǎo)致機組綜合脫硝效率達不到設(shè)計要求。機組負荷受到電網(wǎng)負荷調(diào)整的限制，始終維持高負荷運行是不現(xiàn)實的，換言之，目前已投運的燃煤發(fā)電廠均無法實現(xiàn)脫硝系統(tǒng)全工況在線運行。

因此，如何保證機組在全負荷段滿足脫硝系統(tǒng)催化劑反應(yīng)溫度要求，尤其是在低負荷階段，實現(xiàn)機組全工況脫硝運行，是亟待解決的問題。

2 全工況脫硝運行的改造策略

針對目前已投運的燃煤發(fā)電廠無法實現(xiàn)全工況脫硝的問題，國內(nèi)外有多家研究機構(gòu)進行了專題研究，主要有兩個研究方向：催化劑制造商對催化劑耐低溫性進行研究；對熱力系統(tǒng)進行改造，以適應(yīng)催化劑的性能，熱力系統(tǒng)共有如下5種改造策略。

2.1 兩段式省煤器設(shè)計

將鍋爐省煤器設(shè)計成兩部分（如圖2所示）[3]，低溫部分置于脫硝系統(tǒng)出口側(cè)，將脫硝系統(tǒng)前移布置在煙氣高溫區(qū)的兩段省煤器之間，這樣即使在機組低負荷時，也能保證脫硝系統(tǒng)入口煙氣溫度達到設(shè)計溫度范圍，實現(xiàn)脫硝系統(tǒng)在低負荷工況運行；鍋爐可在不投油穩(wěn)燃負荷到BMCR（鍋爐最大出力）工況下安全運行；在保證熱風(fēng)溫度的前提下，能夠進一步降低空氣預(yù)熱器入口的煙氣溫度，提高鍋爐的效率。缺點是：省煤器系統(tǒng)的阻力有所提高，煙氣側(cè)阻力有所增加，風(fēng)機電耗可能增加。

圖2 兩段式省煤器示意

該技術(shù)一般適用于可同步建設(shè)脫硝系統(tǒng)的新建機組，是一步到位的解決方案。目前哈爾濱鍋爐廠供貨的大唐蔚縣發(fā)電廠采用此項技術(shù)，正處于設(shè)計階段。

2.2 九級加熱器技術(shù)

在給水系統(tǒng)原有八級加熱器的基礎(chǔ)上，增加了1級高壓加熱器，也稱之為九級加熱器技術(shù)。選擇汽輪機1個合適抽汽點，增加1級抽汽可調(diào)式給水加熱器，在機組低負荷時，通過調(diào)節(jié)門控制提高省煤器入口水溫，使其出口煙溫相應(yīng)上升，從而實現(xiàn)脫硝系統(tǒng)全工況運行。抽汽加熱原理如圖3所示。該技術(shù)還能降低機組整體煤耗水平；提高鍋爐水動力安全性；提高鍋爐低負荷燃燒效率和穩(wěn)燃性能；提高機組的調(diào)頻能力和調(diào)頻經(jīng)濟性。缺點是：只適合設(shè)計有補氣閥的汽輪機，改造具有局限性。

圖3 回?zé)岢槠a充加熱鍋爐給水原理

該技術(shù)既可以用于新建機組也可以用于已運行機組的改造，但是改造費用相對較高。目前外高橋第三發(fā)電廠采用該項技術(shù)，利用補氣閥對應(yīng)的抽汽口，設(shè)置了第九級加熱器。在低負荷時投入該加熱器，以提高低負荷下給水溫度，從而提高了給水系統(tǒng)出口煙溫，這樣既可以滿足脫硝系統(tǒng)入口煙溫要求，又改善了鍋爐的燃燒穩(wěn)定性[4]。據(jù)統(tǒng)計，2012年脫硝系統(tǒng)投運率達到98.88%，基本實現(xiàn)了全工況脫硝運行。

2.3 加裝省煤器煙氣側(cè)旁路

在省煤器前選擇適當位置直接引一路高溫?zé)煔庵潦∶浩鞒隹?，與低溫?zé)煔膺M行混合，以提高省煤器出口煙溫，滿足脫硝系統(tǒng)在機組低負荷時的運行溫度要求。但是這種方案可能增加機組的發(fā)電煤耗，并且煙氣旁路占用空間較大、易出現(xiàn)煙道積灰。

2.4 加裝省煤器給水側(cè)旁路

在省煤器水側(cè)加裝旁路系統(tǒng)，在機組低負荷時，通過旁路調(diào)整進入省煤器的給水流量，從而減小省煤器的吸熱量，使煙氣通過省煤器后，保持較高的煙氣溫度，滿足脫硝系統(tǒng)的進口煙溫要求。

該方案一定程度上增加了給水阻力，影響效率及給水調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性，優(yōu)點是水側(cè)旁路占用空間較小、調(diào)節(jié)靈敏。

2.5 V-Temp省煤器技術(shù)

V-Temp交叉省煤器是美國B&W公司開發(fā)的一項專利技術(shù)，交叉省煤器是根據(jù)其功能暫定的名字，核心技術(shù)是通過在省煤器系統(tǒng)設(shè)置特定的給水管屏，從而減少熱吸收。V-Temp省煤器的關(guān)鍵技術(shù)是將省煤器管屏分為兩部分，由溢流管和節(jié)流管供給，通過改變省煤器傳熱面積提高省煤器出口煙溫。V-Temp省煤器已在4臺鍋爐安裝運行，測試結(jié)果表明在某一恒定的負荷下，能使省煤器出口煙溫上升10℃[5]，省煤器系統(tǒng)布置如圖4所示。

圖4 V-Temp省煤器系統(tǒng)示意

該技術(shù)一定程度上可以提高省煤器出口煙溫，實現(xiàn)脫硝系統(tǒng)在低負荷工況運行；實現(xiàn)給水穩(wěn)定調(diào)節(jié)。缺點是省煤器所有管屏需重新加工組屏，投資大。從結(jié)構(gòu)上看應(yīng)與兩段式省煤器思路接近，使用實績需進一步確認。

3 結(jié)語

上述5種改造方案均可以在機組低負荷時提高省煤器出口煙溫，以滿足脫硝系統(tǒng)催化劑的反應(yīng)溫度。對新建機組，在設(shè)計階段需進行充分論證，可采用兩段式省煤器、V-Temp省煤器或九級加熱器技術(shù)；對已投運機組，可以選擇九級加熱器或V-Temp省煤器技術(shù)，但是兩種方案的改造費用均較高。對于各技術(shù)方案的應(yīng)用實績還需跟蹤并深入研究，以便選擇最適合的改造方案。

[1]馬風(fēng)哪，程偉琴.國內(nèi)火電廠氮氧化物排放現(xiàn)狀及控制技術(shù)探討[J].廣州化工，2011（15）:57-59.

[2]劉武標.SCR煙氣脫硝效率及催化劑活性的影響因素分析[J].能源與環(huán)境，2012（3）:47-50.

[3]哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司.哈鍋電站鍋爐新產(chǎn)品新技術(shù)[G].2013.

[4]錢磊.上海外高橋第三發(fā)電廠超超臨界機組節(jié)能環(huán)保技術(shù)[C]//超超臨界機組技術(shù)交流2012年會.

[5]M J ALBRECHT，J T BUCKLER，S A SCAVUZZO.The V-TempTM Economizer System and Method for SCR Temperature Control[J].Technical Paper，2011（3）:13-15.

（本文編輯：陸瑩）

Transformation Strategy for Denitration of Coal-fired Generating Units under Full Operating Condition

MA Qiaochun，LUO Gui，LI Yangchun，LI Fazhong
（Huaneng Yuhuan Power Plant，Yuhuan Zhejiang 317604，China）

In view of the increasingly serious environmental pollution and gradually severe atmospheric emission standards，control of NOXemissions of coal-fired power plant becomes the orientation of environmental protection technology of boiler.By analyzing present situation of the existing denitration technology and the problems，the paper compares technical characteristics of five transformation strategies for denitration system of coal-fired generating units under full operating condition，namely dual-economizer，nine orders of heaters，installing bypasses at flue gas side and feedwater side of economizer as well as V-Temp economizer，providing reference for selection of reformation strategy for newly-built units and those in operation.

coal-fired power plant；boiler；NOX；denitration under full operating condition

TM631

B

1007-1881（2015）01-0041-03

2014-08-18

馬巧春（1969），男，工程碩士，高級工程師，長期從事火力發(fā)電廠基建及生產(chǎn)管理工作。