寬溫催化劑在燃煤電廠全負(fù)荷脫硝中的應(yīng)用

鄭俊杰 葛春亮 劉海蛟 張?jiān)p

（浙江天地環(huán)保科技有限公司浙江杭州310003）

寬溫催化劑在燃煤電廠全負(fù)荷脫硝中的應(yīng)用

鄭俊杰 葛春亮 劉海蛟 張?jiān)p

（浙江天地環(huán)?？萍加邢薰菊憬贾?10003）

本文研究了寬溫催化劑在燃煤電廠全負(fù)荷脫硝中的應(yīng)用。該新型寬溫催化劑可在SCR入口煙溫275-420℃范圍內(nèi)連續(xù)運(yùn)行，脫硝效率不小于85%。研究結(jié)果表明，在100%負(fù)荷工況下，SCR入口煙溫375℃，脫硝效率為85.31%。在35%負(fù)荷工況下，SCR入口煙溫275℃，脫硝效率為85.05%。使用該新型寬溫催化劑可保證燃煤電廠機(jī)組在全負(fù)荷工況下的脫硝需求，但需增加一定的投資。

脫硝；SCR；寬溫催化劑；全負(fù)荷

1 前言

我國(guó)一次能源消費(fèi)以煤炭為主，一次能源結(jié)構(gòu)決定了我國(guó)的電力結(jié)構(gòu)是以煤電為主，2015年底全國(guó)火電裝機(jī)容量9.9× 108kW[1]。火電廠煤燃燒會(huì)產(chǎn)生大量的氮氧化物（nitrogen oxides，NOx），氮氧化物不僅危害人體健康，也是導(dǎo)致酸雨、光化學(xué)煙霧和霧霾的主要前驅(qū)體物[2-3]。為了降低氮氧化物對(duì)環(huán)境的影響，燃煤電廠多采用以選擇性催化還原（SCR）技術(shù)為主的氮氧化物控制技術(shù)。截至2014年底，已投運(yùn)火電廠煙氣脫硝機(jī)組容量約6.87×108kW，占全國(guó)火電機(jī)組容量的75.0%，占全國(guó)煤電機(jī)組容量的83.2%[4]。

絕大多數(shù)SCR采用的催化劑對(duì)煙氣溫度有要求，當(dāng)機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)（煙氣溫度低于300℃），催化劑活性下降，脫硝效率下降，氨逃逸率上升，生成的硫酸氫銨造成空預(yù)器堵塞，影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。為了避免低負(fù)荷下脫硝系統(tǒng)對(duì)機(jī)組的不利影響，發(fā)電企業(yè)多采取脫硝系統(tǒng)低負(fù)荷停止運(yùn)行的策略。針對(duì)發(fā)電企業(yè)在低負(fù)荷退出運(yùn)行脫硝系統(tǒng)的問題，環(huán)境保護(hù)部發(fā)文要求，火電廠在任何運(yùn)行負(fù)荷時(shí)，都必須達(dá)標(biāo)排放。脫硝系統(tǒng)無法運(yùn)行導(dǎo)致的氮氧化物排放濃度高于排放限值要求的，應(yīng)認(rèn)定為超標(biāo)排放，并依法予以處罰[5]。為使煙溫滿足SCR全負(fù)荷脫硝的常規(guī)措施主要是對(duì)鍋爐/汽輪機(jī)進(jìn)行改造，包括省煤器水側(cè)旁路改造、省煤器煙氣側(cè)旁路改造、省煤器分級(jí)改造、汽輪機(jī)高壓缸抽汽回?zé)岬燃夹g(shù)[6~9]。上述措施費(fèi)用較高、工期長(zhǎng)，對(duì)機(jī)組的熱效率和穩(wěn)定運(yùn)行有一定的影響。研究SCR催化劑在低負(fù)荷低煙溫下的適用性，對(duì)于解決燃煤電廠全負(fù)荷脫硝具有重要意義，本文對(duì)新型寬溫催化劑在燃煤電廠全負(fù)荷脫硝中的應(yīng)用進(jìn)行研究。

2 寬溫催化劑及示范工程介紹

常規(guī)催化劑的連續(xù)運(yùn)行溫度為310℃～420℃，當(dāng)機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)（煙溫低于300℃），常規(guī)催化劑無法滿足脫硝需求。浙江天地環(huán)?？萍加邢薰緺款^研制的寬溫催化劑其連續(xù)運(yùn)行溫度為275℃～420℃，可滿足機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的脫硝需求。

溫州電廠5號(hào)機(jī)組于2005年建成投產(chǎn)，并于2015年實(shí)施超低排放改造，每臺(tái)反應(yīng)器安裝兩層新的寬溫催化劑替換原有舊催化劑，進(jìn)行全負(fù)荷脫硝應(yīng)用示范。

3 示范工程測(cè)試結(jié)果

3.1 測(cè)試方法

3.1.1 脫硝效率

在SCR反應(yīng)器的入口和出口煙道截面，分別采用等截面網(wǎng)格法布置煙氣取樣點(diǎn)。對(duì)SCR脫硝反應(yīng)器的進(jìn)出口各測(cè)點(diǎn)逐點(diǎn)測(cè)試，主要測(cè)試煙氣中的NOx濃度和O2含量。將各網(wǎng)格點(diǎn)NOx濃度折成同一氧量下的濃度再進(jìn)行算術(shù)平均，其結(jié)果為該截面NOx濃度值。

脫硝效率按如下公式計(jì)算：

式中：η——脫硝裝置的脫硝效率，%；

c1——折算到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)、6%O2下的進(jìn)口煙氣NOx濃度，mg/Nm3；

c2——折算到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)、6%O2下的出口煙氣NOx濃度，mg/Nm3。

3.1.2 氨逃逸

在SCR反應(yīng)器出口測(cè)點(diǎn)位置測(cè)試，每個(gè)測(cè)量面的測(cè)點(diǎn)數(shù)不少于三點(diǎn)。測(cè)試方法參照《燃煤電廠煙氣脫硝裝置性能驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)范》DL/T260-2012附錄B。

通過化學(xué)分析，按照如下公式得出煙氣中氨逃逸濃度：

氨逃逸按如下公式計(jì)算：

式中：C—氨逃逸濃度，ppm；

3.1.3 SO2/SO3轉(zhuǎn)化率

煙氣中SO2的采樣方法執(zhí)行GB/T 16157和HJ/T 47的規(guī)定，煙氣中SO3的采樣方法參照?qǐng)?zhí)行DL/T 998附錄A的規(guī)定。通過測(cè)量SCR進(jìn)口的SO2、SO3和出口的SO3濃度，通過計(jì)算得到。

SO2/SO3轉(zhuǎn)化率按如下公式計(jì)算：

式中：X—煙氣脫硝系統(tǒng)SO2/SO3轉(zhuǎn)化率，%；

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

通過對(duì)SCR反應(yīng)器進(jìn)出口氮氧化物濃度、氧量、氨氣、SO2/ SO3濃度進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算出SCR的脫硝效率、氨逃逸率、SO2/SO3轉(zhuǎn)化率，結(jié)果見表1。

注：SO2/SO3的化率對(duì)溫度變化敏感，溫度越高，轉(zhuǎn)化率越高。由于滿負(fù)荷工況下SO2/SO3轉(zhuǎn)化率不超過1%，因此在最低穩(wěn)燃負(fù)荷工況下，主要測(cè)試脫硝效率和氨逃逸率。

從表中的結(jié)果可知溫州電廠選用的寬溫催化劑在全負(fù)荷工況運(yùn)行下的脫硝效率、氨逃逸率、SO2/SO3轉(zhuǎn)化率均達(dá)到要求，滿足全負(fù)荷脫硝的需求。

4 工程實(shí)施方案

鳳臺(tái)電廠一期共裝設(shè)2臺(tái)630MW超臨界燃煤機(jī)組，分別于2012年12月和2013年6月完成了脫硝系統(tǒng)改造。原有催化劑的參數(shù)見表2，SCR入口煙氣參數(shù)見表3。

表2 原有催化劑主要技術(shù)參數(shù)

表3 SCR入口煙氣參數(shù)

鳳臺(tái)電廠計(jì)劃于2016年對(duì)一期#1、#2機(jī)組進(jìn)行超低排放改造，按脫硝系統(tǒng)入口NOX濃度330mg/Nm3，脫硝效率87%設(shè)計(jì)，SCR脫硝裝置出口NOx濃度保證不大于50mg/Nm3，脫硝改造主要有以下兩個(gè)方案。

4.1 技術(shù)方案

方案一：

脫硝提效改造按在50%THA負(fù)荷以上投入脫硝系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，利舊原有兩層催化劑，更換破損催化劑單元，并在SCR反應(yīng)器預(yù)留層新增一層常規(guī)催化劑。

方案二：

#1機(jī)組：將原有兩層催化劑更換為寬溫催化劑，改造后可滿足機(jī)組在最低穩(wěn)燃負(fù)荷以上投入脫硝系統(tǒng)。

#2機(jī)組：將初裝兩層催化劑整合成第一層，將#1機(jī)組初裝兩層催化劑整合成第二層，并在預(yù)留層新增一層常規(guī)催化劑，改造后可滿足機(jī)組在50%THA負(fù)荷以上投入脫硝系統(tǒng)。改造方案技術(shù)參數(shù)見表4。

表4 改造方案技術(shù)參數(shù)

注：#1機(jī)組初裝兩層催化劑的破損量按10%考慮，#2機(jī)組初裝兩層催化劑破損較嚴(yán)重按50%考慮

4.2 經(jīng)濟(jì)分析

寬溫催化劑價(jià)格要高于常溫催化劑，使用寬溫催化劑會(huì)增加投資，兩個(gè)方案費(fèi)用對(duì)比見表5。

表5 各方案費(fèi)用對(duì)比(萬元)

從上表可知方案二的改造費(fèi)用比方案一高出921.83萬元。

5 結(jié)語(yǔ)

從寬溫催化劑示范工程的測(cè)試結(jié)果可知寬溫催化劑能夠滿足鍋爐在全負(fù)荷工況運(yùn)行下的脫硝效率、氨逃逸率、SO2/SO3轉(zhuǎn)化率的要求，從鳳臺(tái)電廠脫硝改造方案比選可知使用寬溫催化劑會(huì)增加一定的投資。鑒于環(huán)保要求的不斷提高，全負(fù)荷脫硝勢(shì)在必行。因此，鳳臺(tái)電廠脫硝改造考慮使用寬溫催化劑。

寬溫催化劑已經(jīng)被證明在275℃～420℃溫度區(qū)間可能穩(wěn)定運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)組的全負(fù)荷脫硝，除了采用省煤器水側(cè)旁路、省煤器煙氣旁路、省煤器分級(jí)等技術(shù)措施外，使用寬溫催化劑也是一種可供借鑒的選擇。

[1]國(guó)家能源局.2015年全國(guó)6000千瓦及以上電廠發(fā)電設(shè)備平均利用小時(shí)情況.2016,1,29.

[2]Zhen Cheng,Jingkun Jiang,Oscar Fajardo.Characteristics and health impacts of particulatematter pollution in China(2001-2011) [J].2012,Atmospheric Environment,65(2013):186-194.

[3]國(guó)家統(tǒng)計(jì)局能源統(tǒng)計(jì)司.中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒2013[R].北京:中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社,2013.

[4]中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì).中電聯(lián)發(fā)布2014年度火電廠環(huán)保產(chǎn)業(yè)信息.2015,5,7.

[5]環(huán)境保護(hù)部.關(guān)于火電廠SCR脫硝系統(tǒng)在鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行情況下NOx排放超標(biāo)有關(guān)問題的復(fù)函環(huán)函[2015]143號(hào).2015,6,19.

[6]閆超,張?zhí)m華.1000MW機(jī)組全負(fù)荷低NOx排放優(yōu)化.電力科學(xué)與工程,2015,12,31(12):61-65.

[7]羅江勇,呂新樂,邊鵬飛,韓琪.600MW超臨界鍋爐全負(fù)荷工況脫硝改造方案探討.山東電力技術(shù),2015,10,42（214）:61-66.

[8]高偉,宋寶軍.1000MW超超臨界鍋爐全負(fù)荷投運(yùn)SCR技術(shù)方案探討.鍋爐制造,2015,1(1):37-39.

[9]黃文靜,戴蘇峰,艾春美,康志宏.電站燃煤鍋爐全負(fù)荷SCR脫硝控制技術(shù)探討.節(jié)能技術(shù),2015,3,2,33（190）：189-192.