燃煤電廠寬溫催化劑全負(fù)荷脫硝的應(yīng)用研究

劉海蛟 程紀(jì)東 孫 科 李清毅 李文華 潘良金 吳衛(wèi)紅

1 浙江天地環(huán)?？萍加邢薰?/p>

2 浙江浙能溫州發(fā)電有限公司

3 浙江大學(xué)

燃煤電廠寬溫催化劑全負(fù)荷脫硝的應(yīng)用研究

劉海蛟1程紀(jì)東1孫 科1李清毅1李文華2潘良金1吳衛(wèi)紅3

1 浙江天地環(huán)保科技有限公司

2 浙江浙能溫州發(fā)電有限公司

3 浙江大學(xué)

研究了寬溫催化劑在燃煤電廠的全負(fù)荷脫硝應(yīng)用。該新型SCR寬溫催化劑在設(shè)計(jì)煤種條件下35%～100% BMCR工況時(shí)，脫硝效率不小于85%，氨逃逸率不大于3 ppm，SO2/SO3轉(zhuǎn)化率小于1%。研究結(jié)果表明，在100%負(fù)荷工況下，脫硝效率85.31%，氨逃逸率2.30 ppm，SO2/SO3轉(zhuǎn)化率0.835%。35%負(fù)荷工況下，脫硝效率85.05%，氨逃逸率2.51 ppm。在試驗(yàn)工況條件下，各項(xiàng)保證參數(shù)均達(dá)到保證值。

脫硝；SCR；寬溫；催化劑；全負(fù)荷

DOI∶10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.02.002

1 前言

我國一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)以煤為主，2015年能源消費(fèi)總量43.0億t標(biāo)準(zhǔn)煤，煤炭消費(fèi)量占能源消費(fèi)總量的64.0%[1]。中國的一次能源結(jié)構(gòu)決定了我國的電力結(jié)構(gòu)是以煤電為主，2015年底全國火電裝機(jī)容量9.9億kW[2]。火電廠煤燃燒產(chǎn)生大量的氮氧化物，對環(huán)境保護(hù)造成不利的影響。為了降低氮氧化物對環(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6.87億kW，占全國火電機(jī)組容量的75.0%，占全國煤電機(jī)組容量的83.2%[3]。

SCR采用的催化劑對煙氣溫度有下限要求，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷較低（煙氣溫度低于300℃）時(shí)，催化劑活性下降，造成脫硝效率下降，氨逃逸率上升，生成硫酸氫銨造成空預(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SCR系統(tǒng)對機(jī)組的不利影響，發(fā)電企業(yè)多采取SCR系統(tǒng)低負(fù)荷停止運(yùn)行的策略。針對發(fā)電企業(yè)在低負(fù)荷退出SCR系統(tǒng)投運(yùn)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[4]。使煙溫滿足SCR全負(fù)荷脫硝的常規(guī)措施是對鍋爐/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、省煤器分級改造、汽輪機(jī)高壓缸抽汽回?zé)岬燃夹g(shù)[5～8]。上述措施費(fèi)用較高，工期長、對機(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，對于解決燃煤電廠全負(fù)荷脫硝有重要意義，本文對新型寬溫催化劑在燃煤電廠的全負(fù)荷脫硝應(yīng)用進(jìn)行研究。

2 燃煤電廠概況

該電廠鍋爐系引進(jìn)國外技術(shù)，由上海鍋爐廠制造的SG-1025/17.5-M869 型亞臨界中間一次再熱控制循環(huán)汽包爐，配用中速磨直吹式制粉系統(tǒng)，固態(tài)排渣，π型布置、單爐膛、平衡通風(fēng)、爐膛四角正反切圓燃燒。噴嘴擺動(dòng)可調(diào)，燃用易結(jié)渣性煙煤。爐前布置五臺(tái)HP-863型中速磨煤機(jī)，每臺(tái)磨煤機(jī)出口4根煤粉管道接一層燃燒器。在脫硝改造期間同時(shí)進(jìn)行了取消旁路改造、鍋爐低氮燃燒器改造、汽輪機(jī)節(jié)能增容改造、干式靜電除塵器高頻電源改造，改造后過熱蒸汽流量由1 025 t/h擴(kuò)容到1087 t/h。

該機(jī)組在2012年進(jìn)行了脫硝改造，每臺(tái)鍋爐安裝兩臺(tái)SCR脫硝反應(yīng)器，每個(gè)反應(yīng)器安裝了兩層催化劑。機(jī)組在2015年進(jìn)行了超低排放改造，結(jié)合鍋爐低氮燃燒器燃燒調(diào)整，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的方式進(jìn)行全負(fù)荷脫硝應(yīng)用示范。設(shè)計(jì)脫硝入口氮氧化物濃度300 mg/Nm3（6%O2），SO2/SO3轉(zhuǎn)化率不超過1%，氨逃逸率不超過3 ppm。

3.測量方法

3.1 氮氧化物

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SCR脫硝反應(yīng)器的進(jìn)出口各測點(diǎn)逐點(diǎn)測試，主要測試煙氣中的NO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。

3.2 氨逃逸

在SCR反應(yīng)器出口測點(diǎn)位置測試，每個(gè)測量面的測點(diǎn)數(shù)不少于3點(diǎn)。測試方法參照《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。采樣裝置如圖1所示。

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；1.318—氨體積折算系數(shù)，L/g；MNH3—SCR出口煙氣中氨含量（標(biāo)態(tài)、干基、6%O2），μg；VNH3—抽取煙氣體積（標(biāo)態(tài)、干基、6%O2），L。

圖1 氨逃逸濃度采集裝置

圖2 SO3采樣系統(tǒng)

3.3 SO3濃度

每個(gè)測量面的測點(diǎn)數(shù)不少于3點(diǎn)。測試方法參照《石灰石-石膏濕法煙氣脫硫裝置性能驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)范》DL/T998-2006附錄A。采樣裝置如圖2所示。

通過化學(xué)分析，按照如下公式得出煙氣中SO3的濃度：

式中：CSO3—三氧化硫濃度（標(biāo)態(tài)、干基、6%O2），mg/m3；0.833—硫酸根對三氧化硫的折算系數(shù)；L—洗液的容積，0.1L；X—洗液中硫酸根離子的含量，mg/L；V—抽取的煙氣體積（標(biāo)態(tài)、干基、6%O2），m3。

3.4 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的采樣方法參照執(zhí)行DL/T 998 附錄A的規(guī)定。通過測量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，%；MSO2—SO2的摩爾質(zhì)量，g/mol；MSO3—SO3的摩爾質(zhì)量，g/mol；CSO3out—SCR反應(yīng)器出口煙氣中SO3濃度（標(biāo)態(tài)、干基、6%O2），mg/m3；CSO3in—SCR反應(yīng)器入口煙氣中SO3濃度（標(biāo)態(tài)、干基、6%O2），mg/m3；CSO2in—SCR反應(yīng)器入口煙氣中SO2濃度（標(biāo)態(tài)、干基、6%O2），mg/m3。

4 研究內(nèi)容

4.1 滿負(fù)荷工況脫硝性能

對滿負(fù)荷工況下，按照3.1節(jié)的測試方法對SCR反應(yīng)器進(jìn)出口氮氧化物濃度和氧量進(jìn)行測量，從而計(jì)算出SCR的脫硝效率；按照3.2節(jié)的測試方法對多個(gè)測量點(diǎn)的氨逃逸率進(jìn)行測量，從而計(jì)算出SCR的氨逃逸率；按照3.3和3.4節(jié)的測試方法對多個(gè)測量點(diǎn)的二氧化硫和三氧化硫的濃度進(jìn)行測量，從而計(jì)算出SCR的SO2/SO3轉(zhuǎn)化率。具體測量結(jié)果如圖3所示。

圖3是滿負(fù)荷工況下SCR入口氮氧化物濃度分布情況，從圖中可以看出入口的氮氧化物濃度分布較為均勻，相對標(biāo)準(zhǔn)表差只有3.86%。圖4是滿負(fù)荷工況下SCR出口氮氧化物濃度分布情況，從圖中可以看出，由于煙道的翻轉(zhuǎn)和偏斜，噴氨區(qū)域的速度場有一定的偏差，在入口的氮氧化物濃度較為均勻情況下，出口的氮氧化物濃度分布相對標(biāo)準(zhǔn)偏差有所增加。脫硝效率85.31%。

表1是滿負(fù)荷工況下SO2/SO3轉(zhuǎn)化率測試結(jié)果，在滿負(fù)荷工況下（入口煙氣溫度375℃），寬溫催化劑的SO2/SO3轉(zhuǎn)化率滿足不超過1%的要求。

表2是滿負(fù)荷工況下氨逃逸率測試數(shù)據(jù)，從結(jié)果中可以看出氨逃逸率滿足不超過3 ppm的要求。

4.2 最低穩(wěn)燃負(fù)荷工況脫硝性能

SO2/SO3的化率對溫度變化敏感，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，煙溫較低，SO2/SO3轉(zhuǎn)化率不是關(guān)注的重點(diǎn)。最低穩(wěn)燃負(fù)荷主要考量脫硝效率和氨逃逸率。

圖4是最低穩(wěn)燃負(fù)荷工況下SCR入口氮氧化物濃度分布情況，圖4是最低穩(wěn)燃負(fù)荷工況下SCR出口氮氧化物濃度分布情況。從圖中可以看出，在低負(fù)荷情況下入口的氮氧化物分布濃度有所變化，在噴氨格柵沒有隨之調(diào)整的情況下，出口的氮氧化物濃度分布波動(dòng)較大。脫硝效率85.05%。

圖3 滿負(fù)荷入口NOx濃度分布

圖4 滿負(fù)荷出口NOx濃度分布

表1 SO2/SO3轉(zhuǎn)化率測試數(shù)據(jù)

表2 氨逃逸率測試數(shù)據(jù)

圖5 最低穩(wěn)燃負(fù)荷入口NOx濃度分布

圖6 最低穩(wěn)燃負(fù)荷出口NOx濃度分布

表3 氨逃逸率測試數(shù)據(jù)

表3是最低穩(wěn)燃負(fù)荷工況下（煙氣溫度275℃）氨逃逸率測試數(shù)據(jù)，從結(jié)果中可以看出氨逃逸率滿足不超過3 ppm的要求。

5 結(jié)論

（1）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，是解決當(dāng)前SCR脫硝系統(tǒng)難以適應(yīng)負(fù)荷變化的有效途徑。

（2）為了進(jìn)一步提升負(fù)荷變化時(shí)噴氨量的精確控制，脫硝改造應(yīng)結(jié)合噴氨格柵細(xì)調(diào)進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。

[1] 國家統(tǒng)計(jì)局 《中華人民共和國2015 年國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》 2016 年 2 月 29 日

[2]國家能源局 《2015年全國6000千瓦及以上電廠發(fā)電設(shè)備平均利用小時(shí)情況》 2016年1月29日

[3]中國電力企業(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年5月7日

[4]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 2015年6月19日

[5]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 第31卷第12期 2015年12月 61-65

[6]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) 第42卷（總第214期） 2015年第10期61-66

[7]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 第1期 2015年1月 37-39

[8]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) 第2期 第33卷(總第190期) 2015年3月 189-192

Study on Wide Temperature Catalyst
Full Load Denitrification Application at Coal-Fired Power Plant

Liu Haijiao1, Cheng Jidong1, Sun Ke1, Li Qingyi1, Li Wenhua2, Pan Liangjin1, Wu weihong3

1 Zhejiang Province Tiandi Environment Protection Technology Co.,Ltd
2 Zhejiang Province Zhe Energy Wenzhou Power Generation Co.,Ltd
3 Zhejiang University

∶The author studies wide temperature catalyst full load application at coal-fired power plant. The brand new SCR wide temperature denitrification rate is above 85%, ammonia escaping rate is under 3ppm and SO2/SO3conversion rate is under 1% when design condition of coal variety is between 35%～100%. The experiment result shows that denitrification efficiency is 85.31%, ammonia escaping rate is 2.3 ppm and SO2/SO3conversion rate is 0.835% when load condition is 100%. The experiment result also shows that denitrification efficiency is 85.05%, ammonia escaping rate is 2.51 ppm when load condition is 35%. All parameters are guaranteed under test conditions.

∶Denitrification, SCR, Wide Temperature, Catalyst, Full Load

劉海蛟：（1978.02-），男，工程師，主要從事電廠環(huán)保技術(shù)研究和設(shè)計(jì)工作。