燃煤電廠脫硝設(shè)施運(yùn)行績(jī)效提升技術(shù)研究

唐仲愷，李坤元，柏 源，劉 濤，薛建明

(1.南京電力設(shè)備質(zhì)量性能檢驗(yàn)中心 江蘇 南京 210023；2.東南大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，江蘇 南京 210009；3.國(guó)電科學(xué)技術(shù)研究院清潔高效燃煤發(fā)電與污染控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210031)

燃煤電廠脫硝設(shè)施運(yùn)行績(jī)效提升技術(shù)研究

唐仲愷1，李坤元2，柏 源3，劉 濤3，薛建明3

(1.南京電力設(shè)備質(zhì)量性能檢驗(yàn)中心 江蘇 南京 210023；2.東南大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，江蘇 南京 210009；3.國(guó)電科學(xué)技術(shù)研究院清潔高效燃煤發(fā)電與污染控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210031)

通常機(jī)組選型和煤種確定，NOx產(chǎn)生的強(qiáng)度基本定型。隨著2015年脫硝超低排放改造提速推進(jìn)，對(duì)脫硝設(shè)施運(yùn)行績(jī)效提升提出了更高的要求。圍繞低氮燃燒、SCR反應(yīng)器和催化劑三個(gè)方面，開展脫硝設(shè)施運(yùn)行績(jī)效提升技術(shù)研究，為燃煤電廠脫硝設(shè)施運(yùn)行提供技術(shù)參考。

脫硝；運(yùn)行績(jī)效；流場(chǎng)均布；邏輯控制

0 引言

火電行業(yè)的氮氧化物排放績(jī)效，是指發(fā)電機(jī)組平均每發(fā)一度電煙囪排口所排放出的NOx(以NO2計(jì))的數(shù)量，用來綜合反映發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率和NOx排放強(qiáng)度水平。氮氧化物排放績(jī)效標(biāo)準(zhǔn)有力地促進(jìn)電力行業(yè)清潔化發(fā)展，有利于提高電廠的發(fā)電效率，推動(dòng)NOx污染物的治理和總量減排。隨著脫硝超低排放要求及改造工程的推進(jìn)，如何提高脫硝設(shè)施運(yùn)行水平，滿足超低排放要求成為研究的難點(diǎn)。

為此，本文從脫硝設(shè)施運(yùn)行角度出發(fā)，開展燃煤電廠脫硝績(jī)效提升技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)脫硝設(shè)施運(yùn)行績(jī)效最優(yōu)化，探索在最佳可行技術(shù)條件下，實(shí)現(xiàn)火電機(jī)組脫硝設(shè)施最低排放限值。

1 提升排放限值

超低排放要求對(duì)氮氧化物GPS提升是非常明顯的，排放標(biāo)準(zhǔn)值提高，發(fā)電量不變的情況下，排放績(jī)效下降明顯。大部分電廠氮氧化物GPS都有提升潛力，但這個(gè)潛力取決于排放限值的設(shè)定。表1為測(cè)算氮氧化物排放限值與GPS的關(guān)系，發(fā)電煤耗

按300g/(kW·h)評(píng)估。從表可見，只要能滿足超低排放，其績(jī)效是成倍提高，50mg/m3的排放標(biāo)準(zhǔn)比200mg/m3的排放標(biāo)準(zhǔn)績(jī)效提高了304%。

表1 氮氧化物排放限值與GPS的關(guān)系

排放限值/mg·m-3脫硝技術(shù)排放績(jī)效/g·(kW·h)-1400低氮1.70200低氮+SCR(兩層催化劑)0.85100低氮+SCR(兩/三層催化劑)0.4250低氮+SCR(三/四層催化劑)0.21

對(duì)于燃煤電廠脫硝設(shè)施來說，滿足超低排放改造的手段和方法主要兩種：低氮燃燒改造和增加催化劑體積/層數(shù)。

1.1 低氮燃燒器改造

低氮燃燒器改造主要目的是NOx脫硝裝置入口濃度低于300～350mg/m3，脫硝效率控制在85%～92%為最佳效率。過高的效率對(duì)氨氮流場(chǎng)匹配度要求非常高，若偏差較大，則勢(shì)必造成氨逃逸濃度增加，對(duì)尾部設(shè)備(如空預(yù)器)造成影響。進(jìn)行低氮改造是以不犧牲鍋爐熱效率為前提，與鍋爐相匹配，并結(jié)合燃煤特性優(yōu)化運(yùn)行。需要注意的是，在低氮燃燒改造過程中，密切關(guān)注鍋爐爐膛結(jié)渣和水冷壁高溫腐蝕問題。

1.2 增加運(yùn)行脫硝催化劑體積用量/層數(shù)

新建機(jī)組的脫硝設(shè)施催化劑可以按3+1或者3+2方式預(yù)留，現(xiàn)役機(jī)組脫硝設(shè)施可新增1層催化劑備用層，形成3+0的布置方式。催化劑形式可以根據(jù)煤質(zhì)和煙氣條件選擇。增加催化劑備用層需考慮催化劑與煙氣的空速比在合理范圍內(nèi)，通常商業(yè)催化劑的空速范圍在3000～5000h-1，過低的空速會(huì)是的催化劑產(chǎn)生浪費(fèi)，過高的空速會(huì)造成煙氣停留時(shí)間短，不利于NO和NH3在催化劑表面吸附和脫附。滿足100mg/m3氮氧化物排放濃度燃煤機(jī)組實(shí)施超低排放能使得排放績(jī)效提高。

新增催化劑選型時(shí)需注意兩方面的問題，一是根據(jù)煤質(zhì)情況，控制入爐煤硫分，重點(diǎn)關(guān)注催化劑堿金屬中毒和砷中毒問題；二是增加一層催化劑后，將提高SO2/SO3的轉(zhuǎn)化率，硫酸氫銨的生成幾率大大增加，對(duì)后續(xù)設(shè)備如空預(yù)器、布袋除塵器(若有)等造成堵塞腐蝕。

2 全時(shí)段/全負(fù)荷脫硝

環(huán)保部《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))指出，《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》是國(guó)家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，火電廠在任何運(yùn)行負(fù)荷時(shí)，都必須達(dá)標(biāo)排放，這對(duì)脫硝設(shè)施符合超低限值的時(shí)間比率提出了更高要求。表2為鍋爐低負(fù)荷脫硝裝置退出影響NOx排放績(jī)效情況。從表2可以看出，40%和50%低負(fù)荷持續(xù)時(shí)間對(duì)全年NOx排放績(jī)效影響分別為155%和194%。

表2 鍋爐低負(fù)荷脫硝裝置退出影響NOx排放績(jī)效的情況

低負(fù)荷持續(xù)時(shí)間影響全年NOx排放績(jī)效40%及以下8h/d,200h/m,1200h/y155%50%及以下10h/d,250h/m,1500h/y194%

全實(shí)現(xiàn)時(shí)段全負(fù)荷率脫硝目前可行的技術(shù)主要有省煤器分級(jí)、高溫?zé)煔馀月贰⑹∶浩鹘o水旁路及彈性回?zé)峒夹g(shù)等方式，提高SCR入口煙氣溫度，確保在催化劑活性溫度以內(nèi)運(yùn)行SCR反應(yīng)器。其中，省煤器分級(jí)技術(shù)因不影響鍋爐效率，可提高低負(fù)荷條件下脫硝設(shè)施投運(yùn)時(shí)間而倍受青睞。

3 運(yùn)行工況及參數(shù)優(yōu)化

脫硝設(shè)施運(yùn)行優(yōu)化是在合理的煙氣條件和氨氮摩爾比條件下，結(jié)合脫硝反應(yīng)器內(nèi)的實(shí)際工況，使得脫硝裝置設(shè)計(jì)參數(shù)滿足速度、溫度和濃度分布均勻要求。這種調(diào)整主要可以從三個(gè)方向入手，一是煤的燃燒控制；二是流場(chǎng)不均勻性調(diào)整；三是保持適合的氨氮摩爾比。

3.1 煤的燃燒控制

煤的燃燒控制包括配煤摻燒和燃燒器調(diào)整，以往配煤摻燒注意的是熱值和硫分，在控制NOx的要求下應(yīng)該加入揮發(fā)分指標(biāo)。

(1)進(jìn)行配煤摻燒。在低負(fù)荷時(shí)，配燒低揮發(fā)分、低熱量的煤種，能起到提高排煙溫度的效果。燃料揮發(fā)分降低時(shí)，煤粉著火推遲，燃燒的時(shí)間增加，造成爐膛出口溫度增加，排煙溫度升高。另外，燃料的性質(zhì)影響著鍋爐的排煙溫度，燃料低位發(fā)熱量降低，在鍋爐出力維持不變時(shí)，將直接導(dǎo)致燃料量的增加，煙氣量和流速升高，結(jié)果使排煙溫度升高。

(2)優(yōu)化燃燒控制。優(yōu)化燃燒調(diào)整可從從兩個(gè)方面著手：一是抬高燃燒器擺角，使火焰中心上移，從而使?fàn)t膛出口煙溫升高；二是在低負(fù)荷時(shí)，在保證燃燒安全的情況下，相對(duì)增加上層的燃料量、減小下層的燃料量，這樣也能達(dá)到火焰中心的位置上移的效果，進(jìn)而提高煙溫。

3.2 流場(chǎng)均布調(diào)整

脫硝流場(chǎng)不均會(huì)造成一側(cè)通流阻力大、壓損高，氨氮混合不均、煙道積灰、加速內(nèi)構(gòu)件磨損；催化劑局部積灰嚴(yán)重，加速催化劑磨損；氨逃逸超標(biāo)，加速空預(yù)器堵塞和腐蝕性。

(1)流場(chǎng)均布調(diào)整。在機(jī)組啟動(dòng)前(風(fēng)機(jī)試轉(zhuǎn)期間，鍋爐冷態(tài)通風(fēng)條件)下，對(duì)SCR各層催化劑進(jìn)口流場(chǎng)(以上層為主)進(jìn)行多點(diǎn)風(fēng)速測(cè)試，了解SCR設(shè)備的積灰、磨損及煙道內(nèi)部具體結(jié)構(gòu)狀況和流場(chǎng)分布的基本情況，可判斷進(jìn)口流場(chǎng)是否均勻、煙道設(shè)計(jì)是否合理，并為后期可能進(jìn)行的數(shù)值模擬及煙道整流改造提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(2)噴氨格柵優(yōu)化。根據(jù)不同的負(fù)荷下煙氣的流速情況對(duì)該區(qū)域的噴氨手動(dòng)調(diào)整閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù)測(cè)試結(jié)果適當(dāng)調(diào)整噴氨系統(tǒng)以及相關(guān)系統(tǒng)。在SCR進(jìn)口流場(chǎng)、NOx濃度相對(duì)均勻的條件下，通過預(yù)測(cè)試、氨空調(diào)節(jié)總閥調(diào)整、氨空調(diào)節(jié)分閥調(diào)整、故障排除后噴氨裝置調(diào)整等試驗(yàn)內(nèi)容，以達(dá)到SCR出口NOx及氨逃逸相對(duì)均勻，緩解空預(yù)器堵灰的目的。同時(shí)，可對(duì)比分析氨空調(diào)節(jié)前后的效果。

(3) 運(yùn)行中保持合適的氨氮摩爾比。當(dāng)氨氮摩爾比由0.7緩慢增加時(shí)，脫硝效率是線性增加的，而此時(shí)氨的逃逸率是緩慢增加的。氨氮摩爾比達(dá)到1.05時(shí)脫硝效率達(dá)到最大值；隨后隨著氨氮摩爾比的增加，脫硝效率是減小的，NH3超量的話NH3氧化等副反應(yīng)會(huì)增大。當(dāng)氨氮摩爾比超過1時(shí)氨氣逃逸率會(huì)呈拋物線狀急劇增大，從而造成對(duì)環(huán)境的二次污染，也影響脫硝設(shè)施運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)績(jī)效。

4 定期催化劑性能檢測(cè)

近幾年脫硝催化劑市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，催化劑檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)存在主要問題有：降低催化劑生產(chǎn)成本、鈦白粉質(zhì)量不達(dá)標(biāo)、成型催化劑單元體存在長(zhǎng)度方向的形變、催化劑成型后質(zhì)地不均勻、催化劑比表面積和微觀孔隙率顯著偏低、活性低等。這些問題都直接或間接影響催化劑壽命、脫硝效率和脫硝裝置運(yùn)行可靠性。因此有必要對(duì)催化劑性能和狀態(tài)進(jìn)行定期檢測(cè)評(píng)估，科學(xué)制定催化劑全壽命管理措施，確保SCR脫硝裝置核心部件運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

運(yùn)行中的催化劑通過分階段的定期性能檢測(cè)，可以充分掌握催化劑狀態(tài)，對(duì)催化劑惰化時(shí)間進(jìn)行評(píng)估；并且通過檢測(cè)數(shù)據(jù)可以指導(dǎo)運(yùn)行優(yōu)化，結(jié)合催化劑性能狀況和工況條件優(yōu)化運(yùn)行控制，確保脫硝催化劑可靠穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)確保脫硝系統(tǒng)的績(jī)效。

5 脫硝自動(dòng)化邏輯優(yōu)化

脫硝系統(tǒng)對(duì)供氨量的控制通常采用基本控制方式，即固定摩爾比控制或者固定效率控制方式。在該控制方式下系統(tǒng)按照固定的NH3/NOx摩爾比脫除煙氣中NOx。該噴氨系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)對(duì)象為脫硝反應(yīng)器出口煙氣NOx的含量，副調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)對(duì)象為脫硝系統(tǒng)氨空混合器前氨氣流量。此控制策略投運(yùn)以來，當(dāng)入口NOx濃度穩(wěn)定時(shí)，脫硝效果顯著，但是在入口NOx濃度出現(xiàn)較大波動(dòng)時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)調(diào)節(jié)響應(yīng)遲緩，從而影響還原劑噴入過少或噴入過多的現(xiàn)象，這樣就造成了噴氨系統(tǒng)自動(dòng)回路投入不穩(wěn)定，長(zhǎng)久下來會(huì)嚴(yán)重影響脫硝系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

提高脫硝控制邏輯的穩(wěn)定性也能提升脫硝運(yùn)行績(jī)效，可以采用主控回路取出口NOx濃度作為過程值進(jìn)行調(diào)節(jié)，輔控回路取供氨流量作為過程值進(jìn)行調(diào)節(jié)。同時(shí)，在串級(jí)控制框架的基礎(chǔ)上，增加多個(gè)消除干擾因素或者多種參考變量值的控制措施，使之能夠快速響應(yīng)、消除干擾，最終達(dá)到精確控制的目的，邏輯優(yōu)化結(jié)果是能在入口NOx濃度有較大波動(dòng)時(shí)，優(yōu)化后的噴氨系統(tǒng)向氨氣流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)迅速發(fā)出指令，對(duì)煙氣出口NOx濃度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使之在短時(shí)間內(nèi)趨向設(shè)定值。

6 結(jié)語

(1)超低排放標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行，50mg/m3的排放要求比200mg/m3的排放標(biāo)準(zhǔn)績(jī)效提高了304%。

(2)推行全時(shí)段全負(fù)荷脫硝技術(shù)，當(dāng)?shù)拓?fù)荷40%及以下時(shí)間全年累積超過1200h，將影響排放績(jī)效降低155%。

(3)對(duì)運(yùn)行工況和參數(shù)優(yōu)化，分為燃燒端控制、流場(chǎng)均勻性調(diào)整、保持合適氨氮摩爾比。定期對(duì)在運(yùn)催化劑進(jìn)行性能測(cè)試，了解催化劑狀態(tài)，保證其在較高的活性區(qū)間。

(4)結(jié)合電廠實(shí)際情況對(duì)脫硝自動(dòng)化邏輯進(jìn)行優(yōu)化，確保脫硝設(shè)施自動(dòng)裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

[1]中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)部. 關(guān)于印發(fā)《全面實(shí)施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》的通知[EB/OL].http://www.zhb.gov.cn/gkml/hbb/bwj/201512/t20151215_319170.htm?_sm_au_=iVVR2PCFSksVLj6H.

[2]王 潔,騰 農(nóng),張文杰, 等.機(jī)組負(fù)荷對(duì)SCR系統(tǒng)運(yùn)行影響研究[J]. 電力科技與環(huán)保, 2011, 27(3):16-18.

[3]SCR系統(tǒng)在機(jī)組低負(fù)荷條件下運(yùn)行對(duì)策研究[J]. 電力科技與環(huán)保, 2014,30(5):36-37.

[4]張文志,曾毅夫. SCR脫硝系統(tǒng)煙道內(nèi)流場(chǎng)優(yōu)化[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào), 2015, 9(2): 883-887.

[5]樊慶鋅,王明軒,關(guān) 心,等. 某燃煤電廠300MW機(jī)組SCR煙氣脫硝裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]. 化工進(jìn)展, 2014, 33(10):2806-2814.

[6]倪新宇. 火電廠脫硝系統(tǒng)控制分析及優(yōu)化[J]. 華電技術(shù), 2014, 37(2): 65-75.

Study on denitration facilities run performance improvement technique for coal-fired power plant

Generally, the intensity of nitrogen oxides was produced when the selection of unit and coal was determined. Denitration ultra low emission transformation was accelerated quickly since 2015，which put forward higher requirements for coal-fired units. Focus on three aspects of low NOxcombustion,SCRreactorandcatalyst,thedenitrationfacilitiesoperatingperformanceimprovementtechnologyresearchwasstudiedinthispaper,whichprovidedtechnicalreferenceforcoalfiredpowerplantdenitrationfacilityoperation.

denitration; running performance; flow field optimization; logic control

江蘇省環(huán)?？蒲姓n題(SJC2014090288)

X701.7

B

1674-8069(2017)02-041-03

2016-10-16；

2016-11-20

唐仲愷(1985-)，男，江蘇鹽城人，助理工程師，從事火電廠環(huán)保設(shè)施的監(jiān)測(cè)技術(shù)、運(yùn)行維護(hù)及環(huán)保檢測(cè)產(chǎn)品的開發(fā)和工程應(yīng)用。E-mail:gdhb_tzk@163.com