省煤器表面污染對(duì)SCR脫硝經(jīng)濟(jì)性的影響

范軍輝， 寧華兵， 韋 斌， 張 博， 陳 鵬

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)西北電力試驗(yàn)研究院有限公司， 西安 710032)

截至2016年12月，全國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量已達(dá)16.5億kW，其中火電為10.5億kW，占全國(guó)總裝機(jī)容量的66.3%，火電發(fā)電量約占全國(guó)總發(fā)電量的71.6%，其中6 000 kW及以上電廠消耗原煤約18.7億t[1]。氮氧化物(NOx)作為燃煤電站主要排放的污染物之一，嚴(yán)重危害生態(tài)環(huán)境和人類的生命安全[2]。對(duì)此，相關(guān)環(huán)保部門(mén)制定了一系列NOx排放控制標(biāo)準(zhǔn)及政策，但燃煤電站由于在火電行業(yè)占的比例大，依然面臨著較大的減排壓力[3]。

選擇性催化還原煙氣(SCR)脫硝技術(shù)由于脫硝效率高且技術(shù)成熟，被廣泛應(yīng)用于燃煤電站脫硝裝置。國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)SCR催化機(jī)理、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和催化性能等方面進(jìn)行了大量研究[4-6]。煙氣溫度與SCR 煙氣脫硝裝置中的催化劑活性有直接關(guān)系，是影響SCR運(yùn)行特性的關(guān)鍵因素，研究表明針對(duì)目前商業(yè)化SCR中溫釩鈦系催化劑，只有煙氣溫度在320 ℃以上才能保證其具有較高的脫硝效率，而當(dāng)煙氣溫度低于該溫度時(shí)，SCR催化劑活性降低，裝置脫硝效率明顯下降。SCR反應(yīng)煙溫是隨機(jī)組負(fù)荷降低而降低的，因此在低負(fù)荷下由于煙溫低于SCR最低允許溫度導(dǎo)致SCR退出運(yùn)行是目前國(guó)內(nèi)燃煤電站較普遍存在的問(wèn)題[7]。鍋爐運(yùn)行過(guò)程中，省煤器表面污染會(huì)影響脫硝反應(yīng)溫度，由于灰污層的導(dǎo)熱系數(shù)很低，熱阻很大，會(huì)降低受熱面的傳熱效果，直接影響省煤器出口煙溫和SCR系統(tǒng)的脫硝性能。同時(shí)鍋爐排煙溫度提高，鍋爐效率降低，嚴(yán)重的積灰或結(jié)渣對(duì)鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有很大的影響[8]。

盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于鍋爐受熱面潔凈程度對(duì)鍋爐運(yùn)行的影響進(jìn)行了大量研究[9-13]，包括灰污沉積模型、灰污增長(zhǎng)預(yù)測(cè)模型以及受熱面灰污監(jiān)測(cè)和吹灰優(yōu)化等，但省煤器表面污染對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性影響，目前研究還較少。因此，筆者以國(guó)內(nèi)某電廠600 MW機(jī)組為研究對(duì)象，首先設(shè)計(jì)了在50%THA、60%THA和70%THA三種負(fù)荷下的省煤器表面清潔因子CF，進(jìn)而在不同CF下對(duì)各工況進(jìn)行了熱力計(jì)算，研究CF對(duì)鍋爐省煤器主要運(yùn)行參數(shù)和SCR脫硝系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響，在此基礎(chǔ)上分析了增設(shè)0號(hào)高壓加熱器(簡(jiǎn)稱高加)方案對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響，為電廠SCR脫硝系統(tǒng)安全高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供指導(dǎo)。

1 研究對(duì)象及方法

1.1 研究對(duì)象

該電廠600 MW亞臨界燃煤發(fā)電機(jī)組鍋爐采用亞臨界參數(shù)、控制循環(huán)、四角切圓燃燒方式、一次中間再熱、單爐膛平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、緊身封閉、全鋼構(gòu)架的П形汽包爐。鍋爐的設(shè)計(jì)和校核煤種分析見(jiàn)表1。

表1 煤質(zhì)分析

脫硝裝置選用高灰型SCR工藝，采用體積分?jǐn)?shù)為99.6%的液氨作為反應(yīng)劑，每臺(tái)脫硝反應(yīng)器按2+1模式布置設(shè)計(jì)，初裝2層預(yù)留1層。脫硝催化劑采用蜂窩式釩鈦基催化劑，其主要參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 催化劑主要參數(shù)

1.2 計(jì)算方法

首先在50%THA、60%THA和70%THA三種負(fù)荷下進(jìn)行設(shè)計(jì)得到對(duì)應(yīng)工況下省煤器受熱面的不同污染程度，用CF表示，并進(jìn)行鍋爐部分熱力計(jì)算，得到上述三種工況下的省煤器表面CF對(duì)應(yīng)的省煤器主要運(yùn)行參數(shù)以及鍋爐效率，從而可計(jì)算供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗分析機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。減小CF可提高SCR反應(yīng)溫度，一定程度上改善脫硝系統(tǒng)運(yùn)行，這將會(huì)對(duì)電廠的脫硝成本產(chǎn)生影響。根據(jù)文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[14]可知，脫硝成本中氨耗成本和NOx排放費(fèi)用均與脫硝效率有關(guān)，因此需考慮脫硝成本中氨耗成本和NOx排放費(fèi)用的變化。

1.2.1 清潔因子CF

對(duì)于省煤器受熱面污染狀況，用CF來(lái)表示。

(1)

式中：K0為理論計(jì)算傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；K1為實(shí)際運(yùn)行的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)。

當(dāng)CF= 1 時(shí)，受熱面處于理想的潔凈狀態(tài)；當(dāng)CF<1時(shí)，受熱面處于污染狀態(tài)。CF越小說(shuō)明污染越嚴(yán)重，表明積灰結(jié)渣越嚴(yán)重。

1.2.2 煙溫和水溫計(jì)算模型

由于省煤器總受熱面積不變，故整個(gè)省煤器煙氣側(cè)和水側(cè)的換熱量不變，為研究受熱面清潔程度變化改變煙溫原理特性，建立不同CF下煙溫和水溫的計(jì)算模型。

ty″-ts′=(ty′-ts″)e-μKA

(2)

式中：ty′、ty″分別為原省煤器入口、出口的煙溫，℃；ts′、ts″分別為原省煤器入口、出口的水溫，℃；μ為簡(jiǎn)化表達(dá)式引入的系數(shù)，μ=1/qm1c1-1/qm2c2，qm1、qm2分別為水的進(jìn)口和出口質(zhì)量流量，kg/s，c1、c2分別為水的進(jìn)口和出口比熱容，J/(kg·K)；K為傳熱系數(shù)，W/(m2·k)；A為省煤器受熱面積，m2。

根據(jù)熱平衡關(guān)系可得：

ΦA(chǔ)=3.6KAΔtm=D·cp·(ts″-ts′)

(3)

式中：Δtm為省煤器平均溫差，K;cp為水的比定壓熱容，J/(kg·K)；ΦA(chǔ)為熱流量，kJ/h；D為鍋爐實(shí)際負(fù)荷，kg/h。

(4)

式中：Δt′為進(jìn)口煙溫與出口水溫的溫差，K。

聯(lián)立式(2)、式(3)、式(4)可求得ts″、ty″：

(5)

(6)

而將K1=CF·K0、K=K1代入式(5)、式(6)得到：

(7)

(8)

將式(7)、式(8)等號(hào)兩邊分別對(duì)CF求微分，令μK0A=M，可得：

(9)

(10)

由式(9)、式(10)可知：ts″隨CF的減小而減小，而ty″隨CF的減小而增加，因此通過(guò)改變省煤器表面CF，可實(shí)現(xiàn)對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)反應(yīng)煙溫的調(diào)節(jié)。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 CF對(duì)省煤器主要運(yùn)行參數(shù)及排煙溫度的影響

在50%THA、60%THA、70%THA三種負(fù)荷下，根據(jù)所建立的熱力計(jì)算模型，分別計(jì)算了CF為0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0時(shí)，對(duì)省煤器主要運(yùn)行參數(shù)的影響，其結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1CF對(duì)溫度的影響

由圖1可以看出：當(dāng)CF一定，即省煤器表面污染程度相同，ty″隨著負(fù)荷的增加而增加；而當(dāng)負(fù)荷一定，ts″均隨著CF的降低而降低，ty″隨著CF的減小而增加，這主要是由于省煤器表面被污染導(dǎo)致?lián)Q熱變差。根據(jù)熱力計(jì)算的結(jié)果，在50%THA工況下，當(dāng)CF為1.0時(shí)(省煤器表面未被污染)，省煤器出口煙溫等于原始設(shè)計(jì)下的省煤器出口煙溫301 ℃(在60%THA工況下為312 ℃，在70%THA工況下為328 ℃)，即SCR入口煙溫為初始計(jì)算值；當(dāng)CF下降到0.7時(shí)(實(shí)際傳熱系數(shù)僅為理想傳熱系數(shù)的0.7)，SCR反應(yīng)器入口煙溫比污染前提高了40.1 K(在60%THA工況下為40.7 K，在70%THA工況下為45.5 K)?？梢钥闯觯瑃y″變化明顯，所以表面被污染在一定程度上可提高煙溫，達(dá)到催化劑最佳反應(yīng)溫度范圍(340～360 ℃)，但表面污染嚴(yán)重，換熱效果不佳，容易造成排煙溫度升高，在50%THA工況下排煙溫度提高了12.8 K(在60%THA工況下為13.4 K，在70%THA工況下為14.7 K)，直接導(dǎo)致鍋爐效率下降。研究表明，電站鍋爐600 MW 機(jī)組其排煙溫度每升高10 K，鍋爐效率下降0.4%～0.6%[15]，并根據(jù)文獻(xiàn)[7]，估算得到相應(yīng)的供電煤耗將增加約5 g/(kW·h)，其燃煤成本將增加500元/h，嚴(yán)重影響鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性；同時(shí)考慮若機(jī)組在高負(fù)荷下運(yùn)行，表面污染嚴(yán)重其出口煙溫是否會(huì)超過(guò)允許的最高溫度(430 ℃)。由計(jì)算結(jié)果可以看出負(fù)荷在70%THA工況下，當(dāng)CF<0.7時(shí)，煙溫提升最明顯，尤其是CF為0.5時(shí)，SCR入口煙溫由328 ℃增加到了434.9 ℃，已超過(guò)允許的最高溫度(<430 ℃)，考慮對(duì)受熱面表面及時(shí)進(jìn)行吹灰操作，已防止SCR脫硝系統(tǒng)反應(yīng)溫度超溫。

2.2 CF對(duì)脫硝成本變化的影響

由于在不同的負(fù)荷下，SCR煙溫水平不同，而且不同CF下導(dǎo)致的SCR煙溫也不同，因此不同工況下CF變化對(duì)應(yīng)的SCR效率水平及其增幅也并不相同。根據(jù)SCR脫硝效率與SCR入口煙溫的關(guān)系圖[16]，查得50%THA、60%THA和70%THA工況下的CF所對(duì)應(yīng)的SCR入口煙溫及脫硝效率，由于在60%THA和70%THA工況下當(dāng)CF為0.5時(shí)，省煤器出口煙溫已超400 ℃(效率曲線給出的溫度是300～400 ℃)，因此只研究CF為0.6～1.0時(shí)的變化，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 CF對(duì)脫硝效率的影響

由圖2可見(jiàn)：CF由1.0降為0.6，50%THA工況下脫硝效率一直增加，而60%THA和70%THA工況下脫硝效率是先增加后減小，這主要是由于CF引起煙溫變化(是否在最佳反應(yīng)溫度范圍)，從而改變脫硝效率。在50%THA工況下， SCR脫硝效率由85.4%提升至89.2%，增幅為4.2百分點(diǎn)(而60%THA工況下和70%THA工況下分別在CF降為0.7和0.8時(shí)脫硝效率最高，分別提高了2.9百分點(diǎn)和1.5百分點(diǎn))，與理想CF工況下相比，這相當(dāng)于在50%THA工況下多噴了7.7 kg/h的氨(在60%THA工況下為6.4 kg/h，在70%THA工況下為4.4 kg/h)，若氨水價(jià)格按3 000元/t估算，則氨耗成本降低了23.1元/h(在60%THA工況下為20.1元/h，在70%THA工況下為13.8元/h)，說(shuō)明CF降低在提升煙溫的同時(shí)，也在一定程度上降低了SCR氨耗成本(見(jiàn)圖3)。

圖3 CF對(duì)氨耗成本的影響

若噴氨量一定，SCR脫硝效率提高，出口NOx排放質(zhì)量濃度將會(huì)降低，從而降低NOx排放費(fèi)用。在50%THA工況下，CF降為0.6時(shí)，出口NOx排放質(zhì)量濃度由44.1 kg/h降低到了31.6 kg/h，降低了12.5 kg/h(在60%THA工況下為10.2 kg/h，在70%THA工況下為5.7 kg/h)，NOx排放費(fèi)用將降低了30.1元/h(在60%THA工況下為24.5元/h，在70%THA工況下為13.8元/h)[7]，說(shuō)明省煤器表面污染在提升煙溫的同時(shí)也會(huì)降低SCR脫硝成本，而且污染越嚴(yán)重，越能節(jié)省脫硝成本(見(jiàn)圖4)。當(dāng)CF降為0.6、機(jī)組在70%THA工況下，由于脫硝效率較CF=1.0時(shí)要低，所以此工況下NOx排放費(fèi)用增加了2.3元/h。

圖4 CF對(duì)NOx排放費(fèi)用的影響

綜上所述，當(dāng)省煤器表面被污染，且CF降低越多，其煙溫升高越明顯，在CF下降到一定范圍內(nèi)，促進(jìn)SCR脫硝系統(tǒng)反應(yīng)煙溫提升，使得SCR脫硝效率有所增加，這在一定程度上相當(dāng)于降低了氨耗成本，節(jié)省了NOx排放費(fèi)用，但同時(shí)排煙溫度的升高會(huì)增加機(jī)組運(yùn)行的燃煤成本。當(dāng)CF由1.0降到0.6，在50%THA工況下SCR脫硝效率增加了4.2%，其脫硝成本最多降低30.1元/h，但排煙溫度增加了20.5 K，對(duì)應(yīng)的燃煤成本經(jīng)估算將會(huì)增加500元/h以上。根據(jù)文獻(xiàn)[7]研究結(jié)果，采用增設(shè)0號(hào)高加控制SCR脫硝煙溫方案，當(dāng)給水溫度提升30 K，在50%THA工況下SCR煙溫提高了22 K，脫硝效率增加了2.1%，脫硝成本總共降低了27.3元/h，而燃煤成本卻增加了156.7元/h。對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)，采用增設(shè)0號(hào)高加方案對(duì)機(jī)組運(yùn)行更經(jīng)濟(jì)，但投資成本較高，包括設(shè)備初投資500萬(wàn)元/套以及增加的抽汽系統(tǒng)、高壓給水系統(tǒng)會(huì)增加約100萬(wàn)元的管件、閥門(mén)、支吊架等的投資費(fèi)用，況且由于未預(yù)留增加0號(hào)高加空間，從工藝角度來(lái)看，實(shí)施難度較大[17]。

為滿足國(guó)家環(huán)保關(guān)于NOx排放要求，當(dāng)機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)建議采用省煤器表面污染控制SCR脫硝系統(tǒng)反應(yīng)煙溫方案，實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)及時(shí)根據(jù)煙溫變化判斷省煤器污染程度，以防止受熱面嚴(yán)重超溫。當(dāng)省煤器表面受污染嚴(yán)重，其表面CF下降明顯，則需要投入省煤器吹灰器，清除省煤器表面的積灰，同時(shí)耦合使用低溫省煤器以消除吹灰后對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行的不利影響，保證SCR系統(tǒng)安全高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，該研究可為電廠吹灰優(yōu)化工作提供一定的參考。

3 結(jié)語(yǔ)

(1) 根據(jù)熱平衡方程建立省煤器CF與出口水溫、煙溫的計(jì)算模型，并通過(guò)熱力計(jì)算，結(jié)果表明：ts″隨著CF的降低而降低，而ty″隨著CF的減小而增加，這主要是由于省煤器表面被污染導(dǎo)致?lián)Q熱效果變差，與理論計(jì)算結(jié)果一致。

(2) 省煤器表面被污染，即CF下降，CF降低越多，說(shuō)明表面污染越嚴(yán)重，同時(shí)SCR反應(yīng)煙溫升高越明顯，當(dāng)CF下降到一定的范圍內(nèi)，可達(dá)到催化劑最佳反應(yīng)溫度范圍(340～360 ℃)，從而改善低負(fù)荷下SCR運(yùn)行。

(3) 當(dāng)省煤器表面CF下降，提高SCR脫硝效率，這在一定程度上相當(dāng)于降低了氨耗成本，節(jié)省了NOx排放費(fèi)用，但同時(shí)排煙溫度的升高會(huì)增加機(jī)組運(yùn)行的燃煤成本。

(4) 在機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，根據(jù)煙溫變化及時(shí)判斷省煤器污染程度，若需要投入省煤器吹灰器，應(yīng)同時(shí)耦合使用低溫省煤器，保證改善SCR脫硝系統(tǒng)安全高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。