330 MW燃煤火電機(jī)組SCR煙氣脫硝系統(tǒng)的優(yōu)化分析

蔣 政

（四川廣安發(fā)電有限責(zé)任公司，四川 廣安 638000）

0 引言

燃煤火電廠的基本工作原理是通過(guò)燃燒煤炭將其蘊(yùn)含的能源轉(zhuǎn)化為電能，最終應(yīng)用于人們的生活生產(chǎn)。在實(shí)際能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，煤炭燃燒使用效率不高，煙氣排放處理不達(dá)標(biāo)，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，影響著社會(huì)生活環(huán)境。SCR煙氣脫硝技術(shù)的應(yīng)用，能夠降低火電廠的能源消耗，實(shí)現(xiàn)超低排放，提高企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

1 SCR煙氣脫硝系統(tǒng)介紹

SCR，全稱為Selective Catalytic Reduction，即選擇性催化還原技術(shù)，是一種現(xiàn)代化降低燃煤NOX排放的系統(tǒng)。其工作流程，是將反應(yīng)還原劑以液體形式儲(chǔ)存于噴槍罐中，在蒸發(fā)器內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)氣化，再經(jīng)過(guò)噴氨格柵進(jìn)入SCR 反應(yīng)器中，從而與煙氣發(fā)生反應(yīng)，有效降低NOX含量。SCR 煙氣脫硝系統(tǒng)中主要包括噴氨格柵、導(dǎo)流板、整流器、催化劑以及SCR 反應(yīng)器等結(jié)構(gòu)，通過(guò)氧化還原反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)將煙氣中NOX轉(zhuǎn)化成氮?dú)夂退_(dá)到煙氣脫硝的目的。

2 SCR煙氣脫硝系統(tǒng)優(yōu)化意義

目前，火電廠工作的主要燃料便是煤炭資源，通過(guò)煤炭的燃燒推動(dòng)鍋爐發(fā)動(dòng)，從而生產(chǎn)電能。但在長(zhǎng)期發(fā)電工作過(guò)程中煤炭消耗量較大，據(jù)統(tǒng)計(jì)，火電廠所消耗煤炭占我國(guó)全部煤炭資源的55%以上，資源在短時(shí)間內(nèi)無(wú)法得到相應(yīng)補(bǔ)充，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了一定的破壞。且煤炭的不完全燃燒還會(huì)造成二氧化碳及硫化物、氮氧化物等有害氣體的排放，對(duì)發(fā)電廠周邊環(huán)境造成一定的污染。此外，燃料燃燒效率低會(huì)導(dǎo)致大量煤炭無(wú)法得到充分的利用，造成資源浪費(fèi)的同時(shí)增加了發(fā)電廠的投入成本。由于燃煤火電廠火力發(fā)電的機(jī)制限制，在鍋爐日常工作中經(jīng)常出現(xiàn)熱量消耗，在熱量資源轉(zhuǎn)化為電力資源的過(guò)程中產(chǎn)生資源浪費(fèi)。鍋爐的空氣預(yù)熱器存在漏風(fēng)問(wèn)題，導(dǎo)致煤炭的燃燒所需氧氣不足，無(wú)法實(shí)現(xiàn)燃料的完全燃燒，造成大量污染煙氣排放。

發(fā)電廠要緊跟時(shí)代步伐，利用SCR 煙氣脫硝系統(tǒng)等技術(shù)，有效降低燃煤火電機(jī)廠的生產(chǎn)成本，減輕節(jié)能減排的工作壓力，實(shí)現(xiàn)企業(yè)長(zhǎng)期的可持續(xù)化發(fā)展。以甘肅電投武威熱電有限公司為例，該公司已實(shí)現(xiàn)了超低排放技術(shù)的應(yīng)用，在脫硫方面，采用石灰石或石膏濕法煙氣脫硫工藝，不設(shè)煙氣旁路。通過(guò)固定的石灰石粉供應(yīng)商，利用罐裝車將脫硫劑送到火電廠，然后通過(guò)倉(cāng)泵輸送進(jìn)石灰儲(chǔ)倉(cāng)。在脫硝方面，采用選擇性催化還原法（SCR）脫硝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)80%以上的脫除效率，按照該公司的脫硝反應(yīng)劑按液氨設(shè)計(jì)，以2×350 MW 機(jī)組為例，其年需液氨用量約1 800 t，將液氨用密閉罐裝卡車運(yùn)輸至廠內(nèi)，儲(chǔ)存于氨罐中，其工程還原劑采用的是直接從市場(chǎng)外購(gòu)純度約為99.6%的液氨。

3 330 MW 燃煤火電機(jī)組常見運(yùn)行問(wèn)題

我國(guó)燃煤火電燃煤電廠環(huán)保理念發(fā)展起步較晚，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有一定的差距，主要是因?yàn)槲覈?guó)環(huán)保措施較為落后，企業(yè)過(guò)度重視工業(yè)生產(chǎn)效果，缺乏員工環(huán)保意識(shí)培養(yǎng)，燃煤發(fā)電環(huán)保效果不理想。在脫硝處理環(huán)節(jié)，缺乏對(duì)于驗(yàn)測(cè)量噴氨優(yōu)化調(diào)整前后NOX和NH3濃度的分布情況調(diào)查，無(wú)法得知脫硝系統(tǒng)氨逃逸量。大量煤炭資源無(wú)法得到充分利用，造成資源浪費(fèi)的同時(shí)增加了火電燃煤發(fā)電廠的投入成本，造成了生態(tài)環(huán)境破壞。燃煤火電廠制粉系統(tǒng)的工作性能直接影響著煙塵污染情況，若其工作性能較低，不僅會(huì)造成一定的空氣污染，更會(huì)使鍋爐熱量大幅度消耗，造成資源浪費(fèi)。

以國(guó)家能源菏澤發(fā)電有限公司6 號(hào)爐為例，該燃煤火電脫硝項(xiàng)目由北京國(guó)電龍?jiān)喘h(huán)保工程有限公司總承包，于2017 年3 月26 日正式停爐，不設(shè)置SCR 反應(yīng)器煙氣旁路和省煤器高溫旁路系統(tǒng)，缺乏煙氣脫硝系統(tǒng)的還原劑制備采用液氨法方案。相關(guān)人員在進(jìn)行機(jī)械情況調(diào)查時(shí)，發(fā)現(xiàn)空預(yù)器冷端和噴氨渦流板中的噴氨優(yōu)化煙道深度方向不均，存在空預(yù)器堵塞及低溫腐蝕的情況，渦流板表面存在大量積灰現(xiàn)象，部分噴氨管已經(jīng)被積灰堵塞，影響噴氨量和噴氨效果[1]。

4 330 MW 燃煤火電機(jī)組SCR煙氣脫硝系統(tǒng)的優(yōu)化探討

4.1 脫硝原理

在進(jìn)行330 MW 燃煤火電機(jī)組SCR 煙氣脫硝系統(tǒng)作業(yè)時(shí)，主要位于省煤器與空預(yù)器之間，工作環(huán)境一般為400 ℃～600 ℃。由于SCR 煙氣脫硝系統(tǒng)中的催化劑活性較強(qiáng)，能夠促進(jìn)氨氣進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，進(jìn)而完成燃煤脫硝。其工作原理，是將NH3作為反應(yīng)還原劑，進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，并根據(jù)反應(yīng)速率，可以分為速率較快的反應(yīng)公式，如式（1）所示，以及速率較慢的反應(yīng)公式，如式（2）所示。在330 MW燃煤火電機(jī)組SCR 煙氣脫硝系統(tǒng)中，包括導(dǎo)流板、SCR 反應(yīng)器以及噴氨格柵等，待處理煙氣會(huì)經(jīng)過(guò)煙道進(jìn)入SCR 反應(yīng)器，并與噴氨格柵中噴出的催化劑進(jìn)行混合，經(jīng)過(guò)氧化還原反應(yīng)后，使煙氣中的污染物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氮?dú)馀c水，從而完成330 MW 燃煤火電機(jī)組SCR 煙氣脫硝作業(yè)。

4.2 數(shù)據(jù)測(cè)量

在進(jìn)行330 MW 燃煤火電機(jī)組SCR 煙氣脫硝系統(tǒng)的優(yōu)化研究時(shí)，需要對(duì)系統(tǒng)脫硝數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，包括脫硝入口數(shù)據(jù)、噴氨后數(shù)據(jù)以及未凈化煙氣逃逸量，主要針對(duì)SCR 反應(yīng)器的出入口、噴氨后系統(tǒng)內(nèi)煙氣溫度變化、組分及流速。通常利用等截面多點(diǎn)網(wǎng)格法，在SCR 反應(yīng)器出口上的垂直煙道以及脫硝出口上的垂直煙道，分別布置不同孔位的數(shù)據(jù)測(cè)量點(diǎn)。使用FLUKE（福祿克）和K 型熱電偶，對(duì)煙氣溫度進(jìn)行測(cè)量，并用TESTO350（煙氣分析儀）對(duì)煙氣中的污染氣體所含情況進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合便攜式氨氣分析儀，有效控制噴氨下游氨氣的濃度。

4.3 系統(tǒng)建模

SCR 煙氣脫硝系統(tǒng)的凈化效果影響因素，主要為煙氣排量、氨氣排量以及SCR 反應(yīng)器入口的煙氣濃度。以十里泉電廠330 MW燃煤火電機(jī)組SCR 煙氣脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)為研究對(duì)象，可以將SCR 煙氣脫硝系統(tǒng)凈化過(guò)程，當(dāng)做兩方面輸入、單方面輸出的氣體流動(dòng)模型，將其流量變化及SCR 反應(yīng)器入口處NOX的濃度作為輸入變量，SCR 反應(yīng)器出口處NOX的濃度作為輸出變量。過(guò)程中，需要采集系統(tǒng)噴氨量閥門開度、負(fù)荷情況、煙氣排量、噴氨量、SCR 反應(yīng)器入口處NOX的濃度以及SCR 反應(yīng)器出口處NOX的濃度等數(shù)據(jù)，從而建立SCR反應(yīng)器模型，其辨識(shí)參數(shù)，如式（3）所示。

式中：s為時(shí)間單位。相關(guān)物理量選擇SCR 反應(yīng)器進(jìn)口、出口 NOX濃度的基準(zhǔn)值，分別為 500 mg/m3、50 mg/m3時(shí)得到的辨識(shí)結(jié)果數(shù)據(jù)。

4.4 實(shí)施要點(diǎn)

一般來(lái)說(shuō)，SCR 煙氣脫硝系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)330MW燃煤火電機(jī)組30%～70%的脫硝效果，但在實(shí)際作業(yè)環(huán)節(jié)，還要注意SCR 反應(yīng)器內(nèi)溫度、爐內(nèi)NOX濃度以及噴槍數(shù)量的配置和氨水濃度的確定等。首先，在60 MW～90 MW 符合條件下，應(yīng)將SCR 反應(yīng)器內(nèi)溫度控制在1 000 ℃左右，這與“根據(jù)鍋爐特性和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，最佳的溫度窗口通常出現(xiàn)在折焰角附近”的結(jié)論一致。其次，爐內(nèi)NOX濃度分布對(duì)于系統(tǒng)脫硝效率有著重要影響作用，適時(shí)在NOX高濃度區(qū)域噴灑氨水，能夠促進(jìn)SCR 反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)充分，從而保證330 MW 燃煤火電機(jī)組脫硝效果。但由于NOX自身性質(zhì)較為不穩(wěn)定，無(wú)法控制其均勻分布在反應(yīng)器內(nèi)，工作人員需要在煤粉燃燒后，根據(jù)煙氣流動(dòng)情況進(jìn)行NOX濃度調(diào)整。最后，在滿足系統(tǒng)噴射作業(yè)范圍的前提下，應(yīng)控制噴槍數(shù)量的配置和氨水濃度，從而有效提高脫硝效率。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，噴槍數(shù)量和氨水濃度的配置確定最佳情況為標(biāo)高29 m 處裝備2 只噴槍，標(biāo)高31 m 處裝備4 只噴槍，氨水濃度控制在11%～16%，此時(shí)SCR 反應(yīng)器能夠?qū)崿F(xiàn)最多100%符合條件下的NOX排放環(huán)保要求。此外，對(duì)于還原劑在反應(yīng)環(huán)節(jié)的停留時(shí)間，主要通過(guò)對(duì)一、二、三次風(fēng)的合理調(diào)節(jié)，也就是燃燒調(diào)整來(lái)進(jìn)行有效控制，具體作業(yè)需要根據(jù)各臺(tái)鍋爐情況不同進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

4.5 注意事項(xiàng)

一方面，燃煤火電機(jī)廠要加強(qiáng)對(duì)脫硝技術(shù)及灰渣資源的應(yīng)用處理，在降低污染源排放的同時(shí)，還能為燃煤火電機(jī)廠提供更高的經(jīng)濟(jì)效益。SCR 煙氣脫硝技術(shù)的應(yīng)用，不僅會(huì)提高后續(xù)工作的轉(zhuǎn)化效果，更會(huì)減緩燃煤設(shè)備的腐蝕程度，加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)效果。另一方面，應(yīng)大力發(fā)展新型清潔能源，例如風(fēng)能、太陽(yáng)能和水能等，調(diào)整發(fā)電能源結(jié)構(gòu)，降低對(duì)燃煤資源的過(guò)度采伐。利用清潔能源進(jìn)行發(fā)電生產(chǎn)，不僅能夠降低環(huán)境污染，更能緩解企業(yè)對(duì)煤炭資源的依賴，提高經(jīng)濟(jì)效益。持續(xù)開發(fā)綠色清潔能源，能夠保證生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作的順利開展，采取有效措施進(jìn)行節(jié)能減排，完善能源結(jié)構(gòu)。例如，光伏電站系統(tǒng)就是一種很好的新能源利用系統(tǒng)，它是指一種利用晶硅板、逆變器等電子元件組成特殊材料，將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)化為電能，并向電網(wǎng)輸送電力的光伏發(fā)電系統(tǒng)，是國(guó)家大力支持的綠色電力開發(fā)能源項(xiàng)目。以某地光伏電站系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為例，其一年接收到的有效日照時(shí)間為1 600 h，標(biāo)稱容量為1 kW，電度表記錄其年發(fā)電量為1 300 kWh/kW，根據(jù)公式（4）可知，其年光伏電站系統(tǒng)效率為81.25%。

式中：PRT為在T時(shí)間段內(nèi)光伏電站的平均系統(tǒng)效率；ET為在T時(shí)間段內(nèi)光伏電站輸入電網(wǎng)的電量；Pe為光伏電站組件裝機(jī)的標(biāo)稱容量；hT為T時(shí)間段內(nèi)方陣面上的峰值日照時(shí)數(shù)。

5 結(jié)論

綜上所述，目前燃煤火電廠工作的主要燃料還是煤炭資源，通過(guò)煤炭的燃燒推動(dòng)鍋爐發(fā)動(dòng)，從而制造電能，該發(fā)電方式會(huì)對(duì)燃煤火電廠周邊環(huán)境造成一定的污染。因此，我們應(yīng)該加強(qiáng)SCR 煙氣脫硝系統(tǒng)在330 MW 燃煤火電機(jī)組中的優(yōu)化分析，探索燃煤火電廠綠色發(fā)展，以期實(shí)現(xiàn)全方位超低排放。