燃用復(fù)雜劣質(zhì)煤鍋爐脫硝系統(tǒng)可靠性研究

貴州西電電力股份有限公司黔北發(fā)電廠 張 軼

引言

十二五規(guī)劃中明確燃煤火力發(fā)電廠存量機(jī)組對(duì)大氣污染物排放必須達(dá)標(biāo)排放，標(biāo)準(zhǔn)是粉塵≤30mg/Nm3、SO2≤200mg/Nm3（W型火焰鍋爐排放值為400mg/Nm3）、NOx≤200mg/Nm3，達(dá)不到要求的須進(jìn)行技術(shù)改造。新建燃煤火力發(fā)電廠的大氣污染區(qū)按照超低排放標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，標(biāo)準(zhǔn)為粉塵≤10mg/Nm3(核心控制區(qū)粉塵5mg/Nm3)、SO2≤35mg/Nm3、NOx≤50mg/Nm3。2020年9月22日，國(guó)家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論提出中國(guó)對(duì)于環(huán)境保護(hù)提出碳達(dá)峰、碳中和3060目標(biāo)，即中國(guó)二氧化碳的排放量在2030年排放達(dá)到峰值，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，這個(gè)目標(biāo)提出后，國(guó)家對(duì)于火力發(fā)電廠污染物排放大戶的排放標(biāo)準(zhǔn)一律按照超低排放標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，所有存量的W 型火焰燃煤發(fā)電鍋爐已經(jīng)開始啟動(dòng)超低排放改造，完成時(shí)間在十四五期間完成。

對(duì)于除塵系統(tǒng)、脫硫系統(tǒng)，技術(shù)路線成熟、工藝系統(tǒng)可靠性高，無(wú)論是存量機(jī)組的技術(shù)改造還是新建機(jī)組的建設(shè)投運(yùn)，均易達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)；而我國(guó)燃煤火力發(fā)電廠脫硝系統(tǒng)的技改投運(yùn)時(shí)間在十二五期間開始，實(shí)際運(yùn)行至今不過(guò)十年多，對(duì)于燃用優(yōu)質(zhì)動(dòng)力煤的火力發(fā)電廠，煙氣大氣污染物即使按照超低排放控制，脫硝系統(tǒng)的安全可靠性是較高的；而對(duì)于燃用復(fù)雜劣質(zhì)煤（即高硫份、高灰份、高堿金屬含量）的火力發(fā)電廠，不論是存量機(jī)組還是新建機(jī)組，脫硝系統(tǒng)均存在可靠性低、運(yùn)行維護(hù)成本高等系列的問題，降低機(jī)組安全可靠性、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，增加了NOx排放超標(biāo)的環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)。

1 概述

某燃煤火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)有4×300MW 發(fā)電機(jī)組，燃用本地?zé)o煙煤，鍋爐選用“W”型火焰燃燒，2004年全部投產(chǎn)，同步投運(yùn)電除塵器，投產(chǎn)后燃用煤種與設(shè)計(jì)煤種偏離范圍小，鍋爐運(yùn)行安全穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)性好。2006年四臺(tái)機(jī)組技改增加了煙氣脫硫裝置，2010年根據(jù)國(guó)家對(duì)發(fā)電廠煙氣排放污染物排放的環(huán)保要求，再次對(duì)脫硫系統(tǒng)和除塵系統(tǒng)升級(jí)改造，滿足煙氣污染物粉塵和SO2達(dá)標(biāo)排放。2013年～2015年四臺(tái)機(jī)組鍋爐技術(shù)改造增加了煙氣脫硝系統(tǒng)，脫硝工藝選用選擇性催化還原法脫硝技術(shù)（SCR）裝置，滿足煙氣NOx達(dá)標(biāo)排放，投運(yùn)初期脫硝系統(tǒng)運(yùn)行安全穩(wěn)定，可靠性高。

國(guó)家在十二五規(guī)劃末期根據(jù)當(dāng)時(shí)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀況提出的“三去一降一補(bǔ)”政策，電廠所在地政府職能部門執(zhí)行煤炭行業(yè)去產(chǎn)能一刀切關(guān)停煤礦降低產(chǎn)能，沒有綜合考慮當(dāng)?shù)啬茉唇Y(jié)構(gòu)對(duì)煤炭的需求，導(dǎo)致十三五開局就出現(xiàn)火力發(fā)電廠動(dòng)力煤需求量遠(yuǎn)大于市場(chǎng)供應(yīng)量，煤價(jià)飆升推高發(fā)電成本，而當(dāng)時(shí)的火力發(fā)電側(cè)市場(chǎng)化改革實(shí)行競(jìng)價(jià)上網(wǎng)政策，各發(fā)電集團(tuán)和企業(yè)無(wú)序競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致簽訂的市場(chǎng)電價(jià)低于成本價(jià)，火力發(fā)電企業(yè)虧損嚴(yán)重，到2021年火力發(fā)電企業(yè)普遍虧損的局面也沒有的改善。

從2016年開始該企業(yè)經(jīng)營(yíng)虧損嚴(yán)重，為控制燃料成本只有采購(gòu)當(dāng)?shù)貜?fù)雜劣質(zhì)煤發(fā)電，其特點(diǎn)是揮發(fā)份低、高灰份、中高硫份、高堿金屬含量、中低熱值的貧煤或無(wú)煙煤，具有難著火、燃燒難穩(wěn)定、難燃盡、燃燒性能差的特點(diǎn)，由于燃用煤種偏離設(shè)計(jì)、校核煤種范圍太大，灰份和硫份的翻倍增加，造成脫硝系統(tǒng)堵灰嚴(yán)重、催化劑破損嚴(yán)重，脫硝裝置安全可靠性降低、運(yùn)行維護(hù)成本高，并給脫硝后的下游設(shè)備帶來(lái)諸多次生問題，降低了機(jī)組安全可靠性和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。通過(guò)近幾年探索和不斷改進(jìn)實(shí)踐，對(duì)脫硝系統(tǒng)的問題點(diǎn)逐一研究攻克，如今基本解決了燃用復(fù)雜劣質(zhì)煤條件下發(fā)電廠鍋爐脫硝裝置故障率高、可靠性低的問題，不僅保證了機(jī)組運(yùn)行的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)性，還能保證機(jī)組全時(shí)段NOx的達(dá)標(biāo)排放，對(duì)同類型火力發(fā)電廠脫硝系統(tǒng)的正常運(yùn)行有參考和指導(dǎo)意義。

2 常見問題及危害

脫硝系統(tǒng)進(jìn)、出口煙道積灰，轉(zhuǎn)向煙道導(dǎo)流板積灰，降低有效通流截面積，形成煙氣流場(chǎng)不均勻，增加煙氣系統(tǒng)阻力，增加風(fēng)機(jī)電耗，抬升廠用電率。出口煙道積灰形成的煙氣流場(chǎng)不均還導(dǎo)致出口NOx測(cè)量誤差偏大，脫硝自動(dòng)投運(yùn)效果不佳，氨逃逸率超標(biāo)；噴氨格柵噴嘴積灰堵塞，造成噴氨不均勻，降低脫硝效率；振流格柵積灰堵塞，造成煙氣偏斜流場(chǎng)不均、系統(tǒng)阻力增加，降低脫硝效率，氨逃逸率超標(biāo)；脫催化劑堵灰嚴(yán)重、磨損嚴(yán)重，脫硝系統(tǒng)處理能力和效率下降，催化劑實(shí)際壽命只有約10000小時(shí)，達(dá)不到設(shè)計(jì)壽命24000小時(shí)，NOx超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)增加，降低機(jī)組安全可靠性和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

氨逃逸超標(biāo)（設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)≤3ppm）運(yùn)行，超標(biāo)量在5～8倍，煙氣中產(chǎn)生硫酸氫氨的量增加，導(dǎo)致脫硝系統(tǒng)下游設(shè)備、部件上粘附硫酸氫氨裹挾灰塵聚集，造成設(shè)備堵塞、損壞、功能喪失，降低設(shè)備的安全可靠性和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

空預(yù)器蓄熱元件粘附硫酸氫氨積灰堵塞的危害。蓄熱元件表面粘附硫酸氫氨積灰后，擠占了元件之間的煙氣流通斷面增減煙氣阻力，導(dǎo)致空預(yù)器煙氣、空氣側(cè)阻力增加，引發(fā)風(fēng)機(jī)出力不足機(jī)組不能帶額定負(fù)荷，對(duì)于單爐設(shè)計(jì)兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)的布置方式運(yùn)行中甚至?xí)l(fā)生引風(fēng)機(jī)搶風(fēng)、喘振的危險(xiǎn)工況，造成風(fēng)機(jī)損壞事故；蒸汽吹灰器對(duì)蓄熱元件該類型積灰清掃效果差，只有連續(xù)投運(yùn)吹灰器才能維持空預(yù)器壓差不增加，既增加了吹灰蒸汽消耗量成本，又加劇了蓄熱元件的吹損速度；減少了元件、空氣、煙氣熱交換面積，降低空預(yù)器熱交換能力，一方面一、二次熱風(fēng)溫度達(dá)不到設(shè)計(jì)值鍋爐燃燒不穩(wěn)，另一方面鍋爐排煙溫度升高，鍋爐效率降低，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性差（表1）。

表1 空預(yù)器堵塞前后參數(shù)變化

電袋除塵器的電除塵陰、陽(yáng)極粘附硫酸氫氨積灰，造成陰極線放電減弱甚至不能放電，粉塵不能荷電移動(dòng)到陽(yáng)極板吸附，電除塵效率降低或喪失，增加粉塵超標(biāo)排放的風(fēng)險(xiǎn)；布袋粘附硫酸氫氨積灰，布袋透氣率降低，在線噴吹積灰脫落少、效果差，布袋阻力增加、除塵效率降低；對(duì)于除塵器布袋，一旦表面積灰就是不可逆的損壞，現(xiàn)有工藝即使離線噴吹也無(wú)法清理干凈積灰，只有更換新布袋才能恢復(fù)除塵效率，增加運(yùn)行維護(hù)成本。

尾部煙道及其支撐鋼梁粘附硫酸氫氨積灰，造成鋼構(gòu)件超重、腐蝕，降低設(shè)備安全可靠性。引風(fēng)機(jī)進(jìn)口靜葉、出口導(dǎo)葉粘附硫酸氫氨積灰，造成部件腐蝕損壞，葉片聚集則會(huì)造成葉輪不平衡運(yùn)行時(shí)振動(dòng)超標(biāo)，降低設(shè)備安全可靠性；在噴氨調(diào)節(jié)門、流量計(jì)處發(fā)生氨結(jié)晶堵塞通道，增加供氨阻力，減少供氨流量，降低脫硝系統(tǒng)處理能力；氨空混合器積灰堵塞，稀釋風(fēng)流量降低，噴氨量減少，降低脫硝系統(tǒng)的處理能力，降低脫硝系統(tǒng)安全可靠性、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

3 原因分析及對(duì)應(yīng)的技術(shù)方案

3.1 脫硝系統(tǒng)進(jìn)出口煙道、轉(zhuǎn)向煙道導(dǎo)流板積灰的主要原因

原因之一是設(shè)計(jì)不合理。由于存量機(jī)組脫硝改造工作集中在國(guó)家十二五規(guī)劃期間，設(shè)計(jì)單位技術(shù)能力良莠不齊，沒有考慮變工況的積灰，煙道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致的積灰；原因之二是中國(guó)提出碳達(dá)標(biāo)、碳中和3060目標(biāo)后，大量的清潔能源光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電蜂擁投產(chǎn)，擠占火力發(fā)電份額，火力發(fā)電量逐年減少，且光伏、風(fēng)電負(fù)荷受天氣變化影響大，現(xiàn)有政策依靠火力發(fā)電承擔(dān)調(diào)峰任務(wù)，火電機(jī)組負(fù)荷每天在30～100%之間波動(dòng)，峰谷差大，低負(fù)荷時(shí)段長(zhǎng)，低負(fù)荷時(shí)段煙氣流速低造成煙道積灰。

應(yīng)對(duì)積灰的技術(shù)方案就是重新選擇有技術(shù)改造實(shí)力、技術(shù)改造運(yùn)行業(yè)績(jī)的設(shè)計(jì)單位針對(duì)性進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)當(dāng)前脫硝積灰部位考慮燃煤灰份高、粘性大、負(fù)荷峰谷差大等因素?cái)?shù)字建模模擬流場(chǎng)，分析原因，找出流場(chǎng)偏斜、不均勻的問題，重新優(yōu)化煙道設(shè)計(jì)方案，增加煙氣擾流裝置，解決流場(chǎng)不均的問題，現(xiàn)在已完成三臺(tái)機(jī)組脫硝系統(tǒng)優(yōu)化改造工作，實(shí)際運(yùn)行時(shí)間在16000小時(shí)以上，實(shí)踐證明煙氣流場(chǎng)不均的問題徹底解決。

3.2 噴氨格柵噴嘴積灰堵塞、噴氨不均勻問題的解決

優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)，選用不易積灰的大口徑噴嘴解決積灰問題；并在噴嘴出口煙道斷面增加擾流裝置，增強(qiáng)煙氣斷面擾動(dòng)混合，彌補(bǔ)部分噴嘴堵塞工況下噴氨不均的問題；噴氨格柵在煙道截面分區(qū)控制，對(duì)應(yīng)的脫硝出口煙道分區(qū)測(cè)量，精細(xì)化控制調(diào)整，提高脫硝效率。針對(duì)區(qū)控制振流格柵積灰堵塞的問題，結(jié)合煙道、格柵優(yōu)化設(shè)計(jì)改造，選擇合適的格柵孔徑和高度，實(shí)現(xiàn)積灰堆積失穩(wěn)自動(dòng)脫落，避免積灰封孔堵塞。機(jī)組每次停運(yùn)時(shí)須清理噴氨格柵噴嘴積灰，并通稀釋風(fēng)檢查確保噴嘴暢通；清理干凈格柵孔積灰。采取以上技術(shù)方案和維護(hù)工作后，噴氨格柵和振流格柵堵塞降低脫硝處理效率的問題基本解決。

3.3 其他問題

催化劑堵塞、磨損的問題。在解決煙道流場(chǎng)不均和噴氨格柵、振流格柵堵塞的情況下，合理選擇蒸汽吹灰器的蒸汽壓力和吹灰頻次，優(yōu)化聲波吹灰器控制邏輯自動(dòng)吹灰，對(duì)吹灰器的缺陷及時(shí)消除處理，機(jī)組每次停運(yùn)清理干凈催化劑孔隙間積灰，催化劑堵塞、損壞的情況得到明顯改善，壽命得到延長(zhǎng)，脫硝系統(tǒng)的安全可靠性和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性得到提高。

針對(duì)氨逃逸率超標(biāo)的問題，運(yùn)行中盡量投運(yùn)噴氨自動(dòng)，并注意負(fù)荷變化時(shí)脫硝系統(tǒng)的處理能力，發(fā)現(xiàn)排放值超標(biāo)及時(shí)處理，氨逃逸率超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)3ppm及時(shí)調(diào)整，若通過(guò)調(diào)整都不能滿足要求，必須降低負(fù)荷運(yùn)行，氨逃逸率持續(xù)超標(biāo)，必須有計(jì)劃安排檢查評(píng)估催化劑運(yùn)行狀況和壽命，對(duì)于活性降低失效的催化劑有計(jì)劃安排及時(shí)更換，保證氨逃逸率小于標(biāo)準(zhǔn)值。

針對(duì)空預(yù)器蓄熱元件粘附硫酸氫氨積灰堵塞的問題，采購(gòu)蓄熱元件時(shí)選擇合適的板型，結(jié)構(gòu)上不易積灰、蒸汽吹掃效果好，并且滿足換熱要求；冬天環(huán)境溫度低時(shí)投運(yùn)暖風(fēng)器或熱風(fēng)再循環(huán)，保證一、二次風(fēng)冷風(fēng)溫度加熱到大于20℃，避免低溫?zé)煔饨Y(jié)露積灰堵塞；機(jī)組停運(yùn)時(shí)對(duì)空預(yù)器蓄熱元件開展高壓水沖洗工作，沖洗干凈蓄熱元件之間積灰并烘干元件；通過(guò)以上措施后，空預(yù)器蓄熱元件堵塞的狀況明顯改善，不影響機(jī)組的正常運(yùn)行。

鍋爐尾部煙道支撐鋼梁、電除塵陰陽(yáng)極、布袋表面粘附硫酸氫氨積灰問題的解決方法，除了停運(yùn)時(shí)必須清理干凈外，其核心關(guān)鍵還是要控制脫硝系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)氨逃逸不超標(biāo)，一旦發(fā)生超標(biāo)運(yùn)行、及時(shí)調(diào)整在允許范圍內(nèi)，若調(diào)整無(wú)效果，則及時(shí)安排機(jī)組停運(yùn)檢查、檢修，修復(fù)損壞的部件；對(duì)于在液氨流量計(jì)、調(diào)節(jié)門處發(fā)生結(jié)晶堵塞的問題，主要原因還是溫度低造成，通過(guò)在流量計(jì)、調(diào)節(jié)門進(jìn)口側(cè)的管道上增加蒸汽伴熱（或煙氣伴熱）提高液氨的輸送溫度大于20℃，就不會(huì)發(fā)生結(jié)晶；同時(shí)也要嚴(yán)格把關(guān)液氨質(zhì)量，若液氨含的雜質(zhì)多也會(huì)發(fā)生雜質(zhì)沉積在閥芯處。

氨空混合器堵塞的原因是灰塵長(zhǎng)期聚集堆積、減少通流面積。在脫硝系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，必須監(jiān)視稀釋風(fēng)流量是否正常，若流量明顯低于設(shè)計(jì)值，則需對(duì)系統(tǒng)管路閥門、氨空混合器進(jìn)行排查處理，對(duì)于氨空混合器，必須隨機(jī)組等級(jí)檢修開展定期檢查清洗工作。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)一系列技術(shù)改造、運(yùn)行調(diào)整、定期檢查維護(hù)等系統(tǒng)治理和運(yùn)行調(diào)整后，該廠基本解決了燃用復(fù)雜劣質(zhì)煤脫硝系統(tǒng)可靠性低的問題，能夠保證機(jī)組的正常運(yùn)行，催化劑的壽命在20000小時(shí)以上，但與全國(guó)同類型的火力發(fā)電廠比較，催化劑的壽命還是達(dá)不到設(shè)計(jì)值，催化劑末端堵灰影響其壽命的問題還沒有徹底解決，影響機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，需要繼續(xù)研究解決的問題。

通過(guò)調(diào)研，在全國(guó)燃煤火力發(fā)電廠中該廠脫硝系統(tǒng)存在的問題多，多種不利因素疊加降低了脫硝系統(tǒng)的安全可靠性，在逐個(gè)技術(shù)難題的攻關(guān)過(guò)程中走了許多彎路，貴在專業(yè)技術(shù)人員堅(jiān)持不懈的努力和上級(jí)公司的支持，通過(guò)近五年的技術(shù)改造和運(yùn)行摸索調(diào)整，脫硝系統(tǒng)存在的問題基本解決，為類似煤質(zhì)發(fā)電應(yīng)用探索出一條可行的技術(shù)路線。