電廠630 MW 機(jī)組寬溫脫硝催化劑設(shè)計(jì)方案研究

王星星

（國(guó)能粵電臺(tái)山發(fā)電有限公司，廣東 臺(tái)山 529000）

1 脫硝系統(tǒng)研究

臺(tái)山電廠初裝機(jī)容量為5 臺(tái)600 MW 和2 臺(tái)1 000 MW 等級(jí)機(jī)組。一期工程1～5 號(hào)機(jī)組為5 臺(tái)600 MW 機(jī)組，“十四五”期間分別將1/3/4/5 號(hào)機(jī)進(jìn)行升級(jí)為630 MW。1 號(hào)機(jī)組作為寬溫脫硝催化劑技術(shù)示范落地機(jī)組?；谠O(shè)計(jì)參數(shù)，以及實(shí)際煙氣參數(shù)，完成寬溫催化劑的選型設(shè)計(jì)，并進(jìn)行性能及安全性評(píng)估。國(guó)家能源集團(tuán)北京低碳清潔能源研究院進(jìn)行寬溫脫硝催化劑開發(fā)，適用溫度區(qū)間為240～420 ℃[1-2]。

1 號(hào)機(jī)組設(shè)置并列兩臺(tái)SCR 反應(yīng)器，布置在省煤器與空預(yù)器之間。反應(yīng)器尺寸為15 490 mm×8 760 mm×20 m（長(zhǎng)×寬×高），催化劑按照8×9 形式布置（8×8 為標(biāo)準(zhǔn)模塊，1×8 為非標(biāo)模塊）。2013 年3 月，脫硝系統(tǒng)上、中層安裝康寧催化劑；2017 年5 月下層加裝國(guó)電龍?jiān)创呋瘎Ｃ撓醴磻?yīng)劑為無水液氨，氨含量為99.6%。每臺(tái)SCR 反應(yīng)器各設(shè)置一套氨/空氣混合系統(tǒng)，用于氨與稀釋空氣的混合。

1.1 脫硝系統(tǒng)進(jìn)出口參數(shù)

鍋爐在BMCR 工況脫硝系統(tǒng)入口煙氣中污染物成分（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，干基，6%O2）：煙塵濃度的設(shè)計(jì)值為14 g/Nm3、NOx濃度的設(shè)計(jì)值為300 mg/Nm3，SO2濃度的設(shè)計(jì)值為1 750 mg/Nm3，SO3濃度的設(shè)計(jì)值為50 mg/Nm3，Cl(HCl)濃度的設(shè)計(jì)值為50 mg/Nm3。鍋爐設(shè)計(jì)煤種下不同。省煤器出口（設(shè)計(jì)煤種）濕煙氣量/溫度：BMCR 工況下4 509 074 m3/h/366℃，50%THA 工況下1 844 268 m3/h/296℃。鍋爐BMCR 工況煙氣成分（濕基、過量空氣系數(shù)為1.20）Vol%：O2為3.25，SO2為0.04。SCR 出口污染物濃度(6%O2，標(biāo)態(tài)，干基)：NOx＜50 mg/Nm3，NH3≤3 ppm。

1.2 脫硝系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行分析

1 號(hào)機(jī)設(shè)計(jì)煤種全硫檢測(cè)數(shù)據(jù)為0.4%，SO2濃度為1 750 mg/Nm3（按0.7%設(shè)計(jì)），SO3濃度為50 mg/Nm3。根據(jù)DCS 數(shù)據(jù)顯示，機(jī)組啟爐時(shí)SO2濃度大概為500～700 mg/Nm3。低負(fù)荷時(shí)煙氣中NOx濃度高，高負(fù)荷時(shí)煙氣中NOx濃度低。從鍋爐點(diǎn)火到并網(wǎng)經(jīng)歷10～12 h，并網(wǎng)負(fù)荷為30 MW，并網(wǎng)3 小時(shí)后負(fù)荷升至160 MW，煙氣溫度達(dá)到約290 ℃，寬溫催化劑改造前要求煙溫290 ℃投氨。寬溫改造后，要求煙溫270 ℃投氨。機(jī)組在240 MW～630 MW 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間，脫硝系統(tǒng)入口煙氣溫度為310～360 ℃，SO2在600～1 400 mg/Nm3范圍內(nèi)波動(dòng)。

2 設(shè)計(jì)方案評(píng)估

基于脫硝系統(tǒng)進(jìn)出口參數(shù)和實(shí)際運(yùn)行情況分析，對(duì)1 號(hào)機(jī)寬溫催化劑更換方案進(jìn)行可行性評(píng)估和設(shè)計(jì)。更換方案為在2021 年11 月將上、中層催化劑更換為由寬溫催化劑，第三層催化劑保持不變。方案實(shí)施后，實(shí)現(xiàn)機(jī)組脫硝系統(tǒng)煙溫達(dá)到270 ℃（并網(wǎng)前）即可投氨運(yùn)行，在0～100%負(fù)荷范圍內(nèi)，出口NOx濃度滿足超低排放標(biāo)準(zhǔn)。圖1 為寬溫催化劑更換后系統(tǒng)布局。

圖1 寬溫催化劑更換后脫硝系統(tǒng)內(nèi)催化劑的布局

2.1 脫硝催化劑活性衰減估算

2020 年5 月，曾經(jīng)對(duì)1 號(hào)機(jī)催化劑進(jìn)行了年度檢測(cè)，經(jīng)過測(cè)算，第一層和第二層年均衰減率8.0～8.4%。備用層年均衰減率為7.7%?？梢娚?、中層催化劑由于運(yùn)行環(huán)境更為惡劣，催化劑衰減速率快[3-4]。（見圖2）

圖2 1 號(hào)機(jī)組常規(guī)脫硝催化劑設(shè)計(jì)衰減曲線

按2021 年11 月，上、中寬溫催化劑投入運(yùn)行時(shí)間計(jì)算，第三層常規(guī)催化劑已運(yùn)行約28 000 h，表1 為常規(guī)催化劑隨時(shí)間的變化，活性衰減情況?？紤]從此時(shí)間節(jié)點(diǎn)推后24 000 h（寬溫催化劑性能保證期），即第三層常規(guī)催化劑已運(yùn)行60 000 h，估算出的活性，從而計(jì)算出寬溫催化劑24 000 h 后，反應(yīng)器的整體脫硝效率，氨逃逸，見表1。寬溫催化劑衰減曲線見圖3，運(yùn)行24 000 h，理論K/K0=0.75。根據(jù)臺(tái)山電廠實(shí)際運(yùn)行情況，24 000 后，K/K0=0.754-0.76，因此結(jié)合寬溫催化劑理論衰減，以及臺(tái)山電廠實(shí)際煙氣條件綜合分析得到設(shè)計(jì)K/K0=0.75，可以滿足要求[5]。

圖3 寬溫脫硝催化劑設(shè)計(jì)衰減曲線

表1 常規(guī)催化劑活性隨時(shí)間衰減

2.2 脫硝效率和氨逃逸測(cè)算

對(duì)技術(shù)方案進(jìn)行脫硝效率與氨逃逸評(píng)估，提出1 號(hào)機(jī)組并網(wǎng)投脫硝的催化劑更換方案：2021 年11 月將1 號(hào)機(jī)組2 個(gè)反應(yīng)器上、中兩層更換為寬溫催化劑，催化劑用量364 m3，下層催化劑保留。

根據(jù)相關(guān)催化劑反應(yīng)原理及工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)上、中層更換為寬溫催化劑并運(yùn)行24 000 h，常規(guī)催化劑運(yùn)行60 000 h 時(shí)，進(jìn)行脫硝效率與氨逃逸評(píng)估。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際勘查，催化劑模塊平均堵孔率為2～5%，因此本次計(jì)算考慮5%催化劑模塊堵塞，催化劑總表面積相當(dāng)于下降5%后的脫硝效率與氨逃逸，結(jié)果見表2。

表2 分層計(jì)算脫硝效率和氨逃逸

系統(tǒng)運(yùn)行三年后，上、中兩層寬溫催化劑運(yùn)行24 000h，下層常規(guī)催化劑運(yùn)行60 000h，通過測(cè)算可知，兩層寬溫催化劑出口NOx濃度小于35 mg/Nm3，兩層氨逃逸小于2.8 ppm，兩層寬溫催化劑脫硝效率>82.3%；整個(gè)脫硝系統(tǒng)的效率>85.4%，氨逃逸＜0.21 ppm。換寬溫催化劑后能滿足機(jī)組在270℃投脫硝，仍能穩(wěn)定運(yùn)行?？紤]到流場(chǎng)分布和催化劑隨運(yùn)行后堵塞等問題，實(shí)際氨逃逸會(huì)略高于理論值，建議每年進(jìn)行噴氨調(diào)平優(yōu)化，保證出口較低的氨逃逸。催化劑運(yùn)行三年后更準(zhǔn)確地壽命預(yù)測(cè)需要結(jié)合年檢報(bào)告完成。

3 低溫運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)分析

脫硝系統(tǒng)正常投運(yùn)要求煙溫在最低連續(xù)運(yùn)行溫度(MOT)以上。MOT 為一定NH3和SO3濃度下的煙氣在催化劑孔隙中開始凝結(jié)硫酸氫銨（ABS）的溫度。當(dāng)煙溫低于ABS 露點(diǎn)溫度時(shí)，液態(tài)ABS 進(jìn)入催化劑微孔中覆蓋活性表面，限制脫硝反應(yīng)進(jìn)行。煙氣中ABS 結(jié)露是SCR低負(fù)荷投運(yùn)的主要限制因素，因此催化劑應(yīng)避免在MOT 以下運(yùn)行，防止ABS 堵塞催化劑微孔。基于此，本項(xiàng)目對(duì)各層催化劑的ABS 結(jié)露溫度及MOT 進(jìn)行了評(píng)估。催化劑在低溫下連續(xù)運(yùn)行，由于煙氣中的NH3、SO3和H2O 生成ABS，堵塞催化劑微孔，覆蓋活性位，易導(dǎo)致催化劑緩慢失效。隨著催化劑不斷運(yùn)行，活性下降，中、下層催化劑入口NH3濃度逐漸升高，因此ABS 結(jié)露問題提高，催化劑低溫運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)會(huì)提高。

通過計(jì)算，煙氣中的SO2分別為1 750 mg/Nm3（設(shè)計(jì)值）時(shí)，各層催化劑的ABS 結(jié)露溫度，見表3。評(píng)估寬溫催化劑性能保證周期內(nèi)，以寬溫催化劑運(yùn)行三年后為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，各層催化劑ABS 的結(jié)露溫度、MIT（最低投氨溫度）和MOT。上層寬溫脫硝催化劑：5%并網(wǎng)-100%負(fù)荷下，[SO2]=1 750 mg/Nm3，脫硝反應(yīng)器上層催化劑ABS 的露點(diǎn)范圍為261～269 ℃，最低連續(xù)運(yùn)行溫度（MOT）為281～289 ℃。在5%并網(wǎng)負(fù)荷下，270 ℃開始投氨，此時(shí)投氨溫度高于ABS結(jié)露臨界點(diǎn)，在270～290 ℃溫度條件下可穩(wěn)定運(yùn)行。中層寬溫脫硝催化劑：5%并網(wǎng)-100%負(fù)荷下，脫硝反應(yīng)器中層催化劑ABS的露點(diǎn)范圍為240～244 ℃，最低連續(xù)運(yùn)行溫度為260～264 ℃，催化劑實(shí)際運(yùn)行溫度高于MOT，中層催化劑可穩(wěn)定投氨運(yùn)行，無ABS 結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)。下層常規(guī)脫硝催化劑：5%并網(wǎng)-100%負(fù)荷下，脫硝反應(yīng)器下層催化劑的ABS 露點(diǎn)范圍為205～223 ℃，最低連續(xù)運(yùn)行溫度為225～243 ℃，催化劑實(shí)際運(yùn)行溫度高于MOT，下層催化劑可穩(wěn)定投氨運(yùn)行，無ABS 結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)。

表3 1 號(hào)機(jī)組脫硝催化劑ABS 露點(diǎn)估算

4 結(jié)論

（1） 對(duì)安裝上層、中層寬溫催化劑、下層常規(guī)催化劑不變的改造方案進(jìn)行性能評(píng)估。從寬溫催化劑初裝到運(yùn)行三年后，本方案可滿足啟爐及深度調(diào)峰工況的脫硝，并且脫硝系統(tǒng)出口NOx濃度＜35 mg/Nm3，氨逃逸小于3 ppm。

（2） 更換寬溫催化劑后，在啟爐時(shí)（煙溫270～290 ℃）和深度調(diào)峰負(fù)荷下（煙溫290～366 ℃），脫硝反應(yīng)器上層催化劑床層的ABS 結(jié)露露點(diǎn)溫度為261～269 ℃，中層寬溫催化劑和下層常規(guī)催化劑ABS 結(jié)露溫度更低。脫硝系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行溫度均高于最低連續(xù)運(yùn)行溫度，因此機(jī)組啟停爐和深度調(diào)峰時(shí)催化劑運(yùn)行無安全風(fēng)險(xiǎn)。

（3） 經(jīng)過對(duì)安裝寬溫催化劑后的脫硝系統(tǒng)效果及其運(yùn)行安全性進(jìn)行評(píng)估后，寬溫催化劑設(shè)計(jì)及更換方案可行，滿足項(xiàng)目要求。