王星星
(國能粵電臺山發(fā)電有限公司,廣東 臺山 529000)
臺山電廠初裝機容量為5 臺600 MW 和2 臺1 000 MW 等級機組。一期工程1~5 號機組為5 臺600 MW 機組,“十四五”期間分別將1/3/4/5 號機進行升級為630 MW。1 號機組作為寬溫脫硝催化劑技術示范落地機組?;谠O計參數,以及實際煙氣參數,完成寬溫催化劑的選型設計,并進行性能及安全性評估。國家能源集團北京低碳清潔能源研究院進行寬溫脫硝催化劑開發(fā),適用溫度區(qū)間為240~420 ℃[1-2]。
1 號機組設置并列兩臺SCR 反應器,布置在省煤器與空預器之間。反應器尺寸為15 490 mm×8 760 mm×20 m(長×寬×高),催化劑按照8×9 形式布置(8×8 為標準模塊,1×8 為非標模塊)。2013 年3 月,脫硝系統(tǒng)上、中層安裝康寧催化劑;2017 年5 月下層加裝國電龍源催化劑。脫硝反應劑為無水液氨,氨含量為99.6%。每臺SCR 反應器各設置一套氨/空氣混合系統(tǒng),用于氨與稀釋空氣的混合。
鍋爐在BMCR 工況脫硝系統(tǒng)入口煙氣中污染物成分(標準狀態(tài),干基,6%O2):煙塵濃度的設計值為14 g/Nm3、NOx濃度的設計值為300 mg/Nm3,SO2濃度的設計值為1 750 mg/Nm3,SO3濃度的設計值為50 mg/Nm3,Cl(HCl)濃度的設計值為50 mg/Nm3。鍋爐設計煤種下不同。省煤器出口(設計煤種)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、過量空氣系數為1.20)Vol%:O2為3.25,SO2為0.04。SCR 出口污染物濃度(6%O2,標態(tài),干基):NOx<50 mg/Nm3,NH3≤3 ppm。
1 號機設計煤種全硫檢測數據為0.4%,SO2濃度為1 750 mg/Nm3(按0.7%設計),SO3濃度為50 mg/Nm3。根據DCS 數據顯示,機組啟爐時SO2濃度大概為500~700 mg/Nm3。低負荷時煙氣中NOx濃度高,高負荷時煙氣中NOx濃度低。從鍋爐點火到并網經歷10~12 h,并網負荷為30 MW,并網3 小時后負荷升至160 MW,煙氣溫度達到約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。機組在240 MW~630 MW 穩(wěn)態(tài)運行期間,脫硝系統(tǒng)入口煙氣溫度為310~360 ℃,SO2在600~1 400 mg/Nm3范圍內波動。
基于脫硝系統(tǒng)進出口參數和實際運行情況分析,對1 號機寬溫催化劑更換方案進行可行性評估和設計。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。方案實施后,實現(xiàn)機組脫硝系統(tǒng)煙溫達到270 ℃(并網前)即可投氨運行,在0~100%負荷范圍內,出口NOx濃度滿足超低排放標準。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)內催化劑的布局
2020 年5 月,曾經對1 號機催化劑進行了年度檢測,經過測算,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 號機組常規(guī)脫硝催化劑設計衰減曲線
按2021 年11 月,上、中寬溫催化劑投入運行時間計算,第三層常規(guī)催化劑已運行約28 000 h,表1 為常規(guī)催化劑隨時間的變化,活性衰減情況。考慮從此時間節(jié)點推后24 000 h(寬溫催化劑性能保證期),即第三層常規(guī)催化劑已運行60 000 h,估算出的活性,從而計算出寬溫催化劑24 000 h 后,反應器的整體脫硝效率,氨逃逸,見表1。寬溫催化劑衰減曲線見圖3,運行24 000 h,理論K/K0=0.75。根據臺山電廠實際運行情況,24 000 后,K/K0=0.754-0.76,因此結合寬溫催化劑理論衰減,以及臺山電廠實際煙氣條件綜合分析得到設計K/K0=0.75,可以滿足要求[5]。
圖3 寬溫脫硝催化劑設計衰減曲線
表1 常規(guī)催化劑活性隨時間衰減
對技術方案進行脫硝效率與氨逃逸評估,提出1 號機組并網投脫硝的催化劑更換方案:2021 年11 月將1 號機組2 個反應器上、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。
根據相關催化劑反應原理及工程經驗,對上、中層更換為寬溫催化劑并運行24 000 h,常規(guī)催化劑運行60 000 h 時,進行脫硝效率與氨逃逸評估。根據現(xiàn)場實際勘查,催化劑模塊平均堵孔率為2~5%,因此本次計算考慮5%催化劑模塊堵塞,催化劑總表面積相當于下降5%后的脫硝效率與氨逃逸,結果見表2。
表2 分層計算脫硝效率和氨逃逸
系統(tǒng)運行三年后,上、中兩層寬溫催化劑運行24 000h,下層常規(guī)催化劑運行60 000h,通過測算可知,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組在270℃投脫硝,仍能穩(wěn)定運行??紤]到流場分布和催化劑隨運行后堵塞等問題,實際氨逃逸會略高于理論值,建議每年進行噴氨調平優(yōu)化,保證出口較低的氨逃逸。催化劑運行三年后更準確地壽命預測需要結合年檢報告完成。
脫硝系統(tǒng)正常投運要求煙溫在最低連續(xù)運行溫度(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硫酸氫銨(ABS)的溫度。當煙溫低于ABS 露點溫度時,液態(tài)ABS 進入催化劑微孔中覆蓋活性表面,限制脫硝反應進行。煙氣中ABS 結露是SCR低負荷投運的主要限制因素,因此催化劑應避免在MOT 以下運行,防止ABS 堵塞催化劑微孔。基于此,本項目對各層催化劑的ABS 結露溫度及MOT 進行了評估。催化劑在低溫下連續(xù)運行,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,易導致催化劑緩慢失效。隨著催化劑不斷運行,活性下降,中、下層催化劑入口NH3濃度逐漸升高,因此ABS 結露問題提高,催化劑低溫運行風險會提高。
通過計算,煙氣中的SO2分別為1 750 mg/Nm3(設計值)時,各層催化劑的ABS 結露溫度,見表3。評估寬溫催化劑性能保證周期內,以寬溫催化劑運行三年后為時間節(jié)點,各層催化劑ABS 的結露溫度、MIT(最低投氨溫度)和MOT。上層寬溫脫硝催化劑:5%并網-100%負荷下,[SO2]=1 750 mg/Nm3,脫硝反應器上層催化劑ABS 的露點范圍為261~269 ℃,最低連續(xù)運行溫度(MOT)為281~289 ℃。在5%并網負荷下,270 ℃開始投氨,此時投氨溫度高于ABS結露臨界點,在270~290 ℃溫度條件下可穩(wěn)定運行。中層寬溫脫硝催化劑:5%并網-100%負荷下,脫硝反應器中層催化劑ABS的露點范圍為240~244 ℃,最低連續(xù)運行溫度為260~264 ℃,催化劑實際運行溫度高于MOT,中層催化劑可穩(wěn)定投氨運行,無ABS 結露風險。下層常規(guī)脫硝催化劑:5%并網-100%負荷下,脫硝反應器下層催化劑的ABS 露點范圍為205~223 ℃,最低連續(xù)運行溫度為225~243 ℃,催化劑實際運行溫度高于MOT,下層催化劑可穩(wěn)定投氨運行,無ABS 結露風險。
表3 1 號機組脫硝催化劑ABS 露點估算
(1) 對安裝上層、中層寬溫催化劑、下層常規(guī)催化劑不變的改造方案進行性能評估。從寬溫催化劑初裝到運行三年后,本方案可滿足啟爐及深度調峰工況的脫硝,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(煙溫270~290 ℃)和深度調峰負荷下(煙溫290~366 ℃),脫硝反應器上層催化劑床層的ABS 結露露點溫度為261~269 ℃,中層寬溫催化劑和下層常規(guī)催化劑ABS 結露溫度更低。脫硝系統(tǒng)實際運行溫度均高于最低連續(xù)運行溫度,因此機組啟停爐和深度調峰時催化劑運行無安全風險。
(3) 經過對安裝寬溫催化劑后的脫硝系統(tǒng)效果及其運行安全性進行評估后,寬溫催化劑設計及更換方案可行,滿足項目要求。