燃煤發電機組實現全工況脫硝運行的改造策略

馬巧春，雒貴，李陽春，李法眾

（華能玉環發電廠，浙江玉環317604）

燃煤發電機組實現全工況脫硝運行的改造策略

馬巧春，雒貴，李陽春，李法眾

（華能玉環發電廠，浙江玉環317604）

針對日趨突出的環境污染問題及越來越嚴格的大氣排放標準，控制燃煤發電廠氮氧化物的排放總量成為鍋爐環保技術發展的方向。通過對現有脫硝技術現狀及存在問題的分析，對燃煤發電機組脫硝系統實現全工況運行的5種改造策略，即：兩段式省煤器設計、九級加熱器、加裝省煤器煙氣側旁路及給水側旁和V-Temp省煤器的技術要點進行了對比分析，為新建和已投運機組采用何種改造策略提供參考。

燃煤發電廠；鍋爐；氮氧化物；全工況脫硝

火力發電廠煙氣排放污染正受到越來越多的關注，近年來，隨著煙氣脫硫技術的發展與應用及國家對二氧化硫排放的嚴格控制，火力發電廠二氧化硫的排放已得到了一定程度的遏制。但要更好地控制氮氧化物的排放污染，脫硝技術還需進一步的發展。因此，加快脫硝技術的研究、脫硝系統的建設，實現脫硝系統全工況運行，將會大大減少氮氧化物排放。以下針對采用SCR（選擇性催化還原法）脫硝技術的燃煤發電機組，提出了幾種實現全工況脫硝運行的策略。

1 脫硝技術應用概況

1.1 現有脫硝技術概況

目前，國際上煙氣脫硝技術主要分兩大類：燃燒改良處理和燃燒后處理，在此基礎上出現兩種方式聯合使用的復合處理技術。燃燒改良處理的關鍵技術有：低氮燃燒器、空氣分級燃盡風、再燃燒、分級燃燒及煙氣再循環等。燃燒后處理主要有：SCR和SNCR（選擇性非催化還原法）[1]。SNCR技術工藝簡單，無催化劑系統，在國內外有一定的工程應用，脫除氮氧化物的效率一般在25%～40%，適用于原始氮氧化物較低，且對于排放標準要求不高的機組；而SCR是在催化劑的作用下，利用還原劑（如氨氣、尿素等）有選擇性地與煙氣中的氮氧化物反應并生成無毒無污染的氮氣和水，其脫硝效率達75%～90%，可應用于各種氮氧化物濃度煙氣的處理。

我國新建大型燃煤發電機組均采用了低氮燃燒及煙氣脫硝技術（以SCR工藝為主），已投產機組，按照當前的排放標準，正在逐步實施脫硝技術改造。

1.2 脫硝系統存在的問題

采用SCR技術設計的脫硝效率一般在80%以上。脫硝效率和催化劑活性與反應溫度的關系如圖1所示，反應溫度在200～400℃內，隨著反應溫度的升高，脫硝效率和催化劑活性都逐漸增加，尤其當反應溫度在200～300℃時，脫硝效率和催化劑活性隨反應溫度的增加增幅較大。當溫度升至400℃時，脫硝效率和催化劑活性都達到最大值，隨著溫度的進一步升高，脫硝效率和催化劑活性隨溫度的升高而下降[2]。因此，為了保證催化劑的活性和達到脫硝設計效率，反應溫度的最佳值應控制在300～420℃之間。

圖1 脫硝效率和催化劑活性與反應溫度的關系

但是機組在低負荷運行時（50%～60%額定負荷以下），或高壓加熱器退出運行且機組在70%～75%額定負荷時，省煤器出口煙氣溫度都可能無法達到脫硝系統催化劑反應所需溫度，從而導致硫酸氫銨濃度上升、脫硝效率降低、催化劑壽命縮短等問題。為了保證脫硝催化劑運行的安全高效性，在無法達到催化劑反應溫度時，只能退出脫硝系統的運行，導致機組綜合脫硝效率達不到設計要求。機組負荷受到電網負荷調整的限制，始終維持高負荷運行是不現實的，換言之，目前已投運的燃煤發電廠均無法實現脫硝系統全工況在線運行。

因此，如何保證機組在全負荷段滿足脫硝系統催化劑反應溫度要求，尤其是在低負荷階段，實現機組全工況脫硝運行，是亟待解決的問題。

2 全工況脫硝運行的改造策略

針對目前已投運的燃煤發電廠無法實現全工況脫硝的問題，國內外有多家研究機構進行了專題研究，主要有兩個研究方向：催化劑制造商對催化劑耐低溫性進行研究；對熱力系統進行改造，以適應催化劑的性能，熱力系統共有如下5種改造策略。

2.1 兩段式省煤器設計

將鍋爐省煤器設計成兩部分（如圖2所示）[3]，低溫部分置于脫硝系統出口側，將脫硝系統前移布置在煙氣高溫區的兩段省煤器之間，這樣即使在機組低負荷時，也能保證脫硝系統入口煙氣溫度達到設計溫度范圍，實現脫硝系統在低負荷工況運行；鍋爐可在不投油穩燃負荷到BMCR（鍋爐最大出力）工況下安全運行；在保證熱風溫度的前提下，能夠進一步降低空氣預熱器入口的煙氣溫度，提高鍋爐的效率。缺點是：省煤器系統的阻力有所提高，煙氣側阻力有所增加，風機電耗可能增加。

圖2 兩段式省煤器示意

該技術一般適用于可同步建設脫硝系統的新建機組，是一步到位的解決方案。目前哈爾濱鍋爐廠供貨的大唐蔚縣發電廠采用此項技術，正處于設計階段。

2.2 九級加熱器技術

在給水系統原有八級加熱器的基礎上，增加了1級高壓加熱器，也稱之為九級加熱器技術。選擇汽輪機1個合適抽汽點，增加1級抽汽可調式給水加熱器，在機組低負荷時，通過調節門控制提高省煤器入口水溫，使其出口煙溫相應上升，從而實現脫硝系統全工況運行。抽汽加熱原理如圖3所示。該技術還能降低機組整體煤耗水平；提高鍋爐水動力安全性；提高鍋爐低負荷燃燒效率和穩燃性能；提高機組的調頻能力和調頻經濟性。缺點是：只適合設計有補氣閥的汽輪機，改造具有局限性。

圖3 回熱抽汽補充加熱鍋爐給水原理

該技術既可以用于新建機組也可以用于已運行機組的改造，但是改造費用相對較高。目前外高橋第三發電廠采用該項技術，利用補氣閥對應的抽汽口，設置了第九級加熱器。在低負荷時投入該加熱器，以提高低負荷下給水溫度，從而提高了給水系統出口煙溫，這樣既可以滿足脫硝系統入口煙溫要求，又改善了鍋爐的燃燒穩定性[4]。據統計，2012年脫硝系統投運率達到98.88%，基本實現了全工況脫硝運行。

2.3 加裝省煤器煙氣側旁路

在省煤器前選擇適當位置直接引一路高溫煙氣至省煤器出口，與低溫煙氣進行混合，以提高省煤器出口煙溫，滿足脫硝系統在機組低負荷時的運行溫度要求。但是這種方案可能增加機組的發電煤耗，并且煙氣旁路占用空間較大、易出現煙道積灰。

2.4 加裝省煤器給水側旁路

在省煤器水側加裝旁路系統，在機組低負荷時，通過旁路調整進入省煤器的給水流量，從而減小省煤器的吸熱量，使煙氣通過省煤器后，保持較高的煙氣溫度，滿足脫硝系統的進口煙溫要求。

該方案一定程度上增加了給水阻力，影響效率及給水調節的穩定性，優點是水側旁路占用空間較小、調節靈敏。

2.5 V-Temp省煤器技術

V-Temp交叉省煤器是美國B&W公司開發的一項專利技術，交叉省煤器是根據其功能暫定的名字，核心技術是通過在省煤器系統設置特定的給水管屏，從而減少熱吸收。V-Temp省煤器的關鍵技術是將省煤器管屏分為兩部分，由溢流管和節流管供給，通過改變省煤器傳熱面積提高省煤器出口煙溫。V-Temp省煤器已在4臺鍋爐安裝運行，測試結果表明在某一恒定的負荷下，能使省煤器出口煙溫上升10℃[5]，省煤器系統布置如圖4所示。

圖4 V-Temp省煤器系統示意

該技術一定程度上可以提高省煤器出口煙溫，實現脫硝系統在低負荷工況運行；實現給水穩定調節。缺點是省煤器所有管屏需重新加工組屏，投資大。從結構上看應與兩段式省煤器思路接近，使用實績需進一步確認。

3 結語

上述5種改造方案均可以在機組低負荷時提高省煤器出口煙溫，以滿足脫硝系統催化劑的反應溫度。對新建機組，在設計階段需進行充分論證，可采用兩段式省煤器、V-Temp省煤器或九級加熱器技術；對已投運機組，可以選擇九級加熱器或V-Temp省煤器技術，但是兩種方案的改造費用均較高。對于各技術方案的應用實績還需跟蹤并深入研究，以便選擇最適合的改造方案。

[1]馬風哪，程偉琴.國內火電廠氮氧化物排放現狀及控制技術探討[J].廣州化工，2011（15）:57-59.

[2]劉武標.SCR煙氣脫硝效率及催化劑活性的影響因素分析[J].能源與環境，2012（3）:47-50.

[3]哈爾濱鍋爐廠有限責任公司.哈鍋電站鍋爐新產品新技術[G].2013.

[4]錢磊.上海外高橋第三發電廠超超臨界機組節能環保技術[C]//超超臨界機組技術交流2012年會.

[5]M J ALBRECHT，J T BUCKLER，S A SCAVUZZO.The V-TempTM Economizer System and Method for SCR Temperature Control[J].Technical Paper，2011（3）:13-15.

（本文編輯：陸瑩）

Transformation Strategy for Denitration of Coal-fired Generating Units under Full Operating Condition

MA Qiaochun，LUO Gui，LI Yangchun，LI Fazhong
（Huaneng Yuhuan Power Plant，Yuhuan Zhejiang 317604，China）

In view of the increasingly serious environmental pollution and gradually severe atmospheric emission standards，control of NOXemissions of coal-fired power plant becomes the orientation of environmental protection technology of boiler.By analyzing present situation of the existing denitration technology and the problems，the paper compares technical characteristics of five transformation strategies for denitration system of coal-fired generating units under full operating condition，namely dual-economizer，nine orders of heaters，installing bypasses at flue gas side and feedwater side of economizer as well as V-Temp economizer，providing reference for selection of reformation strategy for newly-built units and those in operation.

coal-fired power plant；boiler；NOX；denitration under full operating condition

TM631

B

1007-1881（2015）01-0041-03

2014-08-18

馬巧春（1969），男，工程碩士，高級工程師，長期從事火力發電廠基建及生產管理工作。