電站鍋爐低負荷SCR脫硝技術研究

章斐然， 姚余善， 徐　奇

(東南大學 能源與環境學院， 南京 210096)

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環保技術

電站鍋爐低負荷SCR脫硝技術研究

章斐然， 姚余善， 徐奇

(東南大學 能源與環境學院， 南京 210096)

摘要：針對燃煤電站鍋爐低負荷運行過程中省煤器出口煙溫過低、無法滿足SCR(選擇性催化還原)反應器投運溫度要求的問題，對各項低負荷SCR脫硝技術進行了研究，分析了各技術的可行性及優缺點，從而為工程設計提供參考和借鑒。

關鍵詞：鍋爐； 脫硝; 低負荷; SCR

在眾多大氣污染物中，氮氧化物(NOx)作為我國三大主要大氣污染物之一，危害巨大。我國的NOx排放量中有近一半來自于燃煤電廠。而燃煤過程中產生的NOx大多為NO，占95%以上。因物理化學作用，NOx可引發一系列多層次的環境問題，嚴重危害了人體健康和生態安全[1]。

燃煤電站常用的SCR反應器中，催化劑正常的活性反應溫度一般為320～400 ℃[2]。而機組中低負荷運行時，SCR反應器入口煙溫，即省煤器出口煙溫可能會低于這個溫度，這就使得SCR催化劑活性無法始終維持在最佳狀態，反應器運行效率偏低[3]，同時還會導致氨逃逸率增加。從SCR反應器逃逸的NH3與煙氣中的SO3和H2O在合適的溫度下，反應生成NH4HSO4和少量(NH4)2SO4[4]。NH4HSO4具有較強的黏結性，會附著在空氣預熱器表面并吸附飛灰顆粒，長時間堆積從而引起堵灰。NH4HSO4生成量隨著氨逃逸率的增加而增加。在保持脫硝效率等其他條件一定時，最有效的降低氨逃逸率的方法是提高SCR反應效率。

而在實際運行中，由于機組負荷降低，造成SCR入口煙溫達不到催化劑活性溫度區間，則脫硝裝置將被迫退出運行，從而導致煙氣排放不達標。

筆者對現有的SCR脫硝裝置進行改進，使進入脫硝裝置的煙氣溫度保持在催化劑的反應溫度區間內，保證鍋爐在負荷區間內實現NOx的達標排放，同時提高脫硝催化劑的使用壽命。

1改造方案

針對電站鍋爐低負荷運行過程中SCR脫硝裝置入口煙氣溫度無法滿足催化劑反應溫度區間的問題，需對省煤器及相關部件進行改造。而現有改造方案多是從如下兩個角度來提高SCR入口煙氣溫度，以滿足SCR投運要求：(1)通過煙氣側直接加熱省煤器出口煙氣溫度。(2)通過給水側的改進，提高給水溫度，從而減少省煤器內換熱量，以提高省煤器出口煙溫[5-7]。

1.1 省煤器給水旁路

省煤器給水旁路見圖1。機組低負荷運行時，調節給水旁路調節閥門，使部分省煤器給水通過旁路直接到達省煤器出口集箱，通過減少省煤器中的給水量，減少熱量傳遞，從而提升煙溫。此方案需要配置旁路省煤器的閥門和相應的旁路管道。

優缺點分析：該方案改造相對簡單，在煙溫調節區間要求不高時可適當考慮；但由于水側傳熱系數極大，遠大于煙氣側傳熱系數，如減少少量的工質流量，無法有效改變出口煙溫，即減少少量省煤器入口給水流量，省煤器的總換熱量基本不變，只是提高了省煤器的出口水溫。該方案需要將旁路流量選取到50%以上效果才顯著。另外從省煤器入口抽出大量工質后會造成省煤器出口水欠焓增加。

1.2 省煤器加裝循環泵

省煤器加裝循環泵見圖2。對現有鍋爐水系統進行改造，利用水泵抽取省煤器出口工質或汽包下降管高溫工質送入省煤器的入口，提高省煤器內工質的平均溫度，減小省煤器內的傳熱溫差，從而提高省煤器出口煙氣溫度。

優缺點分析：該方法較水側的其他方法而言對煙氣溫度的提升幅度大，其系統簡單，改造投資小。考慮到壓力等因素的影響，該升溫系統僅適用于亞臨界和超高壓的汽包鍋爐，包括自然循環汽包爐和強制循環汽包爐。另外該方案對所增加的泵的可靠性要求比較高，同時機組的經濟性會有所下降。

1.3 省煤器煙氣旁路

省煤器煙氣旁路見圖3。在省煤器進口位置的煙道上開孔設置煙氣旁路，通過控制煙氣擋板來控制旁路煙氣流量。在高負荷時，煙氣擋板全關，將旁路隔離；而在低負荷時，通過調整煙氣擋板開度，從而引出省煤器入口部分煙氣與出口煙氣混合，提高省煤器出口煙溫。

優缺點分析：該方案提升煙氣溫度效果好，但控制難度大，同時機組的經濟性會有所下降。另外，機組高負荷時，撤出旁路，由于省煤器入口煙溫能達到500 ℃以上，旁路調節擋板在高溫下極易變形，產生內漏，同樣會使排煙溫度升高，影響鍋爐經濟性；而低負荷時，擋板若內漏量大，可能會使省煤器出口煙溫超過400 ℃，從而使催化劑燒結失活。

1.4 分級省煤器

分級省煤器見圖4。

重新布置省煤器管組，如拆除原有省煤器下半部分管組，在SCR出口煙道內增設一定量的省煤器受熱面，通過減少SCR反應器前省煤器的吸熱量，提高SCR反應器的入口煙溫。煙氣通過SCR脫硝后，進一步通過SCR反應器后的省煤器來吸收煙氣中的熱量，以保證空氣預熱器進出口煙溫基本保持不變。

優缺點分析：在不影響鍋爐整體效率的情況下，提高SCR入口煙溫，同時還能降低排煙溫度，提高鍋爐效率。但該方案投資成本相對較高，且不能調節，在滿負荷時SCR入口煙溫可能會超過400 ℃，從而使催化劑燒結失活。另外受空間位置限制，具體布置方案需要根據實際情況進行設計。

1.5 設置零號高壓加熱器

設置零號高壓加熱器見圖5。在1號高壓加熱器出口與省煤器間增加一級加熱器，利用主汽或者三抽高溫蒸汽加熱給水，提高省煤器進口給水溫度，從而縮小傳熱溫差，使省煤器出口煙溫提高。在負荷降低時，通過調節門可控制該加熱器的入口壓力基本不變，從而能維持給水溫度基本不變。

優缺點分析：通過實施該技術，低負荷下省煤器入口水溫得以提高，使其出口煙溫相應上升，可確保SCR在全負荷范圍內處于催化劑的高效運行區間。但該方案在提升SCR入口煙溫的同時也使排煙溫度有所升高，機組經濟性下降，且投資成本較大，控制難度較高。

在低負荷下，幾種改進方案對比見表1。

表1　機組低負荷脫硝方案對比

2技術改進

以上幾種方案都是從煙氣側或給水側兩個角度進行改造，且都能實現提升省煤器出口煙溫，使其滿足SCR催化劑反應溫度區間的要求。然而在實際操作過程中都存在各自的問題，一方面部分方案較難控制，另一方面排煙溫度的提高使機組的經濟性下降。而以下方案，又在之前的基礎上做了進一步改進。

2.1 SCR循環加熱回路

SCR循環加熱回路見圖6。外加一套帶有換熱裝置的循環回路系統，通過循環介質將熱量傳遞給SCR入口煙氣，或直接加熱催化劑，將反應溫度維持在期望值附近。將催化劑覆蓋在換熱原件的表面(即該原件由催化劑載體組成)，這樣在機組運行過程中催化劑便可始終維持在最優反應溫度范圍內。換熱元件是一個閉合管路，介質在管路內流動，管外設置鰭片，而催化劑便覆蓋在鰭片上，一方面加強傳熱，另一方面增加催化劑的接觸表面積。

優缺點分析：該方案能很好地維持催化劑表面溫度在指定溫度范圍內，同時所述的循環回路獨立于系統以外，對整個系統的影響較小，并且便于控制。但該方案經過介質換熱，造成熱量損失，且同樣會造成排煙溫度升高。

2.2 限流式

限流式方法見圖7。在SCR反應器出口與空氣預熱器之間煙道內安裝低溫加熱器，利用管道，將低溫加熱器與省煤器實現并聯或串聯連接。當機組處于中低負荷工況運行時，一方面通過省煤器煙氣旁路調節省煤器出口煙溫，另一方面控制進入低溫加熱器的給水流量，配合控制省煤器出口煙溫，同時起到降低排煙溫度的作用，鍋爐效率得以提高[8]。

優缺點分析：以增加低溫換熱器并改變省煤器內給水流通方式為依據，不改變煙道結構，對煙氣流場也無影響，但已建機組進行此方法改造時需對原省煤器材質重新進行熱力計算和校核，防止出現爆管現象。

在不影響鍋爐效率的前提下使脫硝裝置在機組低負荷下正常投運，同時還滿足脫硝裝置穩定在較高溫度下運行的要求。對于排煙溫度較高的鍋爐，采用該方法，在高負荷下串聯使用省煤器和低溫換熱器，能夠有效降低鍋爐排煙溫度，提高鍋爐效率。

3結語

通過合理的途徑提高省煤器出口煙氣溫度，使煙溫滿足SCR反應裝置最低投運溫度要求，是解決電站鍋爐低負荷脫硝的主要措施。筆者認為，加裝省煤器煙氣旁路以及省煤器分級布置效果較好；然而這些方案中有的難于控制，且大部分方案都提高了排煙溫度，對鍋爐效率造成一定的影響。而在原有方案的基礎上進行一些改造，如第2.2節的限流法，則可在一定程度上解決上述問題。因此，采用何種方法提高省煤器出口煙溫，需根據電站鍋爐情況及尾部煙道空間等因素綜合考慮。

參考文獻：

[1] 陳進生.火電廠煙氣脫硝技術-選擇性催化還原法[M]. 北京：中國電力出版社，2008：10-22.

[2] 梁紅亮，郭賓彬．SCR催化劑的研究應用狀況和發展方向[J]．科技情報開發與經濟，2008(14)：120-121.

[3] 陳海林，宋新南，江海斌,等. SCR脫硝性能影響因素及維護[J]. 山東建筑大學學報，2008(2)：145-149.

[4] 王潔，滕農，張文杰，等．機組負荷對SCR系統影響研究[J]．電力科技與環保，2011，27(3)：16-18.

[5] 周宏寶．火電機組寬負荷脫硝技術探討[J]．電力世界，2014(14)：261-262.

[6] 樊立安. 提高SCR反應效率的煙氣溫度優化調整技術研究[D].浙江：浙江大學，2014.

[7] 張強. 燃煤電站SCR煙氣脫硝技術及工程應用[M]. 北京：化學工業出版社，2011.

[8] 楊青山，廖永進. 降低SCR脫硝裝置最低投運負荷的策略研究[J]. 中國電力，2014，47(9)：153-155.

Study on SCR Denitrification Technology of Power Plant Boilers in Low-load Operation Process

Zhang Feiran, Yao Yushan, Xu Qi

(School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China)

Abstract：During the practical application of SCR ( selective catalytic reduction ) technology in domestic coal-fired power plants, the economizer outlet flue gas temperature is always lower than the normal reaction temperature range of SCR catalyst in low-load operation process. To solve the problem, several methods for improving the inlet temperature of SCR reactor were studied, with focus on both the advantages and disadvantages of each method, which may serve as a reference for relevant engineering designs.

Keywords：boiler; denitrification; low-load operation; SCR

中圖分類號：TK223.73

文獻標志碼：A

文章編號：1671-086X(2016)02-0106-04

作者簡介：章斐然(1988—)，男，在讀碩士研究生，研究方向為電站鍋爐低負荷脫硝技術。E-mail: 220110322@seu.edu.cn

收稿日期：2015-05-27