1 100 t/h塔式直流燃煤鍋爐SCR脫硝裝置入口煙溫降低的方法及應用

孫少鵬，　田　鑫，　寧玉琴，　郭　棟，　周崇波

(1. 華電電力科學研究院， 杭州 310030； 2. 杭州華電能源工程有限公司， 杭州 310030)

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1 100 t/h塔式直流燃煤鍋爐SCR脫硝裝置入口煙溫降低的方法及應用

孫少鵬1,2，田鑫1,2，寧玉琴1,2，郭棟1,2，周崇波1,2

(1. 華電電力科學研究院， 杭州 310030； 2. 杭州華電能源工程有限公司， 杭州 310030)

摘要：為解決塔式燃煤直流鍋爐脫硝裝置入口煙溫偏高的問題，設計了高溫煙氣換熱器熱力系統，將脫硝系統的入口煙溫降至脫硝催化劑最佳運行溫度范圍，并對煙氣熱量進行回收利用.給出了高溫煙氣換熱器熱力系統技術方案，對系統投運效果進行了測試.結果表明：所提方法有效解決了選擇性催化還原(SCR)脫硝裝置入口煙溫偏高的問題；在額定負荷下，脫硝效率可以提高1.4%；在負荷波動時，可以穩定SCR脫硝裝置入口煙溫；鍋爐排煙溫度和出口熱風溫度均降低.

關鍵詞：塔式直流鍋爐； 高溫煙氣換熱器； SCR； 煙氣余熱回收； 節能

面對日益嚴峻的環保形勢，GB 13223—2011 《火電廠大氣污染排放標準》提出NOx的排放限值為100 mg/m3(標態，干基，6%φ(O2)).為了滿足最新污染物排放要求，很多燃煤機組采用了選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)煙氣脫硝系統.脫硝催化劑是SCR脫硝系統的核心部件，其性能直接影響整體脫硝效果.且脫硝催化劑存在最佳運行溫度范圍，偏離此范圍將造成催化效率降低.在SCR脫硝系統運行過程中，如果催化效率降低，氨的逃逸率將增加，逃逸出的NH3與煙氣中的SO3和H2O在合適的溫度下會生成NH4HSO4[1].NH4HSO4的液化和固化溫度分別為350 ℃和147 ℃[2-5]，液態和固態的NH4HSO4具有較強的黏結性，長此以往將引起空氣預熱器積灰和堵塞，同時增加煙風系統運行阻力[6-7].然而，對于塔式直流燃煤鍋爐而言，由于其自身的結構特點，SCR脫硝系統的入口煙溫常高于脫硝催化劑的最佳運行溫度，導致催化劑活性降低甚至失活.因此，筆者針對塔式直流燃煤鍋爐SCR脫硝裝置入口煙溫偏高的問題，設計了一套高溫煙氣換熱器熱力系統，利用高溫煙氣換熱器對SCR脫硝裝置入口煙溫進行調節，達到提高SCR脫硝裝置運行效率的目的.

1設備概況

所研究的鍋爐為國內某電廠1號機組羅馬尼亞ICPET鍋爐廠制造的1 100 t/h、燃煤、塔式、中間再熱、負壓燃燒、蒸發點可變的本生型直流鍋爐，設計燃用貧煤.該鍋爐主要設計參數和燃煤特性見表1和表2.

表1　鍋爐主要設計參數(BMCR工況下)

為滿足最新NOx排放標準，對該鍋爐進行了脫硝改造，改造技術路線為低氮燃燒(LNB)+SCR煙氣脫硝，SCR工藝選擇高灰型SCR工藝.脫硝催化劑的最佳運行溫度范圍為340~380 ℃.脫硝改造前，鍋爐省煤器出口(即脫硝系統入口)實際運行煙溫在425 ℃左右，高于脫硝催化劑最佳運行溫度范圍，嚴重影響SCR脫硝系統的正常運行.

機組回熱系統共有NO.1、NO.2和NO.3三級低壓加熱器，NO.5、NO.6和NO.7三級高壓加熱器以及1級除氧器.各級低壓加熱器主要參數見表3.

表2　燃料特性參數

表3　低壓加熱器主要參數

2高溫煙氣換熱器熱力系統改造設計方案

為解決1號機組SCR脫硝裝置入口煙溫偏高的問題，筆者設計了一套高溫煙氣換熱器熱力系統，并與SCR脫硝系統同時進行改造和安裝.高溫煙氣換熱器熱力系統的設計思路是：在鍋爐省煤器出口和SCR脫硝裝置入口間的煙道內設計添加高溫煙氣換熱器，從低壓加熱器回熱系統中抽取凝結水，經由循環水泵進入高溫煙氣換熱器中，在高溫煙氣換熱器中凝結水與高溫煙氣進行對流換熱，來調節SCR脫硝裝置的入口煙溫，被加熱的凝結水再次進入回熱系統.

高溫煙氣換熱器熱力系統設計方案的主要特點有：高溫煙氣換熱器布置位置較高，在鍋爐省煤器出口和SCR脫硝裝置入口之間，該區域位于標高90 m的爐頂區域；能夠精確調節SCR脫硝裝置入口煙溫，保證了SCR脫硝裝置催化劑處在最佳運行溫度范圍內；回收的煙氣熱量用來加熱部分回熱系統凝結水，排擠低壓加熱器回熱抽汽，提高了機組經濟性；改造工程量較小，設備投資費用較低.

高溫煙氣換熱器的熱力系統如圖1所示，分別從NO.2和NO.3低壓加熱器出口引出部分凝結水，2路凝結水混合后接入到高溫煙氣換熱器，在高溫煙氣換熱器中被加熱后再引入到除氧器水箱.整個凝結水側依靠獨立的變頻循環泵提供運行動力.設計自動控制系統，根據機組運行負荷和不同運行工況，通過高溫煙氣換熱器入口的2組電動閥門組實現對SCR脫硝裝置入口煙溫的自動調節.高溫煙氣換熱器熱力系統的設計參數見表4.

圖1　高溫煙氣換熱器熱力系統圖

參數數值機組負荷/MW330進入脫硝裝置的煙氣體積流量(標態)/(m3·h-1)1130000高溫煙氣換熱器入口煙溫/℃425高溫煙氣換熱器出口煙溫/℃385NO.2低壓加熱器出口凝結水溫/℃103NO.3低壓加熱器出口凝結水溫/℃146高溫煙氣換熱器入口凝結水質量流量/(t·h-1)450高溫煙氣換熱器入口凝結水溫度/℃110高溫煙氣換熱器出口凝結水溫度/℃146煙氣酸露點/℃100

3應用效果分析

3.1高溫煙氣換熱器熱力系統投運后的熱力性能效果

高溫煙氣換熱器熱力系統改造安裝完成后，隨著1號機組啟動順利投運.通過一個月的穩定運行，對高溫煙氣換熱器熱力系統進行了試驗測試，分析其熱力性能.測試期間，機組負荷穩定在330 MW左右.

圖2為高溫煙氣換熱器熱力系統投運前后SCR脫硝裝置入口煙溫的對比.從圖2可以看出，機組負荷穩定在330 MW時，高溫煙氣換熱器熱力系統投運前，SCR脫硝裝置入口煙溫在400 ℃附近波動；投運后，SCR脫硝裝置入口煙溫在340 ℃附近波動.高溫煙氣換熱器熱力系統的投入運行，有效降低了SCR脫硝裝置的入口煙溫，使其處于催化劑的最佳運行溫度范圍內，提高了脫硝系統的脫硝效率.

圖2　高溫煙氣換熱器熱力系統投運前后SCR脫硝裝置

Fig.2Comparison of inlet flue gas temperature with and without high-temperature flue gas heat exchanger

3.2高溫煙氣換熱器熱力系統對脫硝系統的影響

高溫煙氣換熱器熱力系統投運后，SCR脫硝裝置入口煙溫降到了脫硝催化劑最佳反應溫度范圍內，NOx還原脫硝反應速率加快，氨的逃逸率降低，脫硝效率提高.圖3為330 MW下，NH3與NOx物質的量之比一定時，不同入口煙溫下的SCR脫硝效率.從圖3可以看出，高溫煙氣換熱器熱力系統投運前，SCR脫硝裝置的入口煙溫為402 ℃(見表5)，對應的脫硝效率為87.8%；高溫煙氣換熱器熱力系統投運后，SCR脫硝裝置的入口煙溫為338 ℃(見表5)，對應的脫硝效率為89.2%，脫硝效率提高了1.4%.

圖3　脫硝效率與SCR脫硝裝置入口煙溫的關系

此外，高溫煙氣換熱器熱力系統投運后，進入SCR脫硝裝置的煙氣量減小，脫硝系統的流動阻力和催化劑層的流動阻力均減小.

3.3機組負荷對高溫煙氣換熱器熱力系統特性的影響

表5給出了高溫煙氣換熱器熱力系統在3個機組負荷工況下的測試數據，反映了不同機組負荷下，高溫煙氣換熱器熱力系統的特性規律.從表5可以看出，高溫煙氣換熱器熱力系統投運后，在機組負荷為330 MW、270 MW和240 MW時，對應的高溫煙氣換熱器的入口煙溫相差較大，分別為402 ℃、385 ℃和378 ℃，而高溫煙氣換熱器的出口煙溫卻幾乎相等，分別為338 ℃、343 ℃和336 ℃.

隨著機組負荷的降低，高溫煙氣換熱器入口煙氣量減小、入口煙溫降低，導致高溫煙氣換熱器的傳熱特性發生變化，通過高溫煙氣換熱器控制系統的電動調節閥來自動調節進入高溫煙氣換熱器的凝結水流量，可以保證SCR脫硝裝置的出口煙溫處于相對穩定的狀態，也保證了脫硝催化劑的運行溫度維持在最佳運行溫度范圍.

表5　不同工況下系統實測數據

3.4高溫煙氣換熱器熱力系統對鍋爐的影響

高溫煙氣換熱器熱力系統對鍋爐性能的影響可以分為2類：一類為對鍋爐設備的影響；另一類為對鍋爐參數、性能的影響.前者的影響主要體現在空氣預熱器的改造方面；后者的影響主要體現在鍋爐效率和機組煤耗等方面[8-10].

表6為鍋爐煙風系統設計參數與改造后鍋爐煙風系統實測參數的對比.在額定負荷330 MW下，鍋爐的設計排煙溫度(即空氣預熱器出口煙溫)為150 ℃，設計一次風和二次風熱風溫度為360 ℃；高溫煙氣換熱器熱力系統投運后，鍋爐300 MW負荷下空氣預熱器出口煙溫為128 ℃，一次風熱風溫度為306 ℃，二次風熱風溫度為311 ℃.表明高溫煙氣換熱器熱力系統投運后，鍋爐排煙溫度降低，熱風溫度也比設計熱風溫度低.這是因為高溫煙氣換熱器熱力系統投運后，空氣預熱器入口煙溫降低，導致空氣預熱器傳熱溫差減小，在相同的負荷下，空氣預熱器的傳熱系數變化不大，因此，空氣預熱器的傳熱量減小，一次風和二次風熱風溫度會略微降低.

表6　鍋爐煙風系統設計和實測參數對比

高溫煙氣換熱器熱力系統對空氣預熱器入口煙溫和出口煙溫具有一定影響，系統的投運降低了空氣預熱器的入口煙溫，使得其出口煙溫隨之降低，對整個鍋爐而言，鍋爐效率有所提高.

當鍋爐燃燒煤種為無煙煤或者貧煤時，還需考慮高溫煙氣換熱器熱力系統引起的一、二次風熱風溫度偏低對鍋爐效率造成的影響.高溫煙氣換熱器熱力系統會通過影響空氣預熱器入口煙溫來影響進入爐膛的一、二次風熱風溫度，從而影響鍋爐燃燒效果.該系統投運后，空氣預熱器入口煙溫降低，導致進入爐膛的熱風溫度偏低，造成爐膛點火延遲，煤粉在爐膛內的反應時間變短，煙氣飛灰含量增大，從而使鍋爐排煙損失增大，鍋爐效率略有降低.

4結論

(1) 采用高溫煙氣換熱器熱力系統可以對煙氣溫度進行調節，能夠解決鍋爐SCR脫硝裝置入口煙溫偏高的問題，使脫硝系統催化劑的工作溫度穩定在最佳運行溫度范圍.

(2) 高溫煙氣換熱器熱力系統投運后，脫硝效率提高了1.4%，且脫硝系統的流動阻力和催化劑層的流動阻力均減小.

(3) 隨著機組負荷的波動，高溫煙氣換熱器熱力系統將SCR脫硝裝置的出口煙溫穩定在設定值附近，保證了脫硝系統的高效運行.

(4) 高溫煙氣換熱器熱力系統降低了空氣預熱器的出口煙溫，使鍋爐效率有所提高；但也會引起鍋爐一、二次風熱風溫度偏低，影響爐膛燃燒效果，增大煙氣飛灰含量，使鍋爐效率略有降低.

參考文獻：

[1]徐旭，應劍，王新龍．燃煤電廠選擇性催化還原煙氣脫硝系統的性能試驗[J]．動力工程學報，2010，30(6)：439-443．

XU Xu，YING Jian，WANG Xinlong．Performance test of a SCR denitrification system for coal-fired power plants[J]．Journal of Chinese Society of Power Engineering，2010，30(6)：439-443．

[2]SI Fengqi，ROMERO C E，YAO Z，etal．Inferential sensor for on-line monitoring of ammonium bisulfate formation temperature in coal-fired power plants[J]．Fuel Processing Technology，2009，90(1)：56-66．

[3]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，2006：23-25．

[4]DEAN W．Insitu analysis of ammonia slip and water vapor using a tunable diode laser for SCR/SNCR optimization and boiler tube surveillance in power plants[C]//Proceedings of the Annual ISA Analysis Division Symposium．Louisville.KY，United States： ISA-Instrumentation, Systems，and Automation Society，2004．

[5]WILBURN R T，WRIGHT T L．SCR ammonia slip distribution in coal plant effluents and dependence upon SO3[J]．Power Plant Chemistry，2004，6(5)：295-304．

[6]鄔東立，王潔，張國鑫，等．660 MW SCR脫硝機組空預器堵塞原因分析及對策[J]．浙江電力，2014(3)：46-50．

WU Dongli，WANG Jie，ZHANG Guoxin，etal．Analysis on air preheater blockage of 660 MW SCR denitration units and the countermeasures[J]．Zhejiang Electric Power，2014(3)：46-50．

[7]李超，于麗新，韓鐘國，等．200 MW燃煤機組SCR脫硝改造關鍵技術問題解析[J]．環境科學與技術，2012，35(增刊2)：298-301．

LI Chao，YU Lixin，HAN Zhongguo，etal．The key technical issues resolution for 200 MW coal-fired units SCR deNOxtransformation[J]．Environmental Science & Technology，2012，35(S2)：298-301．

[8]左松偉．大型火電機組SCR脫硝系統能耗特性研究[D]．北京：華北電力大學，2012．

[9]王麗莉，許衛國．煙氣脫硝裝置對鍋爐空預器的影響[J]．黑龍江電力，2008，30(4)：260-265．

WANG Lili，XU Weiguo．Effect of flue gas denitration plant on air preheater[J]．Heilongjiang Electric Power，2008，30(4)：260-265．

[10]程星星，金保生，仲兆平，等．SCR脫硝裝置對鍋爐系統整體的影響理論分析[J]．鍋爐技術，2010, 41(2):26-28．

CHENG Xingxing，JIN Baosheng，ZHONG Zhaoping，etal．Theoretical analysis for the influence of SCR de-NOxequipment to boiler systems[J]．Boiler Technology，2010，41(2):26-28．

Inlet Flue Gas Temperature Reduction of SCR Denitrification Systems and the Application in a 1 100 t/h Tower Once-through Boiler

SUNShaopeng1,2,TIANXin1,2,NINGYuqin1,2,GUODong1,2,ZHOUChongbo1,2

(1. Huadian Electric Power Research Institute, Hangzhou 310030, China;2. Hangzhou Huadian Energy Engineering Co., Ltd., Hangzhou 310030, China)

Abstract：To solve the problem of too high inlet flue gas temperature existing in the denitrification system of tower once-through boilers, a high-temperature flue gas heat exchanger was designed to reduce the inlet temperature down to the optimum operation range of relevant catalysts, while the heat in flue gas was recycled. A retrofit scheme was proposed for the flue gas heat exchanger system, and its operation effect was evaluated. Results show that the method proposed has helped to solve the problem of too high inlet flue gas temperature of the SCR denitrification system; at rated load, the denitrification efficiency can be increased by 1.4%; in the case of load fluctuation, the heat exchanger may help to stabilize the inlet temperature of SCR denitrification system; with the application of high-temperature flue gas heat exchanger, both the exhaust flue gas temperature and the outlet air temperature of boiler can be reduced.

Key words：tower once-through boiler; high-temperature flue gas heat exchanger; SCR; flue gas waste heat recovery; energy saving

文章編號：1674-7607(2016)01-0048-05

中圖分類號：TK474

文獻標志碼：A學科分類號：470.30

作者簡介：孫少鵬(1982-)，男，安徽合肥人，工程師，研究生，主要從事火電廠節能及環保方面的研究.電話(Tel.)：18658840571；

收稿日期：2015-03-20

修訂日期：2015-05-14

E-mail：shaopeng-sun@chder.com.