燃煤電廠寬溫催化劑全負荷脫硝的應用研究

劉海蛟 程紀東 孫 科 李清毅 李文華 潘良金 吳衛紅

1 浙江天地環保科技有限公司

2 浙江浙能溫州發電有限公司

3 浙江大學

燃煤電廠寬溫催化劑全負荷脫硝的應用研究

劉海蛟1程紀東1孫 科1李清毅1李文華2潘良金1吳衛紅3

1 浙江天地環保科技有限公司

2 浙江浙能溫州發電有限公司

3 浙江大學

研究了寬溫催化劑在燃煤電廠的全負荷脫硝應用。該新型SCR寬溫催化劑在設計煤種條件下35%～100% BMCR工況時，脫硝效率不小于85%，氨逃逸率不大于3 ppm，SO2/SO3轉化率小于1%。研究結果表明，在100%負荷工況下，脫硝效率85.31%，氨逃逸率2.30 ppm，SO2/SO3轉化率0.835%。35%負荷工況下，脫硝效率85.05%，氨逃逸率2.51 ppm。在試驗工況條件下，各項保證參數均達到保證值。

脫硝；SCR；寬溫；催化劑；全負荷

DOI∶10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.02.002

1 前言

我國一次能源消費結構以煤為主，2015年能源消費總量43.0億t標準煤，煤炭消費量占能源消費總量的64.0%[1]。中國的一次能源結構決定了我國的電力結構是以煤電為主，2015年底全國火電裝機容量9.9億kW[2]。火電廠煤燃燒產生大量的氮氧化物，對環境保護造成不利的影響。為了降低氮氧化物對環境的影響，燃煤電廠多采用以選擇性催化還原（SCR）技術為主的氮氧化物控制技術。截至2014年底，已投運火電廠煙氣脫硝機組容量約6.87億kW，占全國火電機組容量的75.0%，占全國煤電機組容量的83.2%[3]。

SCR采用的催化劑對煙氣溫度有下限要求，當機組負荷較低（煙氣溫度低于300℃）時，催化劑活性下降，造成脫硝效率下降，氨逃逸率上升，生成硫酸氫銨造成空預器堵塞，影響機組的安全穩定運行。為了避免低負荷下SCR系統對機組的不利影響，發電企業多采取SCR系統低負荷停止運行的策略。針對發電企業在低負荷退出SCR系統投運問題，環境保護部發文要求，火電廠在任何運行負荷時，都必須達標排放。脫硝系統無法運行導致的氮氧化物排放濃度高于排放限值要求的，應認定為超標排放,并依法予以處罰[4]。使煙溫滿足SCR全負荷脫硝的常規措施是對鍋爐/汽輪機進行改造，包括省煤器水側旁路改造、省煤器煙氣側旁路改造、省煤器分級改造、汽輪機高壓缸抽汽回熱等技術[5～8]。上述措施費用較高，工期長、對機組的熱效率和穩定運行有一定的影響。研究SCR催化劑在低負荷低煙溫下的適用性，對于解決燃煤電廠全負荷脫硝有重要意義，本文對新型寬溫催化劑在燃煤電廠的全負荷脫硝應用進行研究。

2 燃煤電廠概況

該電廠鍋爐系引進國外技術，由上海鍋爐廠制造的SG-1025/17.5-M869 型亞臨界中間一次再熱控制循環汽包爐，配用中速磨直吹式制粉系統，固態排渣，π型布置、單爐膛、平衡通風、爐膛四角正反切圓燃燒。噴嘴擺動可調，燃用易結渣性煙煤。爐前布置五臺HP-863型中速磨煤機，每臺磨煤機出口4根煤粉管道接一層燃燒器。在脫硝改造期間同時進行了取消旁路改造、鍋爐低氮燃燒器改造、汽輪機節能增容改造、干式靜電除塵器高頻電源改造，改造后過熱蒸汽流量由1 025 t/h擴容到1087 t/h。

該機組在2012年進行了脫硝改造，每臺鍋爐安裝兩臺SCR脫硝反應器，每個反應器安裝了兩層催化劑。機組在2015年進行了超低排放改造，結合鍋爐低氮燃燒器燃燒調整，每臺反應器安裝兩層新的寬溫催化劑替換原有舊催化劑的方式進行全負荷脫硝應用示范。設計脫硝入口氮氧化物濃度300 mg/Nm3（6%O2），SO2/SO3轉化率不超過1%，氨逃逸率不超過3 ppm。

3.測量方法

3.1 氮氧化物

在SCR反應器的入口和出口煙道截面，分別采用等截面網格法布置煙氣取樣點。對SCR脫硝反應器的進出口各測點逐點測試，主要測試煙氣中的NO濃度和O2含量。將各網格點NOx濃度折成同一氧量下的濃度再進行算術平均，其結果為該截面NOx濃度值。

脫硝效率按如下公式計算：

式中：η—脫硝裝置的脫硝效率，%；c1—折算到標準狀態、6%O2下的進口煙氣NOx濃度，mg/ Nm3；c2—折算到標準狀態、6%O2下的出口煙氣NOx濃度，mg/Nm3。

3.2 氨逃逸

在SCR反應器出口測點位置測試，每個測量面的測點數不少于3點。測試方法參照《燃煤電廠煙氣脫硝裝置性能驗收試驗規范》DL/T260-2012附錄B。采樣裝置如圖1所示。

通過化學分析，按照如下公式得出煙氣中氨逃逸濃度，氨逃逸按如下公式計算：

式中：C—氨逃逸濃度，ppm；1.318—氨體積折算系數，L/g；MNH3—SCR出口煙氣中氨含量（標態、干基、6%O2），μg；VNH3—抽取煙氣體積（標態、干基、6%O2），L。

圖1 氨逃逸濃度采集裝置

圖2 SO3采樣系統

3.3 SO3濃度

每個測量面的測點數不少于3點。測試方法參照《石灰石-石膏濕法煙氣脫硫裝置性能驗收試驗規范》DL/T998-2006附錄A。采樣裝置如圖2所示。

通過化學分析，按照如下公式得出煙氣中SO3的濃度：

式中：CSO3—三氧化硫濃度（標態、干基、6%O2），mg/m3；0.833—硫酸根對三氧化硫的折算系數；L—洗液的容積，0.1L；X—洗液中硫酸根離子的含量，mg/L；V—抽取的煙氣體積（標態、干基、6%O2），m3。

3.4 SO2/SO3轉化率

煙氣中SO2的采樣方法執行GB/T 16157和HJ/T 47的規定，煙氣中SO3的采樣方法參照執行DL/T 998 附錄A的規定。通過測量SCR進口的SO2、SO3和出口的SO3濃度，通過計算得到。

SO2/SO3轉化率按如下公式計算：

式中：X —煙氣脫硝系統SO2/SO3轉化率，%；MSO2—SO2的摩爾質量，g/mol；MSO3—SO3的摩爾質量，g/mol；CSO3out—SCR反應器出口煙氣中SO3濃度（標態、干基、6%O2），mg/m3；CSO3in—SCR反應器入口煙氣中SO3濃度（標態、干基、6%O2），mg/m3；CSO2in—SCR反應器入口煙氣中SO2濃度（標態、干基、6%O2），mg/m3。

4 研究內容

4.1 滿負荷工況脫硝性能

對滿負荷工況下，按照3.1節的測試方法對SCR反應器進出口氮氧化物濃度和氧量進行測量，從而計算出SCR的脫硝效率；按照3.2節的測試方法對多個測量點的氨逃逸率進行測量，從而計算出SCR的氨逃逸率；按照3.3和3.4節的測試方法對多個測量點的二氧化硫和三氧化硫的濃度進行測量，從而計算出SCR的SO2/SO3轉化率。具體測量結果如圖3所示。

圖3是滿負荷工況下SCR入口氮氧化物濃度分布情況，從圖中可以看出入口的氮氧化物濃度分布較為均勻，相對標準表差只有3.86%。圖4是滿負荷工況下SCR出口氮氧化物濃度分布情況，從圖中可以看出，由于煙道的翻轉和偏斜，噴氨區域的速度場有一定的偏差，在入口的氮氧化物濃度較為均勻情況下，出口的氮氧化物濃度分布相對標準偏差有所增加。脫硝效率85.31%。

表1是滿負荷工況下SO2/SO3轉化率測試結果，在滿負荷工況下（入口煙氣溫度375℃），寬溫催化劑的SO2/SO3轉化率滿足不超過1%的要求。

表2是滿負荷工況下氨逃逸率測試數據，從結果中可以看出氨逃逸率滿足不超過3 ppm的要求。

4.2 最低穩燃負荷工況脫硝性能

SO2/SO3的化率對溫度變化敏感，溫度越高，轉化率越高。由于滿負荷工況下SO2/SO3轉化率不超過1%，因此在最低穩燃負荷工況下，煙溫較低，SO2/SO3轉化率不是關注的重點。最低穩燃負荷主要考量脫硝效率和氨逃逸率。

圖4是最低穩燃負荷工況下SCR入口氮氧化物濃度分布情況，圖4是最低穩燃負荷工況下SCR出口氮氧化物濃度分布情況。從圖中可以看出，在低負荷情況下入口的氮氧化物分布濃度有所變化，在噴氨格柵沒有隨之調整的情況下，出口的氮氧化物濃度分布波動較大。脫硝效率85.05%。

圖3 滿負荷入口NOx濃度分布

圖4 滿負荷出口NOx濃度分布

表1 SO2/SO3轉化率測試數據

表2 氨逃逸率測試數據

圖5 最低穩燃負荷入口NOx濃度分布

圖6 最低穩燃負荷出口NOx濃度分布

表3 氨逃逸率測試數據

表3是最低穩燃負荷工況下（煙氣溫度275℃）氨逃逸率測試數據，從結果中可以看出氨逃逸率滿足不超過3 ppm的要求。

5 結論

（1）寬溫催化劑能夠滿足鍋爐在全負荷工況運行下的脫硝效率、氨逃逸率、SO2/SO3轉化率的要求，是解決當前SCR脫硝系統難以適應負荷變化的有效途徑。

（2）為了進一步提升負荷變化時噴氨量的精確控制，脫硝改造應結合噴氨格柵細調進行相應的優化。

[1] 國家統計局 《中華人民共和國2015 年國民經濟和社會發展統計公報》 2016 年 2 月 29 日

[2]國家能源局 《2015年全國6000千瓦及以上電廠發電設備平均利用小時情況》 2016年1月29日

[3]中國電力企業聯合會 《中電聯發布2014年度火電廠環保產業信息》2015年5月7日

[4]環境保護部 《關于火電廠SCR脫硝系統在鍋爐低負荷運行情況下NOx排放超標有關問題的復函》環函[2015]143號 2015年6月19日

[5]閆超，張蘭華 1000MW機組全負荷低NOx排放優化 電力科學與工程 第31卷第12期 2015年12月 61-65

[6]羅江勇，呂新樂，邊鵬飛，韓琪 600MW超臨界鍋爐全負荷工況脫硝改造方案探討 山東電力技術 第42卷（總第214期） 2015年第10期61-66

[7]高偉，宋寶軍 1000MW超超臨界鍋爐全負荷投運SCR技術方案探討 鍋爐制造 第1期 2015年1月 37-39

[8]黃文靜，戴蘇峰，艾春美，康志宏 電站燃煤鍋爐全負荷SCR脫硝控制技術探討 節能技術 第2期 第33卷(總第190期) 2015年3月 189-192

Study on Wide Temperature Catalyst
Full Load Denitrification Application at Coal-Fired Power Plant

Liu Haijiao1, Cheng Jidong1, Sun Ke1, Li Qingyi1, Li Wenhua2, Pan Liangjin1, Wu weihong3

1 Zhejiang Province Tiandi Environment Protection Technology Co.,Ltd
2 Zhejiang Province Zhe Energy Wenzhou Power Generation Co.,Ltd
3 Zhejiang University

∶The author studies wide temperature catalyst full load application at coal-fired power plant. The brand new SCR wide temperature denitrification rate is above 85%, ammonia escaping rate is under 3ppm and SO2/SO3conversion rate is under 1% when design condition of coal variety is between 35%～100%. The experiment result shows that denitrification efficiency is 85.31%, ammonia escaping rate is 2.3 ppm and SO2/SO3conversion rate is 0.835% when load condition is 100%. The experiment result also shows that denitrification efficiency is 85.05%, ammonia escaping rate is 2.51 ppm when load condition is 35%. All parameters are guaranteed under test conditions.

∶Denitrification, SCR, Wide Temperature, Catalyst, Full Load

劉海蛟：（1978.02-），男，工程師，主要從事電廠環保技術研究和設計工作。