問題導向型技術比選在發(fā)電企業(yè)環(huán)保改造中的集成應用

劉冠錚

摘 要：某發(fā)電公司在進行自有配置管式空氣預熱器鍋爐脫硝改造工程中，借鑒已完成同類型改造工程各方面施工及生產(chǎn)經(jīng)驗，以解決目前脫硝改造易出現(xiàn)的問題為導向，確定了全面的目標體系，開展了多領域的技術比選工作，并優(yōu)選方案后進行了實施，最終，不僅有效解決了相關問題，而且工程從投資收益、人力成本、施工工期等多方面皆得到了進一步優(yōu)化。

關鍵詞： 問題導向；技術比選；集成應用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.03.148

1 立項的背景

（1）某發(fā)電公司8號機組于1995年投產(chǎn)，為DG670/13.7-8型超高壓中間再熱自然循環(huán)固態(tài)排渣煤粉爐，鍋爐最后兩排柱K、L與鍋爐本體脫開布置，在鍋爐尾部煙道上布置有管式空氣預熱器，漏風率達9.335%；。由于機組投運時間較早，未采用煙氣脫硝技術，鍋爐NOX實際排放值約為800-1000 mg/Nm3 （干基、標態(tài)，6%O2，以NO2計）。2014年，為滿足《火電廠大氣污染物排放標準》（GB13223-2011）環(huán)保排放要求（100 mg/Nm3以下），需進行脫硝綜合改造。

（2）自文件下發(fā)以后，國內(nèi)各發(fā)電企業(yè)陸續(xù)完成了相關脫硝環(huán)保改造。通過對多家發(fā)電企業(yè)調(diào)研得知：國內(nèi)發(fā)電企業(yè)通常在進行脫硝環(huán)保改造的技術選型時，皆采用“目標導向”方法（即主要以環(huán)保改造達標為目標）制定相關改造方案并實施，雖然脫硝改造后可達到環(huán)保排放指標，但機組在節(jié)能指標、安全生產(chǎn)方面皆存在部分問題。

（3）因配置管式空預器的鍋爐脫硝改造，涉及空氣預熱器、鍋爐鋼結構、運行條件選取、土建等多方面的設備改造及技術論證。在每個領域常以單一方案進行工程實踐，難以保證所有方面皆能合理和先進。

2 問題及目標的確定

某發(fā)電公司為保證自有配置管式空氣預熱器鍋爐脫硝改造工程借鑒已完成脫硝環(huán)保改造發(fā)電企業(yè)各方面施工及生產(chǎn)經(jīng)驗，以目前脫硝改造易出現(xiàn)的問題為導向，成立了解決問題的組織機構，確定了全面的目標體系。

（1）通過對對同類型發(fā)電公司脫硝改造工程進行調(diào)研，結合自身機組特點，明確相關同類型機組及本工程存在的問題：1）脫硝裝置采用常規(guī)布置，將煙氣脫硝裝置加裝在空氣預熱器入口、高溫預熱器出口等各段煙溫進行統(tǒng)計分析，均未在催化劑最佳溫度范圍內(nèi)。催化劑壽命低于設計值，管式空預器頻繁出現(xiàn)堵塞，難以保證長期安全穩(wěn)定運行。2）脫硝利用原鋼結構，需對其進行補強，并基礎加固，核算后存在不滿足要求的可能性，爐后施工空間狹小，鍋爐鋼構架加固難度較大，同時新增鋼構架安裝及設備安裝難度較大。 3）機組排煙溫度較高，機組長期低效率運行，嚴重影響機組運行經(jīng)濟性。

（2）搜集、詳細了解與脫硝綜合改造各領域有關的相關技術方案：

（3）確定工程預期達到的目標：1）脫硝層安裝在催化劑最佳溫度范圍內(nèi)（300-400℃）；2）脫硝鋼結構減少復雜度，施工工期控制在60日之內(nèi)；3）排煙溫度達到改造預期目標130℃。

3 方案的技術比選及確定

3.1 適用脫硝最佳煙溫的方案比選

方案一：將原空預器低溫段加大管徑，并加高，管道內(nèi)襯搪瓷防堵；原空預器低溫段設置耙式吹灰器，以防止空預器堵塞。同時為保證高溫預熱器、低溫預熱器上組的換熱效率及漏風率，需進行檢修治理。

方案二：空預器改為回轉(zhuǎn)式空預器，冷端采用搪瓷元件防腐處理，防止堵塞，并在熱端增加蒸汽吹灰器、冷端增加雙介質(zhì)蒸汽吹灰器。

上述兩個方案中，方案一，低溫空氣預熱器下組進行更換后，可在一定程度上緩解預熱器腐蝕、積灰問題，同時需對高溫預熱器及低溫預熱器上組進行檢修，最大限度的利用原有空預器，工程量及節(jié)省工程造價相對較低，但脫硝鋼結構高度增加約10米，鋼結構造價增加，同時空氣預熱器高度增加后，空氣側(cè)截面積增加，空氣流速降低，影響換熱效果。因管式空氣預熱器高度較高，采用耙式吹灰器進行吹灰效果不理想。

方案二需將鍋爐尾部受熱面（管式空預器、省煤器、煙風道等）整體拆除，改造工程量較大，工期較長，投資成本相對較高，脫硝鋼結構高度較方案一低10米，但通過空氣預熱器的重新設計，可以重新選擇預熱器傳熱面積，降低排煙溫度，增加熱風溫度，同時采用蒸汽吹灰器亦能保證吹灰效果，有利于鍋爐效率保證。

（1）技術性比較.從產(chǎn)品的設計、制造、安裝、系統(tǒng)運行、維護、檢修、能耗、效率、投資等多方面進行了一系列的比較。可以看到：回轉(zhuǎn)式空預器在設計制造安裝方面具有用材量少、整體荷重小、占地面積少、支撐結構簡單、煙道連接簡易、系統(tǒng)阻力小等優(yōu)勢；在運行方面回轉(zhuǎn)式空預器也具有流通阻力小、排煙溫度低、漏風率穩(wěn)定、SCR適應性強、耐低溫腐蝕和耐磨，整體能耗不高、保證鍋爐效率、設備可靠性高的優(yōu)勢。

由于回轉(zhuǎn)式空預器冷端采用鍍搪瓷元件，高度覆蓋整個硫酸氫銨凝結區(qū)域，吹灰和清洗介質(zhì)能深入傳熱元件內(nèi)部，吹透全部硫酸氫銨和硫酸凝結區(qū)，可以較好的清除沉積物，使得預熱器不會堵塞。另外，預熱器設置水沖洗系統(tǒng)，可以徹底清洗傳熱元件內(nèi)部殘留灰分。如果采用管式空預器，SCR的副產(chǎn)物硫酸氫銨在191-150℃時為液態(tài)，極易在密封管束內(nèi)部深處的管子表面凝結并吸附灰分，特別是采用錯列管束的管式預熱器，吹灰蒸汽無法吹透整個積灰區(qū)域。一般半年左右出現(xiàn)內(nèi)部積灰搭橋而堵塞部分管束通道，導致阻力急劇上升，甚至引起鍋爐停機。

（2）經(jīng)濟性比較。1）改造費用比較。管式空預器總費用為819.2萬元，回轉(zhuǎn)式空預器總費用為1073萬元。2）運行費用比較。排煙溫度降低對鍋爐運行費用的影響。

加裝SCR后，由于噴氨將導致空預器受熱面硫酸氫銨沉積風險性加大。對于管式空預器來說，硫酸氫銨極易在管束內(nèi)部深處的管子表面凝結并吸附灰分，因此排煙溫度不宜設計地過低。8號爐原設計排煙溫度為140℃，目前運行實測值約為156.5℃。加裝SCR后，如采用管式空預器，實際排煙溫度不會低于140～150℃；

而對于回轉(zhuǎn)式空預器來說，由于吹灰和清洗介質(zhì)能深入傳熱元件內(nèi)部，吹透全部硫酸氫銨和硫酸凝結區(qū)，可以較好的清除沉積物，使得預熱器不會堵塞。另外，預熱器設置水沖洗系統(tǒng)，可以徹底清洗傳熱元件內(nèi)部殘留灰分。設計排煙溫度可以取得低一些。參考國內(nèi)類似工程，可取130℃。年節(jié)約標煤費用4591.125噸，節(jié)約燃煤費用約298.42萬元，節(jié)煤效果十分可觀。

結論：綜合技術性和經(jīng)濟性比較結果，方案二雖然投資較高，但對SCR適應性更好，可靠性更高，且可實現(xiàn)降低排煙溫度和空預器漏風率，保證鍋爐效率，從而得到較好的經(jīng)濟效益，針對預熱器改造的投資回收期限較短，因此推薦方案二：空預器改為回轉(zhuǎn)式空預器。

3.2 脫硝裝置鋼結構的方案比選

方案一：利用原有鍋爐鋼架，進行加高加固改造。

由于本工程原有空預器為管式，管式空預器管箱及煙風道距離鋼結構太近，如果不拆除，則該區(qū)域無改造施工空間，同時鍋爐K、L列，B0、B8排鋼柱為格構柱，該類型鋼柱橫截面小，承載能力差，在不拆除上部煙風道的前提下進行加固難度大，難以實現(xiàn)。若本次改造仍利用原有鍋爐鋼架，需通過荷載轉(zhuǎn)移的方式實現(xiàn)該方案，加固加高工作量較大。

（1） 如前所述，由于本工程是老廠改造，受老廠鋼結構型式及管式空預器限制，無法對原鍋爐鋼架進行直接加固，只能采用荷載轉(zhuǎn)移的方式實施。從結構專業(yè)的角度看，必須將新增脫硝支架與鍋爐本體構架整體建模，并進行詳細計算，該項工作必須由鍋爐廠負責，核算后存在不滿足要求的可能性，不確定性因素較多。

（2）對原有鍋爐鋼架改造，因設備不拆除，爐后施工空間狹小，鍋爐鋼構架加固難度較大，同時新增鋼構架安裝及設備安裝難度較大。

（3）因原有結構增加荷載及在爐后區(qū)域新增鋼架，所以本方案基礎改造工程量較大，改造難度較大，同時涉及到補樁，又因場地空間狹小，補樁難度較大。

（4）因空氣預熱器為管箱式，鋼結構整體高度較高，實際使用量大。

方案二：鍋爐K、L排柱拆除后新建

將鍋爐區(qū)域K～L排，B0～B8排鋼架拆除，基礎保留。根據(jù)回轉(zhuǎn)式空預器設備提資，在原鍋爐K、L排區(qū)域新建脫硝鋼構架。通過加設水平鋼桁架或支撐形式將新建脫硝鋼架K排與原鍋爐鋼架J排進行連接，使鍋爐鋼架可分擔部分脫硝SCR產(chǎn)生的水平荷載，并對原鍋爐鋼架進行局部加固。

（1）方案二采取拆除后新建的方案，相對方案一而言，施工有足夠的空間，施工相對便捷。

（2）由于回轉(zhuǎn)式空預器高度僅有管式空預器的1/4左右，且省煤器前移，SCR裝置與回轉(zhuǎn)式空預器直接對接，因此脫硝支架高度大大降低。另外設計難度也不大，可由具有資質(zhì)單位承擔。

（3）相對方案一而言，方案二工期增加同時土建造價增加。

改造費用比較及結論。通過兩項改造費用對比，雖然方案二的改造費用較高（約增加426.8萬元），但由于可有效降低排煙溫度，降低機組加裝SCR后長期運行的空預器漏風率，實際運行費用較低。即使按降低排煙溫度10℃計算，所產(chǎn)生的節(jié)煤效益每年可以達到209.94萬元，約2.0年即可收回投資；如果按降低排煙溫度20℃計算，所產(chǎn)生的節(jié)煤效益每年可以達到322.55萬元，約1.3年即可收回投資，且將在機組壽命期間繼續(xù)發(fā)揮效用。

方案二不足之處是工期較長，但考慮到某發(fā)電公司同時將進行脫硫改造，涉及到的煙囪改造難度較大，工期較長。脫硫、脫硝改造工程可同時進行，只要合理安排，即可將由于停爐造成的損失降至最低。

綜上所述，推薦方案二：原有鋼結構拆除重建+空預器更換為回轉(zhuǎn)式+省煤器改造。

3.3 排煙溫度控制的方案比選

為保證排煙溫度達到改造預期目標130℃，空氣預熱器的選型至關重要。空氣預熱器入口煙氣溫度為350℃設計，需選型28號回轉(zhuǎn)式空氣預熱器，因受爐體與電除塵器的空間位置限制，該型號空氣預熱器無法布置，將空氣預熱器型號更改為27號，排煙溫度將高于預期目標。為保證排煙溫度滿足改造需要，經(jīng)計算，在脫硝裝置至空氣預熱器之間增設一級省煤器，與前移省煤器串聯(lián)，同時增設一級省煤器水側(cè)旁路，便于根據(jù)煙氣溫度時時調(diào)整。

因預熱器入口煙氣溫度降低，但熱風溫度有所降低，從爐膛燃燒角度分析，根據(jù)電廠實際煤種當熱風溫度降低至315℃時可滿足鍋爐運行安全性要求。按預熱器最小端差25℃推算，預熱器入口煙溫需控制在350℃左右。改造后熱風溫度較現(xiàn)運行值有所下降、三次風量會增加、二次風量會降低，按上述改造后對煤種適應性無較大影響，但飛灰可燃物可能會略有升高，在燃燒器改造時應該加以注意。

3.4 綜述

對治理各領域問題的相關技術方案，從技術可行性、經(jīng)濟性、工期等多方面進行比選，確定適合本項目的最優(yōu)方案為：

（1）脫硝裝置布置方案：采用管式空預器改為回轉(zhuǎn)式。

（2）脫硝裝置鋼結構方案：利用原有鍋爐鋼架，進行加高加固改造。

（3）排煙溫度控制方案：在脫硝裝置至空氣預熱器之間增設一級省煤器，便于根據(jù)煙氣溫度時時調(diào)整。

4 實施效果

4.1 解決的問題

（1）將原管式空預器改造為回轉(zhuǎn)式空預器，解決了原鍋爐尾部各段煙氣溫度均不在催化劑最佳活性溫度范圍內(nèi)，且同步進行低氮燃燒器改造，脫硝入口煙氣溫度存在變量的問題；

（2）通過在脫硝反應器與預熱器之間增加一級省煤器，解決了因改造場地空間布置限制，空氣預熱器選型不滿足排煙溫度要求的問題，并實現(xiàn)了排煙溫度在不同機組負荷下的可控。

4.2 環(huán)保及節(jié)能指標效果

脫硝系統(tǒng)加裝后運行穩(wěn)定，滿負荷工況下，脫硝出口氮氧化物濃度低于88mg/Nm3，空氣預熱器冷端未發(fā)生硫酸氫氨堵塞，尾部設備運行穩(wěn)定；同時通過空氣預熱器改造、省煤器改造，機組排煙溫度完成134.99℃，保證了機組可長期穩(wěn)定運行運行經(jīng)濟性。

4.3 經(jīng)濟效益

經(jīng)計算，此次改造后，從脫硝電價、節(jié)能、運行維護成本等多方面綜合計算，可增加經(jīng)濟效益1284萬元以上。

5 主要創(chuàng)新點

（1）打破了以往發(fā)電企業(yè)采用“目標導向”的方法（即主要以環(huán)保改造達標為目標）制定相關改造方案并實施的慣例，創(chuàng)造性的以解決脫硝改造已出現(xiàn)的問題為導向進行工程建設。降低了工程施工中的技術難度，縮短了施工工期、避免了環(huán)保改造后催化劑壽命低于設計值、排煙溫度偏高、空預器堵塞導致機組被迫停運等問題的再次出現(xiàn)。

（2）在制定脫硝裝置布置、鋼結構、鍋爐排煙控制、土建施工等多領域方案中，摒棄了以單一方案進行工程實踐的做法，通過引入多種方案進行技術經(jīng)濟比選的方式，將各領域方案的合理及最優(yōu)方案集成到整個脫硝綜合改造工程中。工程實施后，在節(jié)能指標、設備可靠性、機組安全運行等方面優(yōu)勢明顯。在國內(nèi)同類型機組的環(huán)保改造中處于領先地位。

（3）在取得良好的社會和經(jīng)濟效益的同時，提供了一種技術方案比選的方法，形成了一套完善的問題導向技術比選體系，為日后同類型機組環(huán)保改造工程管理提供了參考和借鑒。