基于火電廠低負(fù)荷脫硝分析

李建星

（華電國(guó)際鄒縣發(fā)電廠，山東 鄒城 273522）

0 引言

我國(guó)經(jīng)濟(jì)正處于快速發(fā)展過程中，電力需求量也在不斷增加。在眾多的發(fā)電廠中，火力發(fā)電廠所占比例最大。因此也導(dǎo)致了煤炭的用量只增不減，空氣中的氮氧化物、粉塵、硫氧化物等大氣污染物也隨之增加，大氣污染治理一直備受關(guān)注，但依舊存在很多問題。除了政府干涉治理之外，火電廠在發(fā)電時(shí)也要把這個(gè)問題納入考慮之中。隨著除塵設(shè)備和脫硫脫硝裝置在火電廠的全面應(yīng)用，空氣污染情況得到一些改善，可是仍然不能從根本上解決。近年來，脫硝裝置在火電廠中的投入已經(jīng)是硬性指標(biāo)，在火電廠中必須使用，否則就會(huì)被追究法律責(zé)任。目前脫硝技術(shù)的研究已納入我國(guó)環(huán)境保護(hù)中的重要內(nèi)容[1-2]。

1 火電廠脫硝背景

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2008年我國(guó)的氮氧化物排放量高達(dá)2000萬(wàn)噸，排名世界第一。有專家預(yù)測(cè)，氮氧化物的排放量還會(huì)持續(xù)增加，到2020年將突破3000萬(wàn)噸。這樣龐大的數(shù)字也給我國(guó)環(huán)境保護(hù)組織敲響了警鐘，我國(guó)的大氣環(huán)境質(zhì)量將受到嚴(yán)重的威脅。

氮氧化物包括很多種，其中最重要的兩種污染物是一氧化氮和二氧化氮。氮氧化物會(huì)對(duì)人體健康造成傷害，誘發(fā)疾病，且在大氣中持續(xù)存在將造成二次污染。氮氧化物的大量排放會(huì)在空氣中形成酸雨和光化學(xué)煙霧，對(duì)臭氧層造成破環(huán)，嚴(yán)重?fù)p害生態(tài)環(huán)境。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)的氮氧化物排放量逐漸上升，酸雨中的成分不斷變化，已經(jīng)出現(xiàn)硝酸和硫酸混合型酸雨，我國(guó)面臨嚴(yán)重的酸雨污染狀況。

氮氧化物主要產(chǎn)生于工業(yè)、機(jī)動(dòng)車和火電廠。火電廠的煤炭燃燒產(chǎn)生的氮氧化物排放量比例最高。由于火力發(fā)電是我國(guó)電力的重要組成部分，因此，火電裝機(jī)容量會(huì)出現(xiàn)增長(zhǎng)，氮氧化物排放量在短時(shí)間內(nèi)是無法減少的，甚至更多是處于增長(zhǎng)水平[3]。

2 火電廠脫硝技術(shù)發(fā)展

火電廠的氮氧化物排放控制手段包括：嚴(yán)格控制燃燒過程中生成的氮氧化物容量，是一種低氮燃燒技術(shù)；另一種是對(duì)煤炭燃燒后產(chǎn)生的氮氧化物進(jìn)行處理，指煙氣脫硝技術(shù)。煙氣脫硝技術(shù)又包括了選擇性催化還原法（SCR技術(shù)）和低負(fù)荷脫硝技術(shù)，除了這兩種之外，還有活性炭吸附法、微生物吸收法，等等。

2.1 低氮燃燒技術(shù)

燃料在燃燒時(shí)生成氮氧化物，然后人為地進(jìn)行燃燒技術(shù)改進(jìn)來實(shí)現(xiàn)氮氧化物的生成量和排放量控制，該技術(shù)被叫作低氮燃燒技術(shù)。低氮燃燒技術(shù)包括了三個(gè)方面的內(nèi)容：分別是低氮燃燒器、空氣燃燒技術(shù)以及燃料燃燒技術(shù)。根據(jù)火電廠中新引進(jìn)的火電機(jī)組規(guī)范，都要安裝低氮燃燒設(shè)備，在傳統(tǒng)的火電機(jī)組的脫硝設(shè)備改造中，將鍋爐爐壁進(jìn)行修改，就能實(shí)現(xiàn)低氮燃燒技術(shù)。低氮燃燒技術(shù)有兩項(xiàng)重要的內(nèi)容：第一，它可以使用單項(xiàng)技術(shù)或者運(yùn)用多項(xiàng)技術(shù)組合；第二，該技術(shù)的脫硝效率最大能夠達(dá)到50%，技術(shù)工藝較為成熟，設(shè)備運(yùn)行和投資成本費(fèi)用較低[4]。

2.2 選擇性催化還原法

SCR催化還原技術(shù)是指在選擇性催化劑的作用下實(shí)現(xiàn)氮氧化物轉(zhuǎn)換的化學(xué)反應(yīng)，出口煙氣中的二氧化氮會(huì)通過化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)換為氮?dú)夂退瑥亩_(dá)到出口煙氣中二氧化氮排放量減少的技術(shù)。應(yīng)用于煙氣脫硝中的SCR催化劑可分為高溫催化劑（345～590 ℃）、低溫催化劑（80～300 ℃）以及中溫催化劑（260～380 ℃），催化劑種類不同，反應(yīng)溫度也有所差別。如果化學(xué)反應(yīng)溫度較低，選用的催化劑活性也較低，會(huì)造成煙氣脫硝效率有所下降，同時(shí)催化劑長(zhǎng)時(shí)間處于低溫工作狀態(tài)會(huì)影響催化劑的相對(duì)活性。而化學(xué)反應(yīng)溫度偏高，容易造成催化劑氧化，還會(huì)使催化劑材料發(fā)生改變，催化劑失活或者活性降低。近年來，國(guó)際上的SCR還原裝置多使用耐高溫催化劑，反應(yīng)溫度在 315～400 ℃左右。

催化劑的選擇與SCR脫硝裝置的結(jié)構(gòu)也有密切聯(lián)系。SCR的結(jié)構(gòu)有三種：一是位于煙氣脫硫除塵之后(尾部法)、二是安裝在鍋爐后方（高塵法）、三是處于電除塵器與空氣預(yù)熱器之間（低塵法）。高塵布置時(shí)SCR反應(yīng)裝置處于省煤器與空氣預(yù)熱器之間，而它們之間的溫度是300～430℃，此溫度是普通催化劑的最合適溫度，當(dāng)煙氣通向SCR反應(yīng)裝置后，不需要再進(jìn)行加熱，反應(yīng)裝置的運(yùn)行成本較低。低塵布置法通過降低煙塵對(duì)反應(yīng)催化劑的化學(xué)作用，從而避免催化劑出現(xiàn)堵塞，盡可能地提高催化劑的壽命。但是低塵布置法須使用電除塵器。尾部布置法中SCR安裝在煙氣除塵脫硫后方，需要加熱系統(tǒng)來滿足煙氣催化劑的溫度要求，投資成本高。因此，在SCR催化還原裝置中，高塵布置法是首選[5]。

3 國(guó)內(nèi)外SCR技術(shù)現(xiàn)狀研究

當(dāng)前，我國(guó)的火電廠已經(jīng)開始大規(guī)模的安裝SCR催化劑還原裝置，以達(dá)到大面積降低氮氧化物排放量的目的。但就目前火電廠中正在運(yùn)行的SCR還原裝置來說，它的機(jī)組省煤器排煙效果會(huì)受到溫度的影響，負(fù)荷將低至50%，排煙溫度達(dá)不到催化劑的最低運(yùn)行溫度，造成脫硝效果降低[6]。因此，有必要對(duì)市面上正在運(yùn)行的SCR脫硝還原裝置進(jìn)行完善和創(chuàng)新，主要是通過控制選擇性催化劑的還原反應(yīng)器釋放的煙氣溫度，從而確保煙氣溫度范圍能夠在催化劑所需溫度區(qū)間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)鍋爐的氮氧化物排放量達(dá)標(biāo)。并同時(shí)使得還原催化劑的壽命得以延長(zhǎng)，有效降低催化成本。

4 低負(fù)荷脫硝技術(shù)介紹

鍋爐低負(fù)荷工作條件下，為了實(shí)現(xiàn)省煤器煙氣溫度的上升，有以下幾種方案供參考。

4.1 鍋爐水混合提溫法

鍋爐水混合提溫法主要是采用鍋爐水加熱的辦法來增加省煤器的煙氣溫度，這個(gè)方案已經(jīng)在火電廠運(yùn)行，有經(jīng)驗(yàn)積累，運(yùn)行效果有據(jù)可依。

4.2 多級(jí)省煤器脫硝

省煤器分級(jí)是通過改變省煤器的結(jié)構(gòu)布置來實(shí)現(xiàn)多級(jí)省煤器運(yùn)行，然后把將改裝過的省煤器安裝在SCR還原裝置的煙氣出口位置，但是改裝過后的多級(jí)省煤器由于規(guī)模過大，火電廠的場(chǎng)地?zé)o法滿足要求，因此，多級(jí)省煤器還沒有應(yīng)用到實(shí)際的脫硝反應(yīng)器中。

4.3 省煤器旁路脫硝技術(shù)

省煤器旁路脫硝技術(shù)指的是從省煤器的煙氣出口側(cè)或者給水側(cè)設(shè)置旁路，在低負(fù)荷時(shí)，一部分溫度高的出口煙氣會(huì)向煙氣旁路流通，另外一些鍋爐給水往水側(cè)旁路流出，如此一來，能夠使得出口煙氣的溫度提到提高，可以滿足SCR還原裝置的運(yùn)行要求 。省煤器旁路脫硝技術(shù)的設(shè)計(jì)方案效果良好，在工程中已經(jīng)有應(yīng)用。

4.3.1 省煤器水旁路改造

省煤器水旁路改造是指在一些省煤器供水管中增加旁路設(shè)置，在低負(fù)荷脫硝時(shí)，能夠有效減少供水量，實(shí)現(xiàn)省煤器煙氣溫度的升高。此方案需要進(jìn)行修改的內(nèi)容是：① 通過給省煤器給水管道安裝補(bǔ)償器，再安裝手動(dòng)閥門裝置；② 對(duì)省煤器給水管道進(jìn)行部分改造；③ 要對(duì)水旁路管道進(jìn)行定期的檢修、維護(hù)，尤其要設(shè)置鋼架結(jié)構(gòu)、欄桿；④ 在省煤器給水旁路裝置中設(shè)置控制和照明系統(tǒng)，保證工作人員在施工時(shí)的安全。

4.3.2 省煤器煙氣出口旁路

省煤器煙氣出口旁路只需將省煤器中一些高溫?zé)煔饧訜崾∶浩鞯某隹跓煔猓虼藘H對(duì)一些鍋爐尾部框架和省煤器給水管道實(shí)行改造即可。方案內(nèi)容包括：① 在省煤器的煙氣旁路管道上調(diào)節(jié)擋板門，調(diào)整補(bǔ)償器和導(dǎo)流板系統(tǒng)；② 改造鍋爐尾部鋼架結(jié)構(gòu)、欄桿和檢修平臺(tái)；③ 檢查省煤器煙氣旁路的電氣和照明系統(tǒng)；④ 完善省煤器煙氣旁路控制系統(tǒng)；⑤ 檢修省煤器煙氣旁路的壓縮空氣、保溫、排灰等輔助系統(tǒng)；⑥ 檢查其他的空氣壓縮和汽水管道裝置。以下是省煤器旁路在煙氣脫硝中的應(yīng)用，如圖1所示為煙氣脫硝流程圖。

5 低負(fù)荷脫硝技術(shù)的經(jīng)濟(jì)、安全內(nèi)容分析

5.1 省煤器煙氣旁路安裝擋板

圖1 煙氣脫硝流程圖Fig.1 Flue gas denitration flow chart

省煤器煙氣旁路安裝擋板，能夠很大程度上將SCR還原脫硝裝置的出口煙氣溫度不高的問題進(jìn)行有效解決，但是，這種安裝擋板的方式會(huì)進(jìn)一步提高火電廠投資運(yùn)行的資金，在SCR裝置正常工作情況下，安裝的旁路擋板需要長(zhǎng)時(shí)間處于高溫?zé)煔猸h(huán)境中，增加了故障發(fā)生的頻率，一旦擋板出現(xiàn)問題，鍋爐運(yùn)行受到影響，在問題沒有處理之前，不能在進(jìn)行煙氣脫硝。所以這種方案不是最佳的方法[8]。

5.2 調(diào)整磨煤機(jī)制粉層次

低負(fù)荷脫硝過程中，需要調(diào)整磨煤機(jī)的制粉層次，盡可能地把制粉層次移動(dòng)，使?fàn)t膛火焰中心被增高，出口煙氣溫度也會(huì)被提高，溫度可以達(dá)到8 ℃，升溫效果明顯。但是制粉層次如果經(jīng)常調(diào)整會(huì)造成鍋爐內(nèi)氣溫變化太大，會(huì)留下安全隱患，因此也不是理想的解決辦法[9-10]。

5.3 停止鍋爐吹灰

停止鍋爐吹灰能夠短時(shí)間內(nèi)提高低負(fù)荷機(jī)組的SCR反應(yīng)器出口溫度，但鍋爐管壁會(huì)出現(xiàn)機(jī)會(huì)嚴(yán)格、甚至結(jié)焦的現(xiàn)象，給機(jī)組安全運(yùn)行帶來障礙。考慮到機(jī)組高負(fù)荷段的排煙情況，這種方式會(huì)導(dǎo)致排煙損失過大，火電廠的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性能受到影響，違背了低負(fù)荷脫硝技術(shù)的相關(guān)原則，因此不建議使用。

5.4 調(diào)整磨煤機(jī)出口煙氣溫度

火電機(jī)組在進(jìn)行低負(fù)荷工作過程中，可以通過調(diào)整磨煤機(jī)的出口煙氣溫度來增強(qiáng)脫硝效果，這個(gè)辦法操作上較為簡(jiǎn)單，但實(shí)際的脫硝效果并不顯著，并且磨煤機(jī)出口煙氣溫度一旦出現(xiàn)降低，會(huì)造成嚴(yán)重的燃煤損耗，有很大的負(fù)面影響。

5.5 增加鍋爐風(fēng)量

火電廠低負(fù)荷脫硝時(shí)，可以適當(dāng)增肌鍋爐的風(fēng)量，對(duì)SCR還原脫硝裝置的出口煙氣溫度提高有重要的作用，雖然鍋爐風(fēng)量增加，但排煙損失也隨之增加。同上述幾種方法進(jìn)行比較后，可以得知這項(xiàng)操作簡(jiǎn)單，且只在低負(fù)荷脫硝期間使用，適用性強(qiáng)[11]。

6 結(jié)語(yǔ)

火電廠在運(yùn)行期間既需要承擔(dān)排放指標(biāo)的重任，又處于低負(fù)荷運(yùn)行的重要階段，所以SCR脫硝技術(shù)的不斷升級(jí)和完善，能夠保證低負(fù)荷脫硝系統(tǒng)的正常運(yùn)行，低負(fù)荷脫硝技術(shù)的氮氧化物超低排放將成為大勢(shì)所趨。