300MW火電機組低負荷下的脫硝問題和解決方案

劉菊林

上海電力股份有限公司吳涇熱電廠

0 前言

“十二五”期間國家對大氣污染物排放實施嚴格規定，并進行了全面控制，加大了節能減排的力度。落實和抓好節能減排是所有工作的重中之重，要求電力企業加強對污染物數據的監控，加大資金的投入，安裝煙氣污染物排放自動監控系統。按照國家有關降低污染物排放要求,吳涇發電有限責任公司分別于2008年和2013年對2臺火電機組進行了脫硫和脫硝改造，取得了良好的節能與環保效果。然而，由于該廠采用尿素分解氨氣作為催化劑的脫硝法，脫硝系統的投運對鍋爐煙氣的溫度有較高要求。該廠機組的負荷在低于180MW時，機組排煙溫度低于氨氣催化時的最低溫度，無法投入脫硝裝置，造成氮氧化物嚴重超標。因此，要求機組在正常運行的最低運行負荷（120MW)投入脫硝裝置已迫在眉睫。根據相關環保條例的要求機組將被限制投入運行。

針對吳涇發電有限責任公司2臺300MW的亞臨界汽輪機組的實際情況,對機組安裝寬負荷脫硝擋板后，從機組啟動、運行、調試和優化的整體角度出發,提出了當機組負荷在120MW～180MW期間，寬負荷擋板的投入對煙氣溫度的提高及脫硝裝置的投入運行情況進行分析，保證機組脫硝裝置能正常投運。由于機組負荷在180MW以上時，排煙溫度大于脫硝裝置投入時的最低320℃的要求（考慮到煤種變化，該廠2臺機組的脫硝裝置投運的最低溫度放寬至315℃），無需寬負荷檔板調節，因此，本文僅對機組負荷在180MW以下時的脫硝設施的投運進行分析。

1 脫硝原理

SCR（選擇性催化劑還原）技術，主要是通過將一氧化氮、二氧化氮還原為氮氣來降低火電廠生產過程中產生的氮氧化物。

系統設備的工作原理如圖1所示。液氨在蒸發器內蒸發為氨氣，加熱到常溫后被送到氨氣緩沖罐儲存，經調壓閥減壓后通過噴氨格柵的噴嘴噴入煙氣中與煙氣充分混合，然后在靜態混合器充分混合后進入催化反應器反應。在一定溫度和催化劑的作用下，氨氣與NOx發生催化氧化還原反應，還原為N2和H2O。

圖1 SCR系統設備及工作原理

2 省煤器及空預器

2.1 低負荷脫硝與省煤器的關系

省煤器是利用鍋爐尾部煙氣熱量加熱鍋爐給水的換熱設備，是汽水系統中的主要承壓部件，其主要是節省燃料消耗量、降低鍋爐造價和改善汽包工作條件。省煤器是電廠不可缺少的低溫受熱面，由于它布置在過熱器和再熱器后的尾部對流煙道中，又稱尾部受熱面。省煤器按出口工質狀態分為沸騰式和非沸騰式，若省煤器出口溫度達到飽和溫度，并有部分水汽化稱為沸騰式省煤器，而出口溫度低于其壓力下的飽和溫度則被稱為非沸騰式省煤器。非沸騰式省煤器一般在中低壓鍋爐中，而現在大型鍋爐普遍采用的是非沸騰式省煤器。低負荷脫硝的實施是減少部分省煤器與煙氣的熱交換，以達到煙氣流經省煤器后溫度仍然能滿足氨氣催化的溫度。減少省煤器的受熱面積，雖然降低了鍋爐給水溫度，但同時也滿足了脫硝設施的投入，達到了減排目的。

2.2 低負荷期間脫硝和空預器關系

空氣預熱器是利用鍋爐尾部煙氣熱量加熱空氣的熱交換設備。它是鍋爐煙氣流程的最后一級受熱面，其作用主要為：①利用空氣吸收煙氣熱量，進一步降低排煙溫度，提高鍋爐效率，節省燃料；②提高爐膛溫度水平，改善燃料的著火與燃燒條件，減少機械不完全燃燒損失，進一步提高鍋爐效率；③節省金屬，降低鍋爐造價；④用熱空氣干燥煤粉，有利于制粉系統工作；⑤改善引風機的工作條件，排煙溫度的降低可以使引風機的工作溫度和電耗降低，提高其工作的可靠性和經濟性。用氨氣作為催化劑的脫硝裝置，如果排煙溫度過低，極易造成氨氣的逃逸，因此，控制排煙溫度，保證氮氧化物和氨氣的充分反應是保證預熱器安全運行的重要措施。一旦氨氣逃逸量大，氨氣低溫結晶，易造成預熱器的堵塞，嚴重影響預熱器的安全運行。

3 低負荷脫硝的問題及解決方法

3.1 低負荷脫硝面臨的困境

在SCR系統脫硝過程中，煙氣在通過SCR催化劑時，由于SCR催化劑的氧化特性，同時有副反應SO2→SO3的轉化。按常規流程，煙氣經過SCR反應器后的SO2/SO3轉化率按1%計，SCR裝置下游煙氣中的SO3濃度將達到43mg/Nm3(濕基)。即使氨逃逸濃度不超過3ppm，在下游仍會有硫酸氫胺生成。

硫酸氫氨在不同的溫度下分別為不同的狀態，硫酸氫氨在146℃～207℃范圍內為液態。氣態或顆粒狀硫酸氫氨會隨著煙氣流經預熱器，不會對預熱器產生影響。但是，生成的液態硫酸氫氨粘性極大，會與煙氣中的飛灰粒子相結合，附著于預熱器傳熱元件上形成融鹽狀的積灰，造成預熱器的腐蝕、堵灰等，影響預熱器的換熱及機組的正常運行。因此嚴格控制氨的逃逸是脫硝運行的關鍵，但是SCR催化對煙氣溫度有嚴格要求，一旦低于催化溫度，不僅達不到降低氮氧化物的效果，還會造成氨氣的大量逃逸。氨氣的逃逸量大將會產生上述的硫酸氫氨，造成設備損壞。氨氣催化的最佳排煙溫度即SCR入口在320℃～390℃之間。而機組在180MW時，SCR入口溫度則達不到320℃，因此脫硝裝置則不能投入運行。此時氮氧化物濃度往往超過500mg/m3，遠遠大于國家要求低于200mg/m3的排放標準，及超低排放50mg/m3的排放要求。

3.2 機組低負荷時的脫硝投運

如何實現低負荷脫硝投運是機組環保運行的關鍵，如果不能實現機組的低負荷環保排放，按國家相關規定機組將不能投入運行。如果超標排放運行，機組將要承受嚴重的環保考核。因此，根據機組的實際情況，通過技術論證，該廠機組采用在省煤器出口安裝寬負荷擋板，在低負荷時減少省煤器與煙氣的換熱面積，以提高煙氣溫度來解決SCR入口溫度低的情況，保證機組脫硝的投運。吳涇熱電廠寬負荷脫硝采用省煤器內置多通道技術，控制煙道兩側和中間通道的煙氣流量分配，實現省煤器出口煙溫的提升。

3.3 寬負荷過程原理

3.3.1 寬負荷原理

寬負荷原理如圖2所示。

圖2 寬負荷原理

3.3.2 省煤器內置三通道式原理：

（1）煙氣分隔成三個通道

將省煤器改造成類似于水渠分流的方式，鍋爐在低負荷下，使煙氣在并聯的三分叉通道中只流經中間煙道，以達到減少省煤器的換熱面積。

（2）熱力學中傳熱公式

當換熱面積Heco縮少后，煙氣傳遞給水的熱量呈單調遞減，使省煤器出口煙溫得到提升。

（3）水側不做任何改動。

3.4 寬負荷擋板調節效果檢驗

寬負荷工程主要是在省煤器煙道內加裝煙氣導流隔板，調節省煤器與煙氣的換熱面積，以此達到控制煙溫的目的。寬負荷工程改造結束后，該廠進行了多次煙氣溫度提升試驗。試驗結果均取得了較好的結果。按照該廠煤種變化的實際運行方式，在多次試驗后，也基本達到120MW投入脫硝的條件。見表1。

表1 160MW負荷煙溫提升

由表1看出，機組負荷160MW時，寬負荷煙氣擋板在40%開度時即滿足了脫硝裝置的投運。

由表2和表3看出，寬負荷煙氣擋板的安裝基本滿足了鍋爐在最低負荷時脫硝裝置的投運，考慮到實際情況，目前機組一般最低負荷控制在135MW左右，短時間可以控制到120MW。

表2 最低負荷數據（神木煤）

表3 最低負荷數據（摻燒一層褐煤）

當然影響鍋爐排煙溫度的原因還有很多，如：煤種變化、摻燒比例、人員操作不當、煙道漏風、省煤器泄漏、省煤器內受熱面過多、SCR測點測量不準確、煙氣溫度分布不均勻、給水溫度低等因素在此不做研究。

4 其他系統的低負荷脫硝技術和評價

4.1 旁路系統

1)SCR脫硝裝置煙氣旁路系統

對于SCR的煙道旁路系統，設置的主要作用是：該旁路設置在省煤器出口，可將煙氣切換，使之不經過SCR反應器，直接進入空預器。

裝設SCR煙氣旁路的主要優點有：①該旁路主要用于鍋爐啟停時保護SCR裝置內的催化劑不受損壞，并且方便檢修SCR。②鍋爐低負荷運行時，煙氣溫度低于SCR的運行溫度，鍋爐啟停時煙氣溫度波動大，因此可以采用SCR旁路，防止SCR不投運時催化劑中毒和堵塞。③運行靈活。常時間在低負荷運行并達不到噴氨要求時，可以開啟旁路降低煙氣阻力，達到節能的目的；在鍋爐NOx濃度排放較低，能滿足有關排放指標時可旁路運行；旁路也可用于季節性運行的SCR系統，降低運行費用。

2)SCR煙氣旁路存在的問題

裝設SCR煙氣旁路存在的問題有：①增加投資，加大了布置難度。②SCR旁路必須要配備零泄漏擋板，煙氣泄漏也會導致催化劑鈍化。③加裝SCR煙道旁路后，當SCR停運時，會造成煙氣中水份冷凝，容易堵塞SCR催化劑。

另外，在鍋爐正常運行條件下，鍋爐煙氣穿過催化劑是可以接受的，如果不運行脫硝，僅僅是停止噴氨即可。國外大量工程經驗證明，如設計合理，運行規范，SCR反應器在運行中阻塞而造成鍋爐強迫停運的可能性較小。本工程設有省煤器灰斗，對于收集飛灰十分有利。

因此，安裝SCR旁路主要是用于鍋爐需要經常啟停或長時間不用的情況下。在美國，過去由于有很大一部分時間可不投運SCR，均加裝有該旁路，現在，美國國家法律明確規定禁止加裝SCR旁路。日本幾家脫硝公司均建議不設此旁路，因為SCR反應器本身壽命很長，SCR不投運時只需停止注入氨氣即可，停止噴氨時，煙氣依然流經反應器到空氣預熱器，對脫硝系統及整個電廠操作等無任何影響。國內已經投運的幾個火電工程中，嵩嶼、國華太倉四期、國電銅陵工程和現處于設計的工程均未設置SCR煙道旁路系統，僅外高橋三期工程設置了SCR煙氣旁路系統。

4.2 省煤器旁路系統

鍋爐低負荷運行時，當省煤器出口煙溫低于催化劑最低運行溫度時，要求設省煤器旁路。有兩種可采用的省煤器旁路系統，即部分煙氣旁路省煤器的煙氣側旁路以及給水繞過部分省煤器被分流的水側旁路。

1)煙氣側旁路

煙氣側旁路系統遇到問題是，為了從省煤器上部的鍋爐后煙道抽取煙氣，鍋爐需要改造，以及由于旁路煙氣在SCR進口主煙氣流中混合不均引起煙溫分層現象。另一個需要關心的問題是，旁路煙氣中大顆粒“米花狀”的灰會被直接帶入反應器內，阻塞催化劑。

2)水側旁路

水側旁路是讓部分給水旁路通過省煤器，直接進入省煤器出口聯箱，減少省煤器的傳熱量。煙氣側旁路只需旁路少量煙氣便能迅速影響省煤器出口煙溫，而水側旁路卻要旁路大量的給水才能提高省煤器出口煙溫，這里存在潛在的省煤器汽化危險。

由于省煤器旁路將加大增加投資費用和運行費用，所以應該權衡在低負荷下為換取失掉的NOx削減量是否值得花這筆額外的支出。

增加省煤器旁路將引起如下問題：①旁路運行時降低鍋爐效率，增加煤耗及熱損失。②增加旁路煙道及擋板，增加脫硝系統投資和運行維護費用，旁路擋板可能積灰阻塞，影響系統運行。③省煤器旁路將造成進入SCR系統煙氣流場紊亂，降低總的脫硝效率。④該旁路需在鍋爐包覆開孔，對鍋爐煙溫和煙氣量都提出新要求，對鍋爐性能及熱平衡均有一定影響，需要重新核算。

此外，還有分級省煤器、增加0號加熱器等方法，各有優缺點，在此不作介紹。

5 結論與展望

隨著國家環保要求的日益嚴格，加強減排力度是“十三五”期間國家的重點工程。因此，環保排放，潔凈排放是各個企業發展的目標和要求。電廠的寬負荷改造工程適應了國家的環保要求，由于實現了環保排放，在排污指標上達到了要求，節約了大量的排污費用，取得了環保，經濟的雙收獲。寬負荷擋板技術成功運用是上海明華設計院和該廠聯手技改的成功典范，以較小的投資，取得了較高的回報。寬負荷脫硝技術解決了現代大型鍋爐低負荷脫硝投運的難題，雖然此技術與其他技術相比還有不足之處，但是它具有投資少、改造量少、改造時間短的優勢。在該廠二臺機組的安裝和使用是成功和圓滿的。隨著國家在節能減排上的投入和要求，新的技術還會不斷出現。每一項新技術的出現都是為了企業的發展和國家的減排目標。創新改變生活，改變未來。