寬負荷脫硝技術研究及應用

（新疆天富能源股份有限公司，石河子市，832000） 李紅躍 黃超

我國的能源結構當前仍以化石燃料火力發電為主，燃煤發電過程中釋放出大量的污染物，其中氮氧化物（NOx）是燃煤火力發電廠的主要排放大氣污染物之一。針對火力發電行業的節能環保是“十三五”規劃重點關注的部分，其中脫硝改造是規劃中的重中之重。其中，我國國內火電機組普遍負荷率不高，機組長期處于低負荷運行。當機組負荷較低時，脫硝裝置入口煙氣溫度可能低于催化劑的正常使用溫度，導致SCR 脫硝系統無法運行，造成氮氧化物排放超標等環保問題。如何優化啟停爐階段的脫硝系統運行方式，拓寬脫硝系統的寬負荷運行能力，是目前研究的重點。

1 概述

1.1 設備簡介

石河子市國能能源投資有限公司開發區分公司為2×135MW 熱電聯產機組（簡稱東熱電廠），其中3 號鍋爐為四川川鍋有限責任公司生產的SGCG-450/9.81-M型高溫、高壓蒸汽鍋爐，采用四角切圓燃燒、單鍋筒自然循環、π型布置、一次中間再熱、緊身封閉，平衡通風，固態排渣，采用管式空氣預熱器，全鋼構架雙排柱懸吊結構鍋爐，燃用煙煤。

鍋爐脫硝系統采用SNCR+SCR耦合脫硝技術，還原劑采用尿素溶液，SNCR 區域采用38 支尿素溶液噴槍向爐膛噴入尿素溶液，噴槍設置在爐內高、低溫區域，布置4層噴槍，按噴槍標高從高到低分別命名為A、B、C、D層，其中A層標高42m，10支噴槍；B層標高39m，8支噴槍；C層標高35.6m，10支噴槍；D 層標高32.5m，10 支噴槍，，以滿足各負荷工況SNCR反應溫度區間。尿素熱解后生成的氨氣在高溫區產生SNCR還原反應，將NOx還原成氮氣，未反應完的NH3流向尾部SCR催化劑內，繼續與剩余的NOx 進行反應，從而實現脫硝的目的。SCR 采用“2+1”布置的方式，目前安裝兩層催化劑。表1 為SCR脫硝裝置的主要技術參數。

表1 SCR脫硝裝置的主要技術參數

1.2 啟停爐時脫硝系統的不足

鍋爐機組正常運行中，鍋爐尾部煙道內SCR裝置入口煙氣溫度能運行在290～420°C，脫硝投入條件滿足，脫硝可以正常投入。在啟停爐過程或鍋爐需要低負荷運行時，尾部煙氣可能降至290°C以下，對污染物脫除工作影響很大。由于爐膛煙氣溫度場不能滿足脫硝設備的投運，脫硝設備無法投入從而造成NOx超標。

而SCR 裝置系統中反應器催化劑工作溫度區間為290～420°C，脫離這一溫度區域工作，一方面由于SCR反應器入口溫度較低導致催化劑活性降低，另一方面，還原劑氨氣與煙氣中的SO3反應生成硫酸氫銨會沉積在催化劑上，進一步降低催化劑活性，甚至失效，最終將導致脫硝效率嚴重降低或完全不能脫硝[9]。因此，SCR 系統設置最低運行溫度目的是使進入SCR 反應器的煙氣溫度維持在氨鹽沉積溫度上，以防止生成硫酸氫銨堵塞催化劑孔隙，降低催化劑活性。

表3 檢測數據對照表

要實現脫硝裝置寬負荷運行，技術路線有2條：一是使煙溫適應脫硝系統，需要改造鍋爐熱力系統或煙氣系統對煙溫進行控制；主要技術有省煤器煙氣旁路改造、省煤器給水旁路改造、零號高加等技術。二是使催化劑適應煙溫，采用低溫催化劑同時脫除煙氣SO3。目前低溫催化劑及SO3脫除技術尚處于研發階段，沒有相關應用實例[10]。以上2 條技術路線對于東熱電廠鍋爐機組寬負荷脫硝的實現并不具有實際意義，因此提出優化啟停爐階段的脫硝系統運行方式，驗證脫硝系統的寬負荷運行能力，這有利于改善啟停爐階段脫硝系統的投入時間，能夠減少該階段排放的高濃度氮氧化物。

2 試驗方法

2.1 優化方案

在啟停爐階段的脫硝系統運行方式優化方案：根據SNCR 高溫區域的煙氣溫度情況協調投入SNCR 尿素噴槍，調節尿素溶液流量，以適應SNCR反應溫度（850～1 100°C），最終得到啟停爐時滿足SNCR裝置的投入條件，保證SNCR裝置的投用。為驗證脫硝系統的寬負荷脫硝能力，對東熱電廠3 號鍋爐進行了啟停爐階段寬負荷脫硝試驗。

2.2 儀器設備

在試驗前鍋爐各段煙溫測點更換為經過校驗合格的熱電偶，鍋爐正常運行期間采用現場人工測試，應用煙氣分析儀測試脫硝反應器入口及脫硫出口的O2、NOx，同時記錄現場儀表的O2、NOX，比對現場儀表的測量準確性，試驗過程所用試驗儀器見表2。

現場人工測量與現場儀表測試數據如表3 所示，根據脫硝反應器入口及脫硫出口的O2、NO比對結果發現現場儀表與試驗儀表測試數據偏差不大，可以采用現場儀表進行試驗。

表2 試驗儀器

2.3 實施過程

脫硝系統能否投入主要取決于：（1）爐膛溫度；（2）脫硝反應器進口煙道溫度；（3）當前投入層數噴槍處的爐膛溫度。只有保證尿素溶液進入爐膛后能夠進行熱解脫硝，才能投入脫硝系統。剛點爐時爐膛溫度較低，脫硝反應器進口煙道溫度也低，只運行單個磨煤機，出粉管在最低層，火焰中心位置偏低，這時可以通過調整二次風使火焰中心上移。

脫硝投入步驟按照D、C、B、A 層依次投入。尿素噴槍層距離火焰中心最近的是D層，能夠達到熱解溫度的首先是D 層，所以最先投入運行的是D 層尿素噴槍模塊，隨著爐膛溫度的提高，熱解溫度不適合D 層模塊運行時切換至C 尿素模塊運行，依次從下往上投入尿素噴槍模塊。熱解溫度是否達到以投入尿素溶液后氮氧化物指標降低為準，熱解溫度是否合適以當前鍋爐給煤量、氧量值和投入尿素量三者之間的關系來看。給煤量少、尿素用量大表示尿素噴槍需要切換運行，如果投入尿素溶液后發現氮氧化物未降低說明熱解溫度未達到，尿素溶液未進行反應，此時應退出脫硝裝置運行，以免尿素溶液未反應造成后面煙道堵塞，特別是鍋爐空預器的堵塞。

在鍋爐啟動期間進行脫硝投運試驗，在啟動期間根據低溫過熱器后煙溫、SCR 入口煙溫及爐膛25m 標高處煙溫擇機投入SNCR 下層噴槍，觀察脫硝效果。在鍋爐停運期間脫硝投運試驗，根據負荷變化，投入SNCR下層噴槍，觀察停爐過程中NOX變化，當NOX明顯提高時退出SNCR噴槍。

表4 鍋爐啟動后三個階段的脫硝效果

表5 鍋爐停機期間三個階段的脫硝效果（同等還原劑投入量）

3 試驗結果

3.1 啟動期間脫硝投運試驗

根據鍋爐啟動期間脫硝投運試驗結果，可以區分為三個階段，三個階段的試驗數據見表4。從試驗結果可以看出鍋爐啟爐3h 后，投入D 層噴槍，鍋爐NOX排放小于200mg/Nm3，鍋爐啟爐4h后，脫硝系統脫硝效果達到正常運行時的效果，鍋爐NOX排放小于90mg/Nm3。

3.2 停運期間脫硝投運試驗

鍋爐停運期間脫硝投運試驗結果數據見表5。從表5 中可以看出，由于負荷降低脫硝效果有所下降，在同等數量還原劑投運的情況下，排放NOX有升高的趨勢，但低于100mg/Nm3，滿足現階段環保要求。

經試驗驗證鍋爐脫硝系統可在鍋爐投油啟動3小時后投入，4h 達到正常運行的水平，停運期間鍋爐脫硝系統可保持正常運行至停爐。鍋爐脫硝系統達到了全負荷運行的技術要求。

4 結論

對于機組負荷較低時SCR 脫硝系統無法運行造成氮氧化物排放超標的問題，通過優化啟停爐階段的脫硝系統運行方式，拓寬了脫硝系統的寬負荷運行能力。對東熱電廠3號鍋爐進行了啟停階段寬負荷脫硝試驗，試驗中根據SNCR 高溫區域的煙氣溫度情況協調投入SNCR 尿素噴槍，調節尿素溶液流量，以適應SNCR反應溫度，最終得到啟停爐時滿足SNCR裝置的投入條件，保證SNCR裝置的投用。