燃用復雜劣質煤鍋爐脫硝系統可靠性研究

貴州西電電力股份有限公司黔北發電廠 張 軼

引言

十二五規劃中明確燃煤火力發電廠存量機組對大氣污染物排放必須達標排放，標準是粉塵≤30mg/Nm3、SO2≤200mg/Nm3（W型火焰鍋爐排放值為400mg/Nm3）、NOx≤200mg/Nm3，達不到要求的須進行技術改造。新建燃煤火力發電廠的大氣污染區按照超低排放標準執行，標準為粉塵≤10mg/Nm3(核心控制區粉塵5mg/Nm3)、SO2≤35mg/Nm3、NOx≤50mg/Nm3。2020年9月22日，國家主席習近平在第七十五屆聯合國大會一般性辯論提出中國對于環境保護提出碳達峰、碳中和3060目標，即中國二氧化碳的排放量在2030年排放達到峰值，2060年前實現碳中和，這個目標提出后，國家對于火力發電廠污染物排放大戶的排放標準一律按照超低排放標準執行，所有存量的W 型火焰燃煤發電鍋爐已經開始啟動超低排放改造，完成時間在十四五期間完成。

對于除塵系統、脫硫系統，技術路線成熟、工藝系統可靠性高，無論是存量機組的技術改造還是新建機組的建設投運，均易達到超低排放標準；而我國燃煤火力發電廠脫硝系統的技改投運時間在十二五期間開始，實際運行至今不過十年多，對于燃用優質動力煤的火力發電廠，煙氣大氣污染物即使按照超低排放控制，脫硝系統的安全可靠性是較高的；而對于燃用復雜劣質煤（即高硫份、高灰份、高堿金屬含量）的火力發電廠，不論是存量機組還是新建機組，脫硝系統均存在可靠性低、運行維護成本高等系列的問題，降低機組安全可靠性、運行經濟性，增加了NOx排放超標的環保風險。

1 概述

某燃煤火力發電廠設計有4×300MW 發電機組，燃用本地無煙煤，鍋爐選用“W”型火焰燃燒，2004年全部投產，同步投運電除塵器，投產后燃用煤種與設計煤種偏離范圍小，鍋爐運行安全穩定、經濟性好。2006年四臺機組技改增加了煙氣脫硫裝置，2010年根據國家對發電廠煙氣排放污染物排放的環保要求，再次對脫硫系統和除塵系統升級改造，滿足煙氣污染物粉塵和SO2達標排放。2013年～2015年四臺機組鍋爐技術改造增加了煙氣脫硝系統，脫硝工藝選用選擇性催化還原法脫硝技術（SCR）裝置，滿足煙氣NOx達標排放，投運初期脫硝系統運行安全穩定，可靠性高。

國家在十二五規劃末期根據當時的經濟運行狀況提出的“三去一降一補”政策，電廠所在地政府職能部門執行煤炭行業去產能一刀切關停煤礦降低產能，沒有綜合考慮當地能源結構對煤炭的需求，導致十三五開局就出現火力發電廠動力煤需求量遠大于市場供應量，煤價飆升推高發電成本，而當時的火力發電側市場化改革實行競價上網政策，各發電集團和企業無序競爭導致簽訂的市場電價低于成本價，火力發電企業虧損嚴重，到2021年火力發電企業普遍虧損的局面也沒有的改善。

從2016年開始該企業經營虧損嚴重，為控制燃料成本只有采購當地復雜劣質煤發電，其特點是揮發份低、高灰份、中高硫份、高堿金屬含量、中低熱值的貧煤或無煙煤，具有難著火、燃燒難穩定、難燃盡、燃燒性能差的特點，由于燃用煤種偏離設計、校核煤種范圍太大，灰份和硫份的翻倍增加，造成脫硝系統堵灰嚴重、催化劑破損嚴重，脫硝裝置安全可靠性降低、運行維護成本高，并給脫硝后的下游設備帶來諸多次生問題，降低了機組安全可靠性和運行經濟性。通過近幾年探索和不斷改進實踐，對脫硝系統的問題點逐一研究攻克，如今基本解決了燃用復雜劣質煤條件下發電廠鍋爐脫硝裝置故障率高、可靠性低的問題，不僅保證了機組運行的安全、穩定、經濟性，還能保證機組全時段NOx的達標排放，對同類型火力發電廠脫硝系統的正常運行有參考和指導意義。

2 常見問題及危害

脫硝系統進、出口煙道積灰，轉向煙道導流板積灰，降低有效通流截面積，形成煙氣流場不均勻，增加煙氣系統阻力，增加風機電耗，抬升廠用電率。出口煙道積灰形成的煙氣流場不均還導致出口NOx測量誤差偏大，脫硝自動投運效果不佳，氨逃逸率超標；噴氨格柵噴嘴積灰堵塞，造成噴氨不均勻，降低脫硝效率；振流格柵積灰堵塞，造成煙氣偏斜流場不均、系統阻力增加，降低脫硝效率，氨逃逸率超標；脫催化劑堵灰嚴重、磨損嚴重，脫硝系統處理能力和效率下降，催化劑實際壽命只有約10000小時，達不到設計壽命24000小時，NOx超標風險增加，降低機組安全可靠性和運行經濟性。

氨逃逸超標（設計標準≤3ppm）運行，超標量在5～8倍，煙氣中產生硫酸氫氨的量增加，導致脫硝系統下游設備、部件上粘附硫酸氫氨裹挾灰塵聚集，造成設備堵塞、損壞、功能喪失，降低設備的安全可靠性和運行經濟性。

空預器蓄熱元件粘附硫酸氫氨積灰堵塞的危害。蓄熱元件表面粘附硫酸氫氨積灰后，擠占了元件之間的煙氣流通斷面增減煙氣阻力，導致空預器煙氣、空氣側阻力增加，引發風機出力不足機組不能帶額定負荷，對于單爐設計兩臺引風機的布置方式運行中甚至會發生引風機搶風、喘振的危險工況，造成風機損壞事故；蒸汽吹灰器對蓄熱元件該類型積灰清掃效果差，只有連續投運吹灰器才能維持空預器壓差不增加，既增加了吹灰蒸汽消耗量成本，又加劇了蓄熱元件的吹損速度；減少了元件、空氣、煙氣熱交換面積，降低空預器熱交換能力，一方面一、二次熱風溫度達不到設計值鍋爐燃燒不穩，另一方面鍋爐排煙溫度升高，鍋爐效率降低，運行經濟性差（表1）。

表1 空預器堵塞前后參數變化

電袋除塵器的電除塵陰、陽極粘附硫酸氫氨積灰，造成陰極線放電減弱甚至不能放電，粉塵不能荷電移動到陽極板吸附，電除塵效率降低或喪失，增加粉塵超標排放的風險；布袋粘附硫酸氫氨積灰，布袋透氣率降低，在線噴吹積灰脫落少、效果差，布袋阻力增加、除塵效率降低；對于除塵器布袋，一旦表面積灰就是不可逆的損壞，現有工藝即使離線噴吹也無法清理干凈積灰，只有更換新布袋才能恢復除塵效率，增加運行維護成本。

尾部煙道及其支撐鋼梁粘附硫酸氫氨積灰，造成鋼構件超重、腐蝕，降低設備安全可靠性。引風機進口靜葉、出口導葉粘附硫酸氫氨積灰，造成部件腐蝕損壞，葉片聚集則會造成葉輪不平衡運行時振動超標，降低設備安全可靠性；在噴氨調節門、流量計處發生氨結晶堵塞通道，增加供氨阻力，減少供氨流量，降低脫硝系統處理能力；氨空混合器積灰堵塞，稀釋風流量降低，噴氨量減少，降低脫硝系統的處理能力，降低脫硝系統安全可靠性、運行經濟性。

3 原因分析及對應的技術方案

3.1 脫硝系統進出口煙道、轉向煙道導流板積灰的主要原因

原因之一是設計不合理。由于存量機組脫硝改造工作集中在國家十二五規劃期間，設計單位技術能力良莠不齊，沒有考慮變工況的積灰，煙道結構設計不合理導致的積灰；原因之二是中國提出碳達標、碳中和3060目標后，大量的清潔能源光伏發電、風力發電蜂擁投產，擠占火力發電份額，火力發電量逐年減少，且光伏、風電負荷受天氣變化影響大，現有政策依靠火力發電承擔調峰任務，火電機組負荷每天在30～100%之間波動，峰谷差大，低負荷時段長，低負荷時段煙氣流速低造成煙道積灰。

應對積灰的技術方案就是重新選擇有技術改造實力、技術改造運行業績的設計單位針對性進行設計，通過對當前脫硝積灰部位考慮燃煤灰份高、粘性大、負荷峰谷差大等因素數字建模模擬流場，分析原因，找出流場偏斜、不均勻的問題，重新優化煙道設計方案，增加煙氣擾流裝置，解決流場不均的問題，現在已完成三臺機組脫硝系統優化改造工作，實際運行時間在16000小時以上，實踐證明煙氣流場不均的問題徹底解決。

3.2 噴氨格柵噴嘴積灰堵塞、噴氨不均勻問題的解決

優化噴嘴結構，選用不易積灰的大口徑噴嘴解決積灰問題；并在噴嘴出口煙道斷面增加擾流裝置，增強煙氣斷面擾動混合，彌補部分噴嘴堵塞工況下噴氨不均的問題；噴氨格柵在煙道截面分區控制，對應的脫硝出口煙道分區測量，精細化控制調整，提高脫硝效率。針對區控制振流格柵積灰堵塞的問題，結合煙道、格柵優化設計改造，選擇合適的格柵孔徑和高度，實現積灰堆積失穩自動脫落，避免積灰封孔堵塞。機組每次停運時須清理噴氨格柵噴嘴積灰，并通稀釋風檢查確保噴嘴暢通；清理干凈格柵孔積灰。采取以上技術方案和維護工作后，噴氨格柵和振流格柵堵塞降低脫硝處理效率的問題基本解決。

3.3 其他問題

催化劑堵塞、磨損的問題。在解決煙道流場不均和噴氨格柵、振流格柵堵塞的情況下，合理選擇蒸汽吹灰器的蒸汽壓力和吹灰頻次，優化聲波吹灰器控制邏輯自動吹灰，對吹灰器的缺陷及時消除處理，機組每次停運清理干凈催化劑孔隙間積灰，催化劑堵塞、損壞的情況得到明顯改善，壽命得到延長，脫硝系統的安全可靠性和運行經濟性得到提高。

針對氨逃逸率超標的問題，運行中盡量投運噴氨自動，并注意負荷變化時脫硝系統的處理能力，發現排放值超標及時處理，氨逃逸率超過標準3ppm及時調整，若通過調整都不能滿足要求，必須降低負荷運行，氨逃逸率持續超標，必須有計劃安排檢查評估催化劑運行狀況和壽命，對于活性降低失效的催化劑有計劃安排及時更換，保證氨逃逸率小于標準值。

針對空預器蓄熱元件粘附硫酸氫氨積灰堵塞的問題，采購蓄熱元件時選擇合適的板型，結構上不易積灰、蒸汽吹掃效果好，并且滿足換熱要求；冬天環境溫度低時投運暖風器或熱風再循環，保證一、二次風冷風溫度加熱到大于20℃，避免低溫煙氣結露積灰堵塞；機組停運時對空預器蓄熱元件開展高壓水沖洗工作，沖洗干凈蓄熱元件之間積灰并烘干元件；通過以上措施后，空預器蓄熱元件堵塞的狀況明顯改善，不影響機組的正常運行。

鍋爐尾部煙道支撐鋼梁、電除塵陰陽極、布袋表面粘附硫酸氫氨積灰問題的解決方法，除了停運時必須清理干凈外，其核心關鍵還是要控制脫硝系統運行時氨逃逸不超標，一旦發生超標運行、及時調整在允許范圍內，若調整無效果，則及時安排機組停運檢查、檢修，修復損壞的部件；對于在液氨流量計、調節門處發生結晶堵塞的問題，主要原因還是溫度低造成，通過在流量計、調節門進口側的管道上增加蒸汽伴熱（或煙氣伴熱）提高液氨的輸送溫度大于20℃，就不會發生結晶；同時也要嚴格把關液氨質量，若液氨含的雜質多也會發生雜質沉積在閥芯處。

氨空混合器堵塞的原因是灰塵長期聚集堆積、減少通流面積。在脫硝系統運行時，必須監視稀釋風流量是否正常，若流量明顯低于設計值，則需對系統管路閥門、氨空混合器進行排查處理，對于氨空混合器，必須隨機組等級檢修開展定期檢查清洗工作。

4 結語

經過一系列技術改造、運行調整、定期檢查維護等系統治理和運行調整后，該廠基本解決了燃用復雜劣質煤脫硝系統可靠性低的問題，能夠保證機組的正常運行，催化劑的壽命在20000小時以上，但與全國同類型的火力發電廠比較，催化劑的壽命還是達不到設計值，催化劑末端堵灰影響其壽命的問題還沒有徹底解決，影響機組運行的經濟性，需要繼續研究解決的問題。

通過調研，在全國燃煤火力發電廠中該廠脫硝系統存在的問題多，多種不利因素疊加降低了脫硝系統的安全可靠性，在逐個技術難題的攻關過程中走了許多彎路，貴在專業技術人員堅持不懈的努力和上級公司的支持，通過近五年的技術改造和運行摸索調整，脫硝系統存在的問題基本解決，為類似煤質發電應用探索出一條可行的技術路線。