燃煤電廠全負荷脫硝技術的應用

國能太倉發電有限公司 張 康

1 引言

氮氧化物（NOX）是燃煤電廠在運營過程中，常排放的一種化學物質，有著一定的污染性，常會導致光化學煙霧、酸雨污染等環境問題的發生。近年來，隨著生態文明建設的推行，NOX作為節能減排的重點對象，越發受到環境保護工作者的重視，同時環保主管部門也對燃煤電廠的污染物排放提出了更為嚴格的要求。在《火電廠大氣污染物排放標準》等文件的指導下，相關工作者有必要采用全負荷脫硝技術，對鍋爐機組實施一定的改造，使SCR 反應裝置得以在低負荷狀態下正常運行，幫助電廠控制污染物排放問題，獲得更為良好的環保效益和社會效益。

2 低負荷運行對SCR 脫硝系統的影響

所謂SCR 脫硝技術，主要指的是在含氧氣氛的影響下，將NH3作為主要材料注入含有NOX的液體中，將此類化學物質還原為N2與水的一類技術。通常情況下，工作人員應設計好反應器煙氣溫度的參數，位于320～420℃即可，這是因為當煙氣溫度處于這一范圍內時，催化劑含有的活性物的活性是最為突出的，如此便可實現高效的催化還原反應。鍋爐采用省煤器進行生產后，位于空預器前的煙氣溫度，剛好符合這一溫度條件要求，這也是電廠將反應裝置布設在這一位置的根本原因[1]。

當前，燃煤機組在電網調度中發揮著重要的作用，而隨著生態文明建設等戰略的日益推進，環保主管部門對電廠污染物排放提出的要求變得越發嚴格，尤其是對燃煤鍋爐排放氮氧化物，即NOX的量提出了更高的要求。相關研究表明，燃煤鍋爐排放NOX的量，占NOX總排放量的比例可達到40%～50%，環保主管部門要求電廠燃煤鍋爐必須實現“超低排放”改造。改造后，鍋爐在運行過程中釋放NOX必須低于50mg/m3這一量值，可見解決大氣污染問題的嚴峻性。在上述要求的指導下，電廠應積極使用先進技術，完成鍋爐改造，使其符合環保要求。

實踐表明，電廠鍋爐煙氣中含有的NOX，多由NO 與NO2兩種物質構成，前者占NOX總量可達95%之多。目前，電廠多會采用SCR 脫硝技術，即選擇性催化還原技術解決上述問題，實踐表明，用這一技術解決NOX排放問題是較為可行的。在催化劑的作用下，NH3會將煙氣中含有的NOX還原成N2與H2O，如此便可顯著提升電廠的環保效益，減緩大氣污染問題。以下列舉主要的化學反應方程式：

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

6NO2+8NH3→7N2+12H2O

此外，在SCR 脫硝反應中，還常會出現一些有害的副產物，其化學反應方程式如下：

2SO2+O2→2SO2

SO3+NH3+H2O →NH4HSO4

在我國，煤屬于重要的能源，因此在電力調峰中，燃煤電站的鍋爐扮演著重要的角色。在非用電高峰時段，這些機組往往并不是以滿負荷狀態運行，甚至部分機組還會以50%以下的負荷狀態運行，此時省煤器的出口煙溫并不符合系統設計要求，此種情況下，用于發生化學反應的NH3，常會與煙氣中的SO3反應，進而生成相應的化學物質，堵塞催化劑活性物質的孔部，最終影響催化劑的性能。對于燃煤鍋爐，由于上述反應生成的硫酸氫銨，在147～207℃的溫度狀態下處于液態，而鍋爐空預器也同樣處于這一溫度區間內，這會導致空預器換熱面，被硫酸氫銨這一種腐蝕性、黏性強的物質黏附，進而造成空預器堵塞，嚴重影響燃煤鍋爐的性能。

圖1 一種SCR 脫硝系統

上述工序表明，當進入SCR 反應裝置的煙氣溫度低于設計要求時，SCR 脫硝會退出運行，從而加大NOX排放量，使電廠煙氣污染物排放難以滿足環保主管部門的要求。因此，有必要使用全負荷脫硝技術，為電廠設備實施一定程度的改造，使其滿足脫硝要求，幫助電廠實現NOX全負荷、全時段達標排放的目標。

3 全負荷脫硝技術介紹

針對鍋爐在運行過程中出現的上述問題，建議電廠采用全負荷脫硝技術，對鍋爐實施一定的優化改造。下文簡要介紹這一技術。

3.1 全負荷脫硝技術方案對比

使用全負荷脫硝技術時，工作人員常會用到兩種不同的技術方案，即煙氣旁路方案與給水旁路方案。若使用后者，工作人員有必要將進入省煤器、完成內部加熱最終形成的剩余部分與水混合在一起，最終將混合物投入蒸發系統之中；若使用前一種方案，工作人員無需對鍋爐進行大規模改造，同時改造的風險性也較低，有利于保障鍋爐改造的穩定與安全，甚至無需工作人員為鍋爐添設較多的保溫措施，這能夠為電廠節約一部分成本，若改造得當，電廠可較為流暢、精準地控制系統的給水流量，可見該技術方案有著較為突出的應用價值。

使用煙氣旁路方案改造鍋爐時，工作人員有必要設置好旁路煙道，一般來講應設置在位于省煤器尾部的區域，有必要從深度方向出發，直接去除一部分省煤器，將其改造為符合深度要求的內部煙氣通道。工作人員應采取技術手段，為內旁路煙道與省煤器實施隔離，例如可通過裝設煙氣擋板，將二者隔離開來，如此便可實現對省煤器出口煙氣的有效控制，最終便于工作人員調節SCR 反應器的入口煙溫。之后工作人員應在煙道內部增設旁路，但無需對尾部煙道實施一定程度的改造，僅需改造省煤器內部區域，便可完成整個優化改造過程，如此說明沿用此種技術方案的前提下，鍋爐優化改造過程會變得更為簡便，對結構無較高要求，這可幫助電廠節約一部分的人力、物力和時間成本。

但這一技術方案也有著一定的劣勢，大量實踐表明，使用煙氣旁路技術方案后，鍋爐在低負荷運行時，省煤器吸收的熱量大幅度減少，此種情況下，鍋爐的排煙溫度會有明顯的上升，致使鍋爐排煙效率下降，增加煤耗；另外，擋板長期運行于惡劣的環境，久而久之會出現積灰問題，進行保養、檢修有著較高的難度，若在使用過程中，擋板難以順利關閉，鍋爐高負荷運行時，入口煙氣的溫度是超過鍋爐的性能要求的，久而久之會造成催化劑燒結，這些都是電廠在選用此種技術方案時，應重點關注的。

3.2 省煤器分級布置技術

在對省煤器實施分級改造的過程中，工作人員應調整好對脫硝裝置的設置，重點設置好煙氣抽取點，例如可將原有的省煤器出口改到別的位置，通過省煤器管間部位完成抽取，以抬高進入脫硝裝置內部的煙氣的溫度[2]。工作人員應對原有省煤器實施有效的分級改造，轉換受熱面的位置，例如可將受熱面轉移到脫硝反應器部位，如此便可令該裝置徹底滿足系統運行對煙溫提出的要求，同時也能夠實現對排煙溫度的精準控制，避免其過高，這有助于降低鍋爐熱效率。

3.3 中溫省煤器技術

所謂中溫省煤器技術，主要指的是在SCR 反應裝置尾部增設省煤器旁路，通過加熱、給水等一系列的操作，控制通過省煤器的煙氣，使其吸熱量降低，在保持原有鍋爐受熱面位置不變的前提下，提升進入SCR 反應器的煙氣的溫度。工作人員應重點抬升入口煙溫，這有助于抬高催化劑的適應溫度區間。本研究使用的技術方案，在SCR 反應裝置的出口部位，增設了一條旁路煙道，并為該煙道設置了中溫省煤器，同時還在主煙道中設置了空氣預熱器，使用煙氣擋板，控制二煙道各自的煙氣份額[3]。完成調整后，鍋爐給水（50%BMCR為237.6 ℃，35%BMCR為223.2℃）會先進入中溫省煤器，完成煙氣換熱之后再進入省煤器之中，這有助于抬高進入SCR 反應裝置的煙溫，同時旁路煙道中的煙氣，也會在經歷加熱、給水等一系列操作后，重新匯入主煙道中，最終進入空預器，與空氣完成整個換熱過程。

在應用本案例提到的技術方案改造鍋爐的過程中，工作人員重點計算了省煤器旁路煙道的開度，分別為15%、25%、35%，之后對比了改造后SCR反應裝置的入口煙溫，與改造前的反應裝置入口煙溫有無區別，實踐證明，本次改造取得了預期效果。

4 全負荷脫硝技術工程應用

本研究針對某一臺660MW 燃煤機組，使用中溫省煤器技術方案進行優化改造，現將工程應用過程作如下總結。

4.1 鍋爐設備簡介

本次工程用到的鍋爐設備為一臺660MW 的超臨界參數變壓運行直流鍋爐，具有一次再熱、固態排渣、全鋼構架等一系列的特點。鍋爐采用前后墻對沖方式進行燃燒，在前后墻部位，各布置有3層的NOX軸向旋流燃燒器，每層各設5只，共計30只。在燃燒器上方前后期與側墻位置布設有一層燃盡風口，共設置了16只風口。同時，為每一燃燒器配置油槍，用于進行點火、助燃操作。

4.2 全負荷脫硝工程

本次脫硝改造過程中，工作人員在SCR 反應裝置的出口位置設置了旁路煙道，并設置了中溫省煤器，起到輔助作用。在主煙道中設置了預熱器，使用煙氣擋板，對兩煙道實施隔離，控制煙氣份額[4]。實際運行中，鍋爐給水會先進入中溫省煤器之中，再進入旁路煙道中，完成整個換熱過程，這有助于提升SCR 反應裝置煙溫，同時旁路煙道中的煙氣在實施加熱后，也會重新匯入到主煙道之中，與空預器與空氣達成加熱。

對比本項目改造前后，SCR 反應裝置的入口煙溫（35%BMCR），列舉數據見表1。

表1 某660MW 燃煤機組改造前后SCR 入口煙氣溫度（35%BMCR）

對比本項目改造前后，SCR 反應裝置的入口煙溫（50%BMCR），列舉數據見表2。

表2 某660MW 燃煤機組改造前后SCR 入口煙氣溫度（50%BMCR）

由上表不難看出，對中溫省煤器實施技術改造后，在35%MBCR 負荷狀態下，煙氣溫度可達到305℃，而在50%MBCR 負荷狀態下，煙氣溫度高于330℃，如此便已滿足了系統脫硝投運的要求，可幫助電廠將大氣污染物排放量控制在合理范圍內。

4.3 中溫省煤器應用成效

實踐證明，本次改造取得了較好效果，具體表現為以下三方面：一是解決了SCR 反應裝置低負荷運行的難題，通過提升給水水溫，提升SCR 反應裝置的入口煙溫，繼而確保在全負荷范圍內，催化劑都可高效發揮作用，這有助于幫助電廠實現全天候、全負荷、全時段脫硝；二是增強了鍋爐水動力的安全性能。給水水溫提升后，入口水溫也有相應的提升，這有利于解決入口欠焓問題，有助于增強低負荷工況下，水動力的具體特性，進而令水冷壁運行變得更為安全、高效；三是提高了鍋爐的運行效率，幫助電廠取得了一定的環保節能效益，利用中溫省煤器回收煙氣散發的余熱，降低煙溫，最終顯著提升鍋爐的運行效率。

5 結語

綜上所述，近年來大氣污染問題越發嚴峻，在生態文明建設的號召下，燃煤電廠應積極進行環保改造，控制大氣污染物到合理范圍內，為大眾營造一個環保、清新的生活環境，促進人與自然的和諧發展。燃煤電廠在實際運行中，脫硝系統常會在低負荷運行狀態下，排放出大量的NOX物質，為解決這一問題，燃煤電廠有必要使用全負荷脫硝技術，對脫硝系統實施技術改造，這既符合環保政策的要求，也符合燃煤電廠的發展需要，是幫助電廠實現更高的經濟效益、社會效益、環保效益目標的必由之路[5]。

本文介紹的全負荷脫硝技術在660MW SCR 脫硝裝置中的應用，能夠為同類型機組開展脫硝系統全負荷投運提供一定的經驗，在此后的工作中，工作人員仍應持續研究這一技術，力求最大化發揮其優勢，使脫硝系統真正實現全天候、全時段、全負荷運行，促進燃煤發電事業的進一步發展。