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(shí)施嚴(yán)格規(guī)定，并進(jìn)行了全面控制，加大了節(jié)能減排的力度。落實(shí)和抓好節(jié)能減排是所有工作的重中之重，要求電力企業(yè)加強(qiáng)對污染物數(shù)據(jù)的監(jiān)控，加大資金的投入，安裝煙氣污染物排放自動監(jiān)控系統(tǒng)。按照國家有關(guān)降低污染物排放要求,吳涇發(fā)電有限責(zé)任公司分別于2008年和2013年對2臺火電機(jī)組進(jìn)行了脫硫和脫硝改造，取得了良好的節(jié)能與環(huán)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(tǒng)的投運(yùn)對鍋爐煙氣的溫度有較高要求。該廠機(jī)組的負(fù)荷在低于180MW時，機(jī)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(yán)重超標(biāo)。因此，要求機(jī)組在正常運(yùn)行的最低運(yùn)行負(fù)荷（120MW)投入脫硝裝置已迫在眉睫。根據(jù)相關(guān)環(huán)保條例的要求機(jī)組將被限制投入運(yùn)行。

針對吳涇發(fā)電有限責(zé)任公司2臺300MW的亞臨界汽輪機(jī)組的實(shí)際情況,對機(jī)組安裝寬負(fù)荷脫硝擋板后，從機(jī)組啟動、運(yùn)行、調(diào)試和優(yōu)化的整體角度出發(fā),提出了當(dāng)機(jī)組負(fù)荷在120MW～180MW期間，寬負(fù)荷擋板的投入對煙氣溫度的提高及脫硝裝置的投入運(yùn)行情況進(jìn)行分析，保證機(jī)組脫硝裝置能正常投運(yùn)。由于機(jī)組負(fù)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(jī)組的脫硝裝置投運(yùn)的最低溫度放寬至315℃），無需寬負(fù)荷檔板調(diào)節(jié)，因此，本文僅對機(jī)組負(fù)荷在180MW以下時的脫硝設(shè)施的投運(yùn)進(jìn)行分析。

1 脫硝原理

SCR（選擇性催化劑還原）技術(shù)，主要是通過將一氧化氮、二氧化氮還原為氮?dú)鈦斫档突痣姀S生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的氮氧化物。

系統(tǒng)設(shè)備的工作原理如圖1所示。液氨在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)為氨氣，加熱到常溫后被送到氨氣緩沖罐儲存，經(jīng)調(diào)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(tài)混合器充分混合后進(jìn)入催化反應(yīng)器反應(yīng)。在一定溫度和催化劑的作用下，氨氣與NOx發(fā)生催化氧化還原反應(yīng)，還原為N2和H2O。

圖1 SCR系統(tǒng)設(shè)備及工作原理

2 省煤器及空預(yù)器

2.1 低負(fù)荷脫硝與省煤器的關(guān)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(shè)備，是汽水系統(tǒng)中的主要承壓部件，其主要是節(jié)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(zhì)狀態(tài)分為沸騰式和非沸騰式，若省煤器出口溫度達(dá)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(xiàn)在大型鍋爐普遍采用的是非沸騰式省煤器。低負(fù)荷脫硝的實(shí)施是減少部分省煤器與煙氣的熱交換，以達(dá)到煙氣流經(jīng)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(shè)施的投入，達(dá)到了減排目的。

2.2 低負(fù)荷期間脫硝和空預(yù)器關(guān)系

空氣預(yù)熱器是利用鍋爐尾部煙氣熱量加熱空氣的熱交換設(shè)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(jìn)一步降低排煙溫度，提高鍋爐效率，節(jié)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(jī)械不完全燃燒損失，進(jìn)一步提高鍋爐效率；③節(jié)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(tǒng)工作；⑤改善引風(fēng)機(jī)的工作條件，排煙溫度的降低可以使引風(fēng)機(jī)的工作溫度和電耗降低，提高其工作的可靠性和經(jīng)濟(jì)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(yīng)是保證預(yù)熱器安全運(yùn)行的重要措施。一旦氨氣逃逸量大，氨氣低溫結(jié)晶，易造成預(yù)熱器的堵塞，嚴(yán)重影響預(yù)熱器的安全運(yùn)行。

3 低負(fù)荷脫硝的問題及解決方法

3.1 低負(fù)荷脫硝面臨的困境

在SCR系統(tǒng)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(yīng)SO2→SO3的轉(zhuǎn)化。按常規(guī)流程，煙氣經(jīng)過SCR反應(yīng)器后的SO2/SO3轉(zhuǎn)化率按1%計(jì)，SCR裝置下游煙氣中的SO3濃度將達(dá)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(tài)，硫酸氫氨在146℃～207℃范圍內(nèi)為液態(tài)。氣態(tài)或顆粒狀硫酸氫氨會隨著煙氣流經(jīng)預(yù)熱器，不會對預(yù)熱器產(chǎn)生影響。但是，生成的液態(tài)硫酸氫氨粘性極大，會與煙氣中的飛灰粒子相結(jié)合，附著于預(yù)熱器傳熱元件上形成融鹽狀的積灰，造成預(yù)熱器的腐蝕、堵灰等，影響預(yù)熱器的換熱及機(jī)組的正常運(yùn)行。因此嚴(yán)格控制氨的逃逸是脫硝運(yùn)行的關(guān)鍵，但是SCR催化對煙氣溫度有嚴(yán)格要求，一旦低于催化溫度，不僅達(dá)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(chǎn)生上述的硫酸氫氨，造成設(shè)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(jī)組在180MW時，SCR入口溫度則達(dá)不到320℃，因此脫硝裝置則不能投入運(yùn)行。此時氮氧化物濃度往往超過500mg/m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于國家要求低于200mg/m3的排放標(biāo)準(zhǔn)，及超低排放50mg/m3的排放要求。

3.2 機(jī)組低負(fù)荷時的脫硝投運(yùn)

如何實(shí)現(xiàn)低負(fù)荷脫硝投運(yùn)是機(jī)組環(huán)保運(yùn)行的關(guān)鍵，如果不能實(shí)現(xiàn)機(jī)組的低負(fù)荷環(huán)保排放，按國家相關(guān)規(guī)定機(jī)組將不能投入運(yùn)行。如果超標(biāo)排放運(yùn)行，機(jī)組將要承受嚴(yán)重的環(huán)?？己?。因此，根據(jù)機(jī)組的實(shí)際情況，通過技術(shù)論證，該廠機(jī)組采用在省煤器出口安裝寬負(fù)荷擋板，在低負(fù)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(jī)組脫硝的投運(yùn)。吳涇熱電廠寬負(fù)荷脫硝采用省煤器內(nèi)置多通道技術(shù)，控制煙道兩側(cè)和中間通道的煙氣流量分配，實(shí)現(xiàn)省煤器出口煙溫的提升。

3.3 寬負(fù)荷過程原理

3.3.1 寬負(fù)荷原理

寬負(fù)荷原理如圖2所示。

圖2 寬負(fù)荷原理

3.3.2 省煤器內(nèi)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(fù)荷下，使煙氣在并聯(lián)的三分叉通道中只流經(jīng)中間煙道，以達(dá)到減少省煤器的換熱面積。

（2）熱力學(xué)中傳熱公式

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

（3）水側(cè)不做任何改動。

3.4 寬負(fù)荷擋板調(diào)節(jié)效果檢驗(yàn)

寬負(fù)荷工程主要是在省煤器煙道內(nèi)加裝煙氣導(dǎo)流隔板，調(diào)節(jié)省煤器與煙氣的換熱面積，以此達(dá)到控制煙溫的目的。寬負(fù)荷工程改造結(jié)束后，該廠進(jìn)行了多次煙氣溫度提升試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果均取得了較好的結(jié)果。按照該廠煤種變化的實(shí)際運(yùn)行方式，在多次試驗(yàn)后，也基本達(dá)到120MW投入脫硝的條件。見表1。

表1 160MW負(fù)荷煙溫提升

由表1看出，機(jī)組負(fù)荷160MW時，寬負(fù)荷煙氣擋板在40%開度時即滿足了脫硝裝置的投運(yùn)。

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

表2 最低負(fù)荷數(shù)據(jù)（神木煤）

表3 最低負(fù)荷數(shù)據(jù)（摻燒一層褐煤）

當(dāng)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(dāng)、煙道漏風(fēng)、省煤器泄漏、省煤器內(nèi)受熱面過多、SCR測點(diǎn)測量不準(zhǔn)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(tǒng)的低負(fù)荷脫硝技術(shù)和評價

4.1 旁路系統(tǒng)

1)SCR脫硝裝置煙氣旁路系統(tǒng)

對于SCR的煙道旁路系統(tǒng)，設(shè)置的主要作用是：該旁路設(shè)置在省煤器出口，可將煙氣切換，使之不經(jīng)過SCR反應(yīng)器，直接進(jìn)入空預(yù)器。

裝設(shè)SCR煙氣旁路的主要優(yōu)點(diǎn)有：①該旁路主要用于鍋爐啟停時保護(hù)SCR裝置內(nèi)的催化劑不受損壞，并且方便檢修SCR。②鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時，煙氣溫度低于SCR的運(yùn)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(yùn)時催化劑中毒和堵塞。③運(yùn)行靈活。常時間在低負(fù)荷運(yùn)行并達(dá)不到噴氨要求時，可以開啟旁路降低煙氣阻力，達(dá)到節(jié)能的目的；在鍋爐NOx濃度排放較低，能滿足有關(guān)排放指標(biāo)時可旁路運(yùn)行；旁路也可用于季節(jié)性運(yùn)行的SCR系統(tǒng)，降低運(yùn)行費(fèi)用。

2)SCR煙氣旁路存在的問題

裝設(shè)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(dǎo)致催化劑鈍化。③加裝SCR煙道旁路后，當(dāng)SCR停運(yùn)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(yùn)行條件下，鍋爐煙氣穿過催化劑是可以接受的，如果不運(yùn)行脫硝，僅僅是停止噴氨即可。國外大量工程經(jīng)驗(yàn)證明，如設(shè)計(jì)合理，運(yùn)行規(guī)范，SCR反應(yīng)器在運(yùn)行中阻塞而造成鍋爐強(qiáng)迫停運(yùn)的可能性較小。本工程設(shè)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(jīng)常啟?；蜷L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(yùn)SCR，均加裝有該旁路，現(xiàn)在，美國國家法律明確規(guī)定禁止加裝SCR旁路。日本幾家脫硝公司均建議不設(shè)此旁路，因?yàn)镾CR反應(yīng)器本身壽命很長，SCR不投運(yùn)時只需停止注入氨氣即可，停止噴氨時，煙氣依然流經(jīng)反應(yīng)器到空氣預(yù)熱器，對脫硝系統(tǒng)及整個電廠操作等無任何影響。國內(nèi)已經(jīng)投運(yùn)的幾個火電工程中，嵩嶼、國華太倉四期、國電銅陵工程和現(xiàn)處于設(shè)計(jì)的工程均未設(shè)置SCR煙道旁路系統(tǒng)，僅外高橋三期工程設(shè)置了SCR煙氣旁路系統(tǒng)。

4.2 省煤器旁路系統(tǒng)

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

1)煙氣側(cè)旁路

煙氣側(cè)旁路系統(tǒng)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(jìn)口主煙氣流中混合不均引起煙溫分層現(xiàn)象。另一個需要關(guān)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(yīng)器內(nèi)，阻塞催化劑。

2)水側(cè)旁路

水側(cè)旁路是讓部分給水旁路通過省煤器，直接進(jìn)入省煤器出口聯(lián)箱，減少省煤器的傳熱量。煙氣側(cè)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(cè)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(xiǎn)。

由于省煤器旁路將加大增加投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用，所以應(yīng)該權(quán)衡在低負(fù)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(yùn)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(tǒng)投資和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，旁路擋板可能積灰阻塞，影響系統(tǒng)運(yùn)行。③省煤器旁路將造成進(jìn)入SCR系統(tǒng)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(yōu)缺點(diǎn)，在此不作介紹。

5 結(jié)論與展望

隨著國家環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，加強(qiáng)減排力度是“十三五”期間國家的重點(diǎn)工程。因此，環(huán)保排放，潔凈排放是各個企業(yè)發(fā)展的目標(biāo)和要求。電廠的寬負(fù)荷改造工程適應(yīng)了國家的環(huán)保要求，由于實(shí)現(xiàn)了環(huán)保排放，在排污指標(biāo)上達(dá)到了要求，節(jié)約了大量的排污費(fèi)用，取得了環(huán)保，經(jīng)濟(jì)的雙收獲。寬負(fù)荷擋板技術(shù)成功運(yùn)用是上海明華設(shè)計(jì)院和該廠聯(lián)手技改的成功典范，以較小的投資，取得了較高的回報(bào)。寬負(fù)荷脫硝技術(shù)解決了現(xiàn)代大型鍋爐低負(fù)荷脫硝投運(yùn)的難題，雖然此技術(shù)與其他技術(shù)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(yōu)勢。在該廠二臺機(jī)組的安裝和使用是成功和圓滿的。隨著國家在節(jié)能減排上的投入和要求，新的技術(shù)還會不斷出現(xiàn)。每一項(xiàng)新技術(shù)的出現(xiàn)都是為了企業(yè)的發(fā)展和國家的減排目標(biāo)。創(chuàng)新改變生活，改變未來。