章斐然， 姚余善， 徐　奇

(東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院， 南京 210096)

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環(huán)保技術(shù)

電站鍋爐低負(fù)荷SCR脫硝技術(shù)研究

章斐然， 姚余善， 徐奇

(東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院， 南京 210096)

摘要：針對(duì)燃煤電站鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行過(guò)程中省煤器出口煙溫過(guò)低、無(wú)法滿足SCR(選擇性催化還原)反應(yīng)器投運(yùn)溫度要求的問(wèn)題，對(duì)各項(xiàng)低負(fù)荷SCR脫硝技術(shù)進(jìn)行了研究，分析了各技術(shù)的可行性及優(yōu)缺點(diǎn)，從而為工程設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：鍋爐； 脫硝; 低負(fù)荷; SCR

在眾多大氣污染物中，氮氧化物(NOx)作為我國(guó)三大主要大氣污染物之一，危害巨大。我國(guó)的NOx排放量中有近一半來(lái)自于燃煤電廠。而燃煤過(guò)程中產(chǎn)生的NOx大多為NO，占95%以上。因物理化學(xué)作用，NOx可引發(fā)一系列多層次的環(huán)境問(wèn)題，嚴(yán)重危害了人體健康和生態(tài)安全[1]。

燃煤電站常用的SCR反應(yīng)器中，催化劑正常的活性反應(yīng)溫度一般為320～400 ℃[2]。而機(jī)組中低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，SCR反應(yīng)器入口煙溫，即省煤器出口煙溫可能會(huì)低于這個(gè)溫度，這就使得SCR催化劑活性無(wú)法始終維持在最佳狀態(tài)，反應(yīng)器運(yùn)行效率偏低[3]，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致氨逃逸率增加。從SCR反應(yīng)器逃逸的NH3與煙氣中的SO3和H2O在合適的溫度下，反應(yīng)生成NH4HSO4和少量(NH4)2SO4[4]。NH4HSO4具有較強(qiáng)的黏結(jié)性，會(huì)附著在空氣預(yù)熱器表面并吸附飛灰顆粒，長(zhǎng)時(shí)間堆積從而引起堵灰。NH4HSO4生成量隨著氨逃逸率的增加而增加。在保持脫硝效率等其他條件一定時(shí)，最有效的降低氨逃逸率的方法是提高SCR反應(yīng)效率。

而在實(shí)際運(yùn)行中，由于機(jī)組負(fù)荷降低，造成SCR入口煙溫達(dá)不到催化劑活性溫度區(qū)間，則脫硝裝置將被迫退出運(yùn)行，從而導(dǎo)致煙氣排放不達(dá)標(biāo)。

筆者對(duì)現(xiàn)有的SCR脫硝裝置進(jìn)行改進(jìn)，使進(jìn)入脫硝裝置的煙氣溫度保持在催化劑的反應(yīng)溫度區(qū)間內(nèi)，保證鍋爐在負(fù)荷區(qū)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)NOx的達(dá)標(biāo)排放，同時(shí)提高脫硝催化劑的使用壽命。

1改造方案

針對(duì)電站鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行過(guò)程中SCR脫硝裝置入口煙氣溫度無(wú)法滿足催化劑反應(yīng)溫度區(qū)間的問(wèn)題，需對(duì)省煤器及相關(guān)部件進(jìn)行改造。而現(xiàn)有改造方案多是從如下兩個(gè)角度來(lái)提高SCR入口煙氣溫度，以滿足SCR投運(yùn)要求：(1)通過(guò)煙氣側(cè)直接加熱省煤器出口煙氣溫度。(2)通過(guò)給水側(cè)的改進(jìn)，提高給水溫度，從而減少省煤器內(nèi)換熱量，以提高省煤器出口煙溫[5-7]。

1.1 省煤器給水旁路

省煤器給水旁路見(jiàn)圖1。機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，調(diào)節(jié)給水旁路調(diào)節(jié)閥門(mén)，使部分省煤器給水通過(guò)旁路直接到達(dá)省煤器出口集箱，通過(guò)減少省煤器中的給水量，減少熱量傳遞，從而提升煙溫。此方案需要配置旁路省煤器的閥門(mén)和相應(yīng)的旁路管道。

優(yōu)缺點(diǎn)分析：該方案改造相對(duì)簡(jiǎn)單，在煙溫調(diào)節(jié)區(qū)間要求不高時(shí)可適當(dāng)考慮；但由于水側(cè)傳熱系數(shù)極大，遠(yuǎn)大于煙氣側(cè)傳熱系數(shù)，如減少少量的工質(zhì)流量，無(wú)法有效改變出口煙溫，即減少少量省煤器入口給水流量，省煤器的總換熱量基本不變，只是提高了省煤器的出口水溫。該方案需要將旁路流量選取到50%以上效果才顯著。另外從省煤器入口抽出大量工質(zhì)后會(huì)造成省煤器出口水欠焓增加。

1.2 省煤器加裝循環(huán)泵

省煤器加裝循環(huán)泵見(jiàn)圖2。對(duì)現(xiàn)有鍋爐水系統(tǒng)進(jìn)行改造，利用水泵抽取省煤器出口工質(zhì)或汽包下降管高溫工質(zhì)送入省煤器的入口，提高省煤器內(nèi)工質(zhì)的平均溫度，減小省煤器內(nèi)的傳熱溫差，從而提高省煤器出口煙氣溫度。

優(yōu)缺點(diǎn)分析：該方法較水側(cè)的其他方法而言對(duì)煙氣溫度的提升幅度大，其系統(tǒng)簡(jiǎn)單，改造投資小?？紤]到壓力等因素的影響，該升溫系統(tǒng)僅適用于亞臨界和超高壓的汽包鍋爐，包括自然循環(huán)汽包爐和強(qiáng)制循環(huán)汽包爐。另外該方案對(duì)所增加的泵的可靠性要求比較高，同時(shí)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性會(huì)有所下降。

1.3 省煤器煙氣旁路

省煤器煙氣旁路見(jiàn)圖3。在省煤器進(jìn)口位置的煙道上開(kāi)孔設(shè)置煙氣旁路，通過(guò)控制煙氣擋板來(lái)控制旁路煙氣流量。在高負(fù)荷時(shí)，煙氣擋板全關(guān)，將旁路隔離；而在低負(fù)荷時(shí)，通過(guò)調(diào)整煙氣擋板開(kāi)度，從而引出省煤器入口部分煙氣與出口煙氣混合，提高省煤器出口煙溫。

優(yōu)缺點(diǎn)分析：該方案提升煙氣溫度效果好，但控制難度大，同時(shí)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性會(huì)有所下降。另外，機(jī)組高負(fù)荷時(shí)，撤出旁路，由于省煤器入口煙溫能達(dá)到500 ℃以上，旁路調(diào)節(jié)擋板在高溫下極易變形，產(chǎn)生內(nèi)漏，同樣會(huì)使排煙溫度升高，影響鍋爐經(jīng)濟(jì)性；而低負(fù)荷時(shí)，擋板若內(nèi)漏量大，可能會(huì)使省煤器出口煙溫超過(guò)400 ℃，從而使催化劑燒結(jié)失活。

1.4 分級(jí)省煤器

分級(jí)省煤器見(jiàn)圖4。

重新布置省煤器管組，如拆除原有省煤器下半部分管組，在SCR出口煙道內(nèi)增設(shè)一定量的省煤器受熱面，通過(guò)減少SCR反應(yīng)器前省煤器的吸熱量，提高SCR反應(yīng)器的入口煙溫。煙氣通過(guò)SCR脫硝后，進(jìn)一步通過(guò)SCR反應(yīng)器后的省煤器來(lái)吸收煙氣中的熱量，以保證空氣預(yù)熱器進(jìn)出口煙溫基本保持不變。

優(yōu)缺點(diǎn)分析：在不影響鍋爐整體效率的情況下，提高SCR入口煙溫，同時(shí)還能降低排煙溫度，提高鍋爐效率。但該方案投資成本相對(duì)較高，且不能調(diào)節(jié)，在滿負(fù)荷時(shí)SCR入口煙溫可能會(huì)超過(guò)400 ℃，從而使催化劑燒結(jié)失活。另外受空間位置限制，具體布置方案需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.5 設(shè)置零號(hào)高壓加熱器

設(shè)置零號(hào)高壓加熱器見(jiàn)圖5。在1號(hào)高壓加熱器出口與省煤器間增加一級(jí)加熱器，利用主汽或者三抽高溫蒸汽加熱給水，提高省煤器進(jìn)口給水溫度，從而縮小傳熱溫差，使省煤器出口煙溫提高。在負(fù)荷降低時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)門(mén)可控制該加熱器的入口壓力基本不變，從而能維持給水溫度基本不變。

優(yōu)缺點(diǎn)分析：通過(guò)實(shí)施該技術(shù)，低負(fù)荷下省煤器入口水溫得以提高，使其出口煙溫相應(yīng)上升，可確保SCR在全負(fù)荷范圍內(nèi)處于催化劑的高效運(yùn)行區(qū)間。但該方案在提升SCR入口煙溫的同時(shí)也使排煙溫度有所升高，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性下降，且投資成本較大，控制難度較高。

在低負(fù)荷下，幾種改進(jìn)方案對(duì)比見(jiàn)表1。

表1　機(jī)組低負(fù)荷脫硝方案對(duì)比

2技術(shù)改進(jìn)

以上幾種方案都是從煙氣側(cè)或給水側(cè)兩個(gè)角度進(jìn)行改造，且都能實(shí)現(xiàn)提升省煤器出口煙溫，使其滿足SCR催化劑反應(yīng)溫度區(qū)間的要求。然而在實(shí)際操作過(guò)程中都存在各自的問(wèn)題，一方面部分方案較難控制，另一方面排煙溫度的提高使機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性下降。而以下方案，又在之前的基礎(chǔ)上做了進(jìn)一步改進(jìn)。

2.1 SCR循環(huán)加熱回路

SCR循環(huán)加熱回路見(jiàn)圖6。外加一套帶有換熱裝置的循環(huán)回路系統(tǒng)，通過(guò)循環(huán)介質(zhì)將熱量傳遞給SCR入口煙氣，或直接加熱催化劑，將反應(yīng)溫度維持在期望值附近。將催化劑覆蓋在換熱原件的表面(即該原件由催化劑載體組成)，這樣在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中催化劑便可始終維持在最優(yōu)反應(yīng)溫度范圍內(nèi)。換熱元件是一個(gè)閉合管路，介質(zhì)在管路內(nèi)流動(dòng)，管外設(shè)置鰭片，而催化劑便覆蓋在鰭片上，一方面加強(qiáng)傳熱，另一方面增加催化劑的接觸表面積。

優(yōu)缺點(diǎn)分析：該方案能很好地維持催化劑表面溫度在指定溫度范圍內(nèi)，同時(shí)所述的循環(huán)回路獨(dú)立于系統(tǒng)以外，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響較小，并且便于控制。但該方案經(jīng)過(guò)介質(zhì)換熱，造成熱量損失，且同樣會(huì)造成排煙溫度升高。

2.2 限流式

限流式方法見(jiàn)圖7。在SCR反應(yīng)器出口與空氣預(yù)熱器之間煙道內(nèi)安裝低溫加熱器，利用管道，將低溫加熱器與省煤器實(shí)現(xiàn)并聯(lián)或串聯(lián)連接。當(dāng)機(jī)組處于中低負(fù)荷工況運(yùn)行時(shí)，一方面通過(guò)省煤器煙氣旁路調(diào)節(jié)省煤器出口煙溫，另一方面控制進(jìn)入低溫加熱器的給水流量，配合控制省煤器出口煙溫，同時(shí)起到降低排煙溫度的作用，鍋爐效率得以提高[8]。

優(yōu)缺點(diǎn)分析：以增加低溫?fù)Q熱器并改變省煤器內(nèi)給水流通方式為依據(jù)，不改變煙道結(jié)構(gòu)，對(duì)煙氣流場(chǎng)也無(wú)影響，但已建機(jī)組進(jìn)行此方法改造時(shí)需對(duì)原省煤器材質(zhì)重新進(jìn)行熱力計(jì)算和校核，防止出現(xiàn)爆管現(xiàn)象。

在不影響鍋爐效率的前提下使脫硝裝置在機(jī)組低負(fù)荷下正常投運(yùn)，同時(shí)還滿足脫硝裝置穩(wěn)定在較高溫度下運(yùn)行的要求。對(duì)于排煙溫度較高的鍋爐，采用該方法，在高負(fù)荷下串聯(lián)使用省煤器和低溫?fù)Q熱器，能夠有效降低鍋爐排煙溫度，提高鍋爐效率。

3結(jié)語(yǔ)

通過(guò)合理的途徑提高省煤器出口煙氣溫度，使煙溫滿足SCR反應(yīng)裝置最低投運(yùn)溫度要求，是解決電站鍋爐低負(fù)荷脫硝的主要措施。筆者認(rèn)為，加裝省煤器煙氣旁路以及省煤器分級(jí)布置效果較好；然而這些方案中有的難于控制，且大部分方案都提高了排煙溫度，對(duì)鍋爐效率造成一定的影響。而在原有方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行一些改造，如第2.2節(jié)的限流法，則可在一定程度上解決上述問(wèn)題。因此，采用何種方法提高省煤器出口煙溫，需根據(jù)電站鍋爐情況及尾部煙道空間等因素綜合考慮。

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Study on SCR Denitrification Technology of Power Plant Boilers in Low-load Operation Process

Zhang Feiran, Yao Yushan, Xu Qi

(School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China)

Abstract：During the practical application of SCR ( selective catalytic reduction ) technology in domestic coal-fired power plants, the economizer outlet flue gas temperature is always lower than the normal reaction temperature range of SCR catalyst in low-load operation process. To solve the problem, several methods for improving the inlet temperature of SCR reactor were studied, with focus on both the advantages and disadvantages of each method, which may serve as a reference for relevant engineering designs.

Keywords：boiler; denitrification; low-load operation; SCR

中圖分類號(hào)：TK223.73

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-086X(2016)02-0106-04

作者簡(jiǎn)介：章斐然(1988—)，男，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)殡娬惧仩t低負(fù)荷脫硝技術(shù)。E-mail: 220110322@seu.edu.cn

收稿日期：2015-05-27