貴州西電電力股份有限公司黔北發(fā)電廠 張 軼

引言

十二五規(guī)劃中明確燃煤火力發(fā)電廠存量機組對大氣污染物排放必須達標(biāo)排放，標(biāo)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(shù)改造。新建燃煤火力發(fā)電廠的大氣污染區(qū)按照超低排放標(biāo)準執(zhí)行，標(biāo)準為粉塵≤10mg/Nm3(核心控制區(qū)粉塵5mg/Nm3)、SO2≤35mg/Nm3、NOx≤50mg/Nm3。2020年9月22日，國家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論提出中國對于環(huán)境保護提出碳達峰、碳中和3060目標(biāo)，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(xiàn)碳中和，這個目標(biāo)提出后，國家對于火力發(fā)電廠污染物排放大戶的排放標(biāo)準一律按照超低排放標(biāo)準執(zhí)行，所有存量的W 型火焰燃煤發(fā)電鍋爐已經(jīng)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(tǒng)、脫硫系統(tǒng)，技術(shù)路線成熟、工藝系統(tǒng)可靠性高，無論是存量機組的技術(shù)改造還是新建機組的建設(shè)投運，均易達到超低排放標(biāo)準；而我國燃煤火力發(fā)電廠脫硝系統(tǒng)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(yōu)質(zhì)動力煤的火力發(fā)電廠，煙氣大氣污染物即使按照超低排放控制，脫硝系統(tǒng)的安全可靠性是較高的；而對于燃用復(fù)雜劣質(zhì)煤（即高硫份、高灰份、高堿金屬含量）的火力發(fā)電廠，不論是存量機組還是新建機組，脫硝系統(tǒng)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(jīng)濟性，增加了NOx排放超標(biāo)的環(huán)保風(fēng)險。

1 概述

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

國家在十二五規(guī)劃末期根據(jù)當(dāng)時的經(jīng)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(zhí)行煤炭行業(yè)去產(chǎn)能一刀切關(guān)停煤礦降低產(chǎn)能，沒有綜合考慮當(dāng)?shù)啬茉唇Y(jié)構(gòu)對煤炭的需求，導(dǎo)致十三五開局就出現(xiàn)火力發(fā)電廠動力煤需求量遠大于市場供應(yīng)量，煤價飆升推高發(fā)電成本，而當(dāng)時的火力發(fā)電側(cè)市場化改革實行競價上網(wǎng)政策，各發(fā)電集團和企業(yè)無序競爭導(dǎo)致簽訂的市場電價低于成本價，火力發(fā)電企業(yè)虧損嚴重，到2021年火力發(fā)電企業(yè)普遍虧損的局面也沒有的改善。

從2016年開始該企業(yè)經(jīng)營虧損嚴重，為控制燃料成本只有采購當(dāng)?shù)貜?fù)雜劣質(zhì)煤發(fā)電，其特點是揮發(fā)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(wěn)定、難燃盡、燃燒性能差的特點，由于燃用煤種偏離設(shè)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(tǒng)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(shè)備帶來諸多次生問題，降低了機組安全可靠性和運行經(jīng)濟性。通過近幾年探索和不斷改進實踐，對脫硝系統(tǒng)的問題點逐一研究攻克，如今基本解決了燃用復(fù)雜劣質(zhì)煤條件下發(fā)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(wěn)定、經(jīng)濟性，還能保證機組全時段NOx的達標(biāo)排放，對同類型火力發(fā)電廠脫硝系統(tǒng)的正常運行有參考和指導(dǎo)意義。

2 常見問題及危害

脫硝系統(tǒng)進、出口煙道積灰，轉(zhuǎn)向煙道導(dǎo)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(tǒng)阻力，增加風(fēng)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(dǎo)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(biāo)；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(tǒng)阻力增加，降低脫硝效率，氨逃逸率超標(biāo)；脫催化劑堵灰嚴重、磨損嚴重，脫硝系統(tǒng)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(shè)計壽命24000小時，NOx超標(biāo)風(fēng)險增加，降低機組安全可靠性和運行經(jīng)濟性。

氨逃逸超標(biāo)（設(shè)計標(biāo)準≤3ppm）運行，超標(biāo)量在5～8倍，煙氣中產(chǎn)生硫酸氫氨的量增加，導(dǎo)致脫硝系統(tǒng)下游設(shè)備、部件上粘附硫酸氫氨裹挾灰塵聚集，造成設(shè)備堵塞、損壞、功能喪失，降低設(shè)備的安全可靠性和運行經(jīng)濟性。

空預(yù)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(dǎo)致空預(yù)器煙氣、空氣側(cè)阻力增加，引發(fā)風(fēng)機出力不足機組不能帶額定負荷，對于單爐設(shè)計兩臺引風(fēng)機的布置方式運行中甚至?xí)l(fā)生引風(fēng)機搶風(fēng)、喘振的危險工況，造成風(fēng)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(xù)投運吹灰器才能維持空預(yù)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(yù)器熱交換能力，一方面一、二次熱風(fēng)溫度達不到設(shè)計值鍋爐燃燒不穩(wěn)，另一方面鍋爐排煙溫度升高，鍋爐效率降低，運行經(jīng)濟性差（表1）。

表1 空預(yù)器堵塞前后參數(shù)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(biāo)排放的風(fēng)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(xiàn)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(fù)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(gòu)件超重、腐蝕，降低設(shè)備安全可靠性。引風(fēng)機進口靜葉、出口導(dǎo)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(biāo)，降低設(shè)備安全可靠性；在噴氨調(diào)節(jié)門、流量計處發(fā)生氨結(jié)晶堵塞通道，增加供氨阻力，減少供氨流量，降低脫硝系統(tǒng)處理能力；氨空混合器積灰堵塞，稀釋風(fēng)流量降低，噴氨量減少，降低脫硝系統(tǒng)的處理能力，降低脫硝系統(tǒng)安全可靠性、運行經(jīng)濟性。

3 原因分析及對應(yīng)的技術(shù)方案

3.1 脫硝系統(tǒng)進出口煙道、轉(zhuǎn)向煙道導(dǎo)流板積灰的主要原因

原因之一是設(shè)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(guī)劃期間，設(shè)計單位技術(shù)能力良莠不齊，沒有考慮變工況的積灰，煙道結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理導(dǎo)致的積灰；原因之二是中國提出碳達標(biāo)、碳中和3060目標(biāo)后，大量的清潔能源光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電蜂擁投產(chǎn)，擠占火力發(fā)電份額，火力發(fā)電量逐年減少，且光伏、風(fēng)電負荷受天氣變化影響大，現(xiàn)有政策依靠火力發(fā)電承擔(dān)調(diào)峰任務(wù)，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(yīng)對積灰的技術(shù)方案就是重新選擇有技術(shù)改造實力、技術(shù)改造運行業(yè)績的設(shè)計單位針對性進行設(shè)計，通過對當(dāng)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(shù)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(yōu)化煙道設(shè)計方案，增加煙氣擾流裝置，解決流場不均的問題，現(xiàn)在已完成三臺機組脫硝系統(tǒng)優(yōu)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(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)，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(qū)控制，對應(yīng)的脫硝出口煙道分區(qū)測量，精細化控制調(diào)整，提高脫硝效率。針對區(qū)控制振流格柵積灰堵塞的問題，結(jié)合煙道、格柵優(yōu)化設(shè)計改造，選擇合適的格柵孔徑和高度，實現(xiàn)積灰堆積失穩(wěn)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(fēng)檢查確保噴嘴暢通；清理干凈格柵孔積灰。采取以上技術(shù)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(yōu)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(tǒng)的安全可靠性和運行經(jīng)濟性得到提高。

針對氨逃逸率超標(biāo)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(tǒng)的處理能力，發(fā)現(xiàn)排放值超標(biāo)及時處理，氨逃逸率超過標(biāo)準3ppm及時調(diào)整，若通過調(diào)整都不能滿足要求，必須降低負荷運行，氨逃逸率持續(xù)超標(biāo)，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(biāo)準值。

針對空預(yù)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(jié)構(gòu)上不易積灰、蒸汽吹掃效果好，并且滿足換熱要求；冬天環(huán)境溫度低時投運暖風(fēng)器或熱風(fēng)再循環(huán)，保證一、二次風(fēng)冷風(fēng)溫度加熱到大于20℃，避免低溫?zé)煔饨Y(jié)露積灰堵塞；機組停運時對空預(yù)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(yù)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(guān)鍵還是要控制脫硝系統(tǒng)運行時氨逃逸不超標(biāo)，一旦發(fā)生超標(biāo)運行、及時調(diào)整在允許范圍內(nèi)，若調(diào)整無效果，則及時安排機組停運檢查、檢修，修復(fù)損壞的部件；對于在液氨流量計、調(diào)節(jié)門處發(fā)生結(jié)晶堵塞的問題，主要原因還是溫度低造成，通過在流量計、調(diào)節(jié)門進口側(cè)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(fā)生結(jié)晶；同時也要嚴格把關(guān)液氨質(zhì)量，若液氨含的雜質(zhì)多也會發(fā)生雜質(zhì)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(tǒng)運行時，必須監(jiān)視稀釋風(fēng)流量是否正常，若流量明顯低于設(shè)計值，則需對系統(tǒng)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(jié)語

經(jīng)過一系列技術(shù)改造、運行調(diào)整、定期檢查維護等系統(tǒng)治理和運行調(diào)整后，該廠基本解決了燃用復(fù)雜劣質(zhì)煤脫硝系統(tǒng)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(fā)電廠比較，催化劑的壽命還是達不到設(shè)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(jīng)濟性，需要繼續(xù)研究解決的問題。

通過調(diào)研，在全國燃煤火力發(fā)電廠中該廠脫硝系統(tǒng)存在的問題多，多種不利因素疊加降低了脫硝系統(tǒng)的安全可靠性，在逐個技術(shù)難題的攻關(guān)過程中走了許多彎路，貴在專業(yè)技術(shù)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(shù)改造和運行摸索調(diào)整，脫硝系統(tǒng)存在的問題基本解決，為類似煤質(zhì)發(fā)電應(yīng)用探索出一條可行的技術(shù)路線。