燃煤发电机组实现全工况脱硝运行的改造策略

马巧春，雒贵，李阳春，李法众

（华能玉环发电厂，浙江玉环317604）

燃煤发电机组实现全工况脱硝运行的改造策略

马巧春，雒贵，李阳春，李法众

（华能玉环发电厂，浙江玉环317604）

针对日趋突出的环境污染问题及越来越严格的大气排放标准，控制燃煤发电厂氮氧化物的排放总量成为锅炉环保技术发展的方向。通过对现有脱硝技术现状及存在问题的分析，对燃煤发电机组脱硝系统实现全工况运行的5种改造策略，即：两段式省煤器设计、九级加热器、加装省煤器烟气侧旁路及给水侧旁和V-Temp省煤器的技术要点进行了对比分析，为新建和已投运机组采用何种改造策略提供参考。

燃煤发电厂；锅炉；氮氧化物；全工况脱硝

火力发电厂烟气排放污染正受到越来越多的关注，近年来，随着烟气脱硫技术的发展与应用及国家对二氧化硫排放的严格控制，火力发电厂二氧化硫的排放已得到了一定程度的遏制。但要更好地控制氮氧化物的排放污染，脱硝技术还需进一步的发展。因此，加快脱硝技术的研究、脱硝系统的建设，实现脱硝系统全工况运行，将会大大减少氮氧化物排放。以下针对采用SCR（选择性催化还原法）脱硝技术的燃煤发电机组，提出了几种实现全工况脱硝运行的策略。

1 脱硝技术应用概况

1.1 现有脱硝技术概况

目前，国际上烟气脱硝技术主要分两大类：燃烧改良处理和燃烧后处理，在此基础上出现两种方式联合使用的复合处理技术。燃烧改良处理的关键技术有：低氮燃烧器、空气分级燃尽风、再燃烧、分级燃烧及烟气再循环等。燃烧后处理主要有：SCR和SNCR（选择性非催化还原法）[1]。SNCR技术工艺简单，无催化剂系统，在国内外有一定的工程应用，脱除氮氧化物的效率一般在25%～40%，适用于原始氮氧化物较低，且对于排放标准要求不高的机组；而SCR是在催化剂的作用下，利用还原剂（如氨气、尿素等）有选择性地与烟气中的氮氧化物反应并生成无毒无污染的氮气和水，其脱硝效率达75%～90%，可应用于各种氮氧化物浓度烟气的处理。

我国新建大型燃煤发电机组均采用了低氮燃烧及烟气脱硝技术（以SCR工艺为主），已投产机组，按照当前的排放标准，正在逐步实施脱硝技术改造。

1.2 脱硝系统存在的问题

采用SCR技术设计的脱硝效率一般在80%以上。脱硝效率和催化剂活性与反应温度的关系如图1所示，反应温度在200～400℃内，随着反应温度的升高，脱硝效率和催化剂活性都逐渐增加，尤其当反应温度在200～300℃时，脱硝效率和催化剂活性随反应温度的增加增幅较大。当温度升至400℃时，脱硝效率和催化剂活性都达到最大值，随着温度的进一步升高，脱硝效率和催化剂活性随温度的升高而下降[2]。因此，为了保证催化剂的活性和达到脱硝设计效率，反应温度的最佳值应控制在300～420℃之间。

图1 脱硝效率和催化剂活性与反应温度的关系

但是机组在低负荷运行时（50%～60%额定负荷以下），或高压加热器退出运行且机组在70%～75%额定负荷时，省煤器出口烟气温度都可能无法达到脱硝系统催化剂反应所需温度，从而导致硫酸氢铵浓度上升、脱硝效率降低、催化剂寿命缩短等问题。为了保证脱硝催化剂运行的安全高效性，在无法达到催化剂反应温度时，只能退出脱硝系统的运行，导致机组综合脱硝效率达不到设计要求。机组负荷受到电网负荷调整的限制，始终维持高负荷运行是不现实的，换言之，目前已投运的燃煤发电厂均无法实现脱硝系统全工况在线运行。

因此，如何保证机组在全负荷段满足脱硝系统催化剂反应温度要求，尤其是在低负荷阶段，实现机组全工况脱硝运行，是亟待解决的问题。

2 全工况脱硝运行的改造策略

针对目前已投运的燃煤发电厂无法实现全工况脱硝的问题，国内外有多家研究机构进行了专题研究，主要有两个研究方向：催化剂制造商对催化剂耐低温性进行研究；对热力系统进行改造，以适应催化剂的性能，热力系统共有如下5种改造策略。

2.1 两段式省煤器设计

将锅炉省煤器设计成两部分（如图2所示）[3]，低温部分置于脱硝系统出口侧，将脱硝系统前移布置在烟气高温区的两段省煤器之间，这样即使在机组低负荷时，也能保证脱硝系统入口烟气温度达到设计温度范围，实现脱硝系统在低负荷工况运行；锅炉可在不投油稳燃负荷到BMCR（锅炉最大出力）工况下安全运行；在保证热风温度的前提下，能够进一步降低空气预热器入口的烟气温度，提高锅炉的效率。缺点是：省煤器系统的阻力有所提高，烟气侧阻力有所增加，风机电耗可能增加。

图2 两段式省煤器示意

该技术一般适用于可同步建设脱硝系统的新建机组，是一步到位的解决方案。目前哈尔滨锅炉厂供货的大唐蔚县发电厂采用此项技术，正处于设计阶段。

2.2 九级加热器技术

在给水系统原有八级加热器的基础上，增加了1级高压加热器，也称之为九级加热器技术。选择汽轮机1个合适抽汽点，增加1级抽汽可调式给水加热器，在机组低负荷时，通过调节门控制提高省煤器入口水温，使其出口烟温相应上升，从而实现脱硝系统全工况运行。抽汽加热原理如图3所示。该技术还能降低机组整体煤耗水平；提高锅炉水动力安全性；提高锅炉低负荷燃烧效率和稳燃性能；提高机组的调频能力和调频经济性。缺点是：只适合设计有补气阀的汽轮机，改造具有局限性。

图3 回热抽汽补充加热锅炉给水原理

该技术既可以用于新建机组也可以用于已运行机组的改造，但是改造费用相对较高。目前外高桥第三发电厂采用该项技术，利用补气阀对应的抽汽口，设置了第九级加热器。在低负荷时投入该加热器，以提高低负荷下给水温度，从而提高了给水系统出口烟温，这样既可以满足脱硝系统入口烟温要求，又改善了锅炉的燃烧稳定性[4]。据统计，2012年脱硝系统投运率达到98.88%，基本实现了全工况脱硝运行。

2.3 加装省煤器烟气侧旁路

在省煤器前选择适当位置直接引一路高温烟气至省煤器出口，与低温烟气进行混合，以提高省煤器出口烟温，满足脱硝系统在机组低负荷时的运行温度要求。但是这种方案可能增加机组的发电煤耗，并且烟气旁路占用空间较大、易出现烟道积灰。

2.4 加装省煤器给水侧旁路

在省煤器水侧加装旁路系统，在机组低负荷时，通过旁路调整进入省煤器的给水流量，从而减小省煤器的吸热量，使烟气通过省煤器后，保持较高的烟气温度，满足脱硝系统的进口烟温要求。

该方案一定程度上增加了给水阻力，影响效率及给水调节的稳定性，优点是水侧旁路占用空间较小、调节灵敏。

2.5 V-Temp省煤器技术

V-Temp交叉省煤器是美国B&W公司开发的一项专利技术，交叉省煤器是根据其功能暂定的名字，核心技术是通过在省煤器系统设置特定的给水管屏，从而减少热吸收。V-Temp省煤器的关键技术是将省煤器管屏分为两部分，由溢流管和节流管供给，通过改变省煤器传热面积提高省煤器出口烟温。V-Temp省煤器已在4台锅炉安装运行，测试结果表明在某一恒定的负荷下，能使省煤器出口烟温上升10℃[5]，省煤器系统布置如图4所示。

图4 V-Temp省煤器系统示意

该技术一定程度上可以提高省煤器出口烟温，实现脱硝系统在低负荷工况运行；实现给水稳定调节。缺点是省煤器所有管屏需重新加工组屏，投资大。从结构上看应与两段式省煤器思路接近，使用实绩需进一步确认。

3 结语

上述5种改造方案均可以在机组低负荷时提高省煤器出口烟温，以满足脱硝系统催化剂的反应温度。对新建机组，在设计阶段需进行充分论证，可采用两段式省煤器、V-Temp省煤器或九级加热器技术；对已投运机组，可以选择九级加热器或V-Temp省煤器技术，但是两种方案的改造费用均较高。对于各技术方案的应用实绩还需跟踪并深入研究，以便选择最适合的改造方案。

[1]马风哪，程伟琴.国内火电厂氮氧化物排放现状及控制技术探讨[J].广州化工，2011（15）:57-59.

[2]刘武标.SCR烟气脱硝效率及催化剂活性的影响因素分析[J].能源与环境，2012（3）:47-50.

[3]哈尔滨锅炉厂有限责任公司.哈锅电站锅炉新产品新技术[G].2013.

[4]钱磊.上海外高桥第三发电厂超超临界机组节能环保技术[C]//超超临界机组技术交流2012年会.

[5]M J ALBRECHT，J T BUCKLER，S A SCAVUZZO.The V-TempTM Economizer System and Method for SCR Temperature Control[J].Technical Paper，2011（3）:13-15.

（本文编辑：陆莹）

Transformation Strategy for Denitration of Coal-fired Generating Units under Full Operating Condition

MA Qiaochun，LUO Gui，LI Yangchun，LI Fazhong
（Huaneng Yuhuan Power Plant，Yuhuan Zhejiang 317604，China）

In view of the increasingly serious environmental pollution and gradually severe atmospheric emission standards，control of NOXemissions of coal-fired power plant becomes the orientation of environmental protection technology of boiler.By analyzing present situation of the existing denitration technology and the problems，the paper compares technical characteristics of five transformation strategies for denitration system of coal-fired generating units under full operating condition，namely dual-economizer，nine orders of heaters，installing bypasses at flue gas side and feedwater side of economizer as well as V-Temp economizer，providing reference for selection of reformation strategy for newly-built units and those in operation.

coal-fired power plant；boiler；NOX；denitration under full operating condition

TM631

B

1007-1881（2015）01-0041-03

2014-08-18

马巧春（1969），男，工程硕士，高级工程师，长期从事火力发电厂基建及生产管理工作。