1 100 t/h塔式直流燃煤锅炉SCR脱硝装置入口烟温降低的方法及应用

孙少鹏，　田　鑫，　宁玉琴，　郭　栋，　周崇波

(1. 华电电力科学研究院， 杭州 310030； 2. 杭州华电能源工程有限公司， 杭州 310030)



1 100 t/h塔式直流燃煤锅炉SCR脱硝装置入口烟温降低的方法及应用

孙少鹏1,2，田鑫1,2，宁玉琴1,2，郭栋1,2，周崇波1,2

(1. 华电电力科学研究院， 杭州 310030； 2. 杭州华电能源工程有限公司， 杭州 310030)

摘要：为解决塔式燃煤直流锅炉脱硝装置入口烟温偏高的问题，设计了高温烟气换热器热力系统，将脱硝系统的入口烟温降至脱硝催化剂最佳运行温度范围，并对烟气热量进行回收利用.给出了高温烟气换热器热力系统技术方案，对系统投运效果进行了测试.结果表明：所提方法有效解决了选择性催化还原(SCR)脱硝装置入口烟温偏高的问题；在额定负荷下，脱硝效率可以提高1.4%；在负荷波动时，可以稳定SCR脱硝装置入口烟温；锅炉排烟温度和出口热风温度均降低.

关键词：塔式直流锅炉； 高温烟气换热器； SCR； 烟气余热回收； 节能

面对日益严峻的环保形势，GB 13223—2011 《火电厂大气污染排放标准》提出NOx的排放限值为100 mg/m3(标态，干基，6%φ(O2)).为了满足最新污染物排放要求，很多燃煤机组采用了选择性催化还原(selective catalytic reduction，SCR)烟气脱硝系统.脱硝催化剂是SCR脱硝系统的核心部件，其性能直接影响整体脱硝效果.且脱硝催化剂存在最佳运行温度范围，偏离此范围将造成催化效率降低.在SCR脱硝系统运行过程中，如果催化效率降低，氨的逃逸率将增加，逃逸出的NH3与烟气中的SO3和H2O在合适的温度下会生成NH4HSO4[1].NH4HSO4的液化和固化温度分别为350 ℃和147 ℃[2-5]，液态和固态的NH4HSO4具有较强的黏结性，长此以往将引起空气预热器积灰和堵塞，同时增加烟风系统运行阻力[6-7].然而，对于塔式直流燃煤锅炉而言，由于其自身的结构特点，SCR脱硝系统的入口烟温常高于脱硝催化剂的最佳运行温度，导致催化剂活性降低甚至失活.因此，笔者针对塔式直流燃煤锅炉SCR脱硝装置入口烟温偏高的问题，设计了一套高温烟气换热器热力系统，利用高温烟气换热器对SCR脱硝装置入口烟温进行调节，达到提高SCR脱硝装置运行效率的目的.

1设备概况

所研究的锅炉为国内某电厂1号机组罗马尼亚ICPET锅炉厂制造的1 100 t/h、燃煤、塔式、中间再热、负压燃烧、蒸发点可变的本生型直流锅炉，设计燃用贫煤.该锅炉主要设计参数和燃煤特性见表1和表2.

表1　锅炉主要设计参数(BMCR工况下)

为满足最新NOx排放标准，对该锅炉进行了脱硝改造，改造技术路线为低氮燃烧(LNB)+SCR烟气脱硝，SCR工艺选择高灰型SCR工艺.脱硝催化剂的最佳运行温度范围为340~380 ℃.脱硝改造前，锅炉省煤器出口(即脱硝系统入口)实际运行烟温在425 ℃左右，高于脱硝催化剂最佳运行温度范围，严重影响SCR脱硝系统的正常运行.

机组回热系统共有NO.1、NO.2和NO.3三级低压加热器，NO.5、NO.6和NO.7三级高压加热器以及1级除氧器.各级低压加热器主要参数见表3.

表2　燃料特性参数

表3　低压加热器主要参数

2高温烟气换热器热力系统改造设计方案

为解决1号机组SCR脱硝装置入口烟温偏高的问题，笔者设计了一套高温烟气换热器热力系统，并与SCR脱硝系统同时进行改造和安装.高温烟气换热器热力系统的设计思路是：在锅炉省煤器出口和SCR脱硝装置入口间的烟道内设计添加高温烟气换热器，从低压加热器回热系统中抽取凝结水，经由循环水泵进入高温烟气换热器中，在高温烟气换热器中凝结水与高温烟气进行对流换热，来调节SCR脱硝装置的入口烟温，被加热的凝结水再次进入回热系统.

高温烟气换热器热力系统设计方案的主要特点有：高温烟气换热器布置位置较高，在锅炉省煤器出口和SCR脱硝装置入口之间，该区域位于标高90 m的炉顶区域；能够精确调节SCR脱硝装置入口烟温，保证了SCR脱硝装置催化剂处在最佳运行温度范围内；回收的烟气热量用来加热部分回热系统凝结水，排挤低压加热器回热抽汽，提高了机组经济性；改造工程量较小，设备投资费用较低.

高温烟气换热器的热力系统如图1所示，分别从NO.2和NO.3低压加热器出口引出部分凝结水，2路凝结水混合后接入到高温烟气换热器，在高温烟气换热器中被加热后再引入到除氧器水箱.整个凝结水侧依靠独立的变频循环泵提供运行动力.设计自动控制系统，根据机组运行负荷和不同运行工况，通过高温烟气换热器入口的2组电动阀门组实现对SCR脱硝装置入口烟温的自动调节.高温烟气换热器热力系统的设计参数见表4.

图1　高温烟气换热器热力系统图

参数数值机组负荷/MW330进入脱硝装置的烟气体积流量(标态)/(m3·h-1)1130000高温烟气换热器入口烟温/℃425高温烟气换热器出口烟温/℃385NO.2低压加热器出口凝结水温/℃103NO.3低压加热器出口凝结水温/℃146高温烟气换热器入口凝结水质量流量/(t·h-1)450高温烟气换热器入口凝结水温度/℃110高温烟气换热器出口凝结水温度/℃146烟气酸露点/℃100

3应用效果分析

3.1高温烟气换热器热力系统投运后的热力性能效果

高温烟气换热器热力系统改造安装完成后，随着1号机组启动顺利投运.通过一个月的稳定运行，对高温烟气换热器热力系统进行了试验测试，分析其热力性能.测试期间，机组负荷稳定在330 MW左右.

图2为高温烟气换热器热力系统投运前后SCR脱硝装置入口烟温的对比.从图2可以看出，机组负荷稳定在330 MW时，高温烟气换热器热力系统投运前，SCR脱硝装置入口烟温在400 ℃附近波动；投运后，SCR脱硝装置入口烟温在340 ℃附近波动.高温烟气换热器热力系统的投入运行，有效降低了SCR脱硝装置的入口烟温，使其处于催化剂的最佳运行温度范围内，提高了脱硝系统的脱硝效率.

图2　高温烟气换热器热力系统投运前后SCR脱硝装置

Fig.2Comparison of inlet flue gas temperature with and without high-temperature flue gas heat exchanger

3.2高温烟气换热器热力系统对脱硝系统的影响

高温烟气换热器热力系统投运后，SCR脱硝装置入口烟温降到了脱硝催化剂最佳反应温度范围内，NOx还原脱硝反应速率加快，氨的逃逸率降低，脱硝效率提高.图3为330 MW下，NH3与NOx物质的量之比一定时，不同入口烟温下的SCR脱硝效率.从图3可以看出，高温烟气换热器热力系统投运前，SCR脱硝装置的入口烟温为402 ℃(见表5)，对应的脱硝效率为87.8%；高温烟气换热器热力系统投运后，SCR脱硝装置的入口烟温为338 ℃(见表5)，对应的脱硝效率为89.2%，脱硝效率提高了1.4%.

图3　脱硝效率与SCR脱硝装置入口烟温的关系

此外，高温烟气换热器热力系统投运后，进入SCR脱硝装置的烟气量减小，脱硝系统的流动阻力和催化剂层的流动阻力均减小.

3.3机组负荷对高温烟气换热器热力系统特性的影响

表5给出了高温烟气换热器热力系统在3个机组负荷工况下的测试数据，反映了不同机组负荷下，高温烟气换热器热力系统的特性规律.从表5可以看出，高温烟气换热器热力系统投运后，在机组负荷为330 MW、270 MW和240 MW时，对应的高温烟气换热器的入口烟温相差较大，分别为402 ℃、385 ℃和378 ℃，而高温烟气换热器的出口烟温却几乎相等，分别为338 ℃、343 ℃和336 ℃.

随着机组负荷的降低，高温烟气换热器入口烟气量减小、入口烟温降低，导致高温烟气换热器的传热特性发生变化，通过高温烟气换热器控制系统的电动调节阀来自动调节进入高温烟气换热器的凝结水流量，可以保证SCR脱硝装置的出口烟温处于相对稳定的状态，也保证了脱硝催化剂的运行温度维持在最佳运行温度范围.

表5　不同工况下系统实测数据

3.4高温烟气换热器热力系统对锅炉的影响

高温烟气换热器热力系统对锅炉性能的影响可以分为2类：一类为对锅炉设备的影响；另一类为对锅炉参数、性能的影响.前者的影响主要体现在空气预热器的改造方面；后者的影响主要体现在锅炉效率和机组煤耗等方面[8-10].

表6为锅炉烟风系统设计参数与改造后锅炉烟风系统实测参数的对比.在额定负荷330 MW下，锅炉的设计排烟温度(即空气预热器出口烟温)为150 ℃，设计一次风和二次风热风温度为360 ℃；高温烟气换热器热力系统投运后，锅炉300 MW负荷下空气预热器出口烟温为128 ℃，一次风热风温度为306 ℃，二次风热风温度为311 ℃.表明高温烟气换热器热力系统投运后，锅炉排烟温度降低，热风温度也比设计热风温度低.这是因为高温烟气换热器热力系统投运后，空气预热器入口烟温降低，导致空气预热器传热温差减小，在相同的负荷下，空气预热器的传热系数变化不大，因此，空气预热器的传热量减小，一次风和二次风热风温度会略微降低.

表6　锅炉烟风系统设计和实测参数对比

高温烟气换热器热力系统对空气预热器入口烟温和出口烟温具有一定影响，系统的投运降低了空气预热器的入口烟温，使得其出口烟温随之降低，对整个锅炉而言，锅炉效率有所提高.

当锅炉燃烧煤种为无烟煤或者贫煤时，还需考虑高温烟气换热器热力系统引起的一、二次风热风温度偏低对锅炉效率造成的影响.高温烟气换热器热力系统会通过影响空气预热器入口烟温来影响进入炉膛的一、二次风热风温度，从而影响锅炉燃烧效果.该系统投运后，空气预热器入口烟温降低，导致进入炉膛的热风温度偏低，造成炉膛点火延迟，煤粉在炉膛内的反应时间变短，烟气飞灰含量增大，从而使锅炉排烟损失增大，锅炉效率略有降低.

4结论

(1) 采用高温烟气换热器热力系统可以对烟气温度进行调节，能够解决锅炉SCR脱硝装置入口烟温偏高的问题，使脱硝系统催化剂的工作温度稳定在最佳运行温度范围.

(2) 高温烟气换热器热力系统投运后，脱硝效率提高了1.4%，且脱硝系统的流动阻力和催化剂层的流动阻力均减小.

(3) 随着机组负荷的波动，高温烟气换热器热力系统将SCR脱硝装置的出口烟温稳定在设定值附近，保证了脱硝系统的高效运行.

(4) 高温烟气换热器热力系统降低了空气预热器的出口烟温，使锅炉效率有所提高；但也会引起锅炉一、二次风热风温度偏低，影响炉膛燃烧效果，增大烟气飞灰含量，使锅炉效率略有降低.

参考文献：

[1]徐旭，应剑，王新龙．燃煤电厂选择性催化还原烟气脱硝系统的性能试验[J]．动力工程学报，2010，30(6)：439-443．

XU Xu，YING Jian，WANG Xinlong．Performance test of a SCR denitrification system for coal-fired power plants[J]．Journal of Chinese Society of Power Engineering，2010，30(6)：439-443．

[2]SI Fengqi，ROMERO C E，YAO Z，etal．Inferential sensor for on-line monitoring of ammonium bisulfate formation temperature in coal-fired power plants[J]．Fuel Processing Technology，2009，90(1)：56-66．

[3]张强．燃煤电站SCR烟气脱硝技术及工程应用[M]．北京：化学工业出版社，2006：23-25．

[4]DEAN W．Insitu analysis of ammonia slip and water vapor using a tunable diode laser for SCR/SNCR optimization and boiler tube surveillance in power plants[C]//Proceedings of the Annual ISA Analysis Division Symposium．Louisville.KY，United States： ISA-Instrumentation, Systems，and Automation Society，2004．

[5]WILBURN R T，WRIGHT T L．SCR ammonia slip distribution in coal plant effluents and dependence upon SO3[J]．Power Plant Chemistry，2004，6(5)：295-304．

[6]邬东立，王洁，张国鑫，等．660 MW SCR脱硝机组空预器堵塞原因分析及对策[J]．浙江电力，2014(3)：46-50．

WU Dongli，WANG Jie，ZHANG Guoxin，etal．Analysis on air preheater blockage of 660 MW SCR denitration units and the countermeasures[J]．Zhejiang Electric Power，2014(3)：46-50．

[7]李超，于丽新，韩钟国，等．200 MW燃煤机组SCR脱硝改造关键技术问题解析[J]．环境科学与技术，2012，35(增刊2)：298-301．

LI Chao，YU Lixin，HAN Zhongguo，etal．The key technical issues resolution for 200 MW coal-fired units SCR deNOxtransformation[J]．Environmental Science & Technology，2012，35(S2)：298-301．

[8]左松伟．大型火电机组SCR脱硝系统能耗特性研究[D]．北京：华北电力大学，2012．

[9]王丽莉，许卫国．烟气脱硝装置对锅炉空预器的影响[J]．黑龙江电力，2008，30(4)：260-265．

WANG Lili，XU Weiguo．Effect of flue gas denitration plant on air preheater[J]．Heilongjiang Electric Power，2008，30(4)：260-265．

[10]程星星，金保生，仲兆平，等．SCR脱硝装置对锅炉系统整体的影响理论分析[J]．锅炉技术，2010, 41(2):26-28．

CHENG Xingxing，JIN Baosheng，ZHONG Zhaoping，etal．Theoretical analysis for the influence of SCR de-NOxequipment to boiler systems[J]．Boiler Technology，2010，41(2):26-28．

Inlet Flue Gas Temperature Reduction of SCR Denitrification Systems and the Application in a 1 100 t/h Tower Once-through Boiler

SUNShaopeng1,2,TIANXin1,2,NINGYuqin1,2,GUODong1,2,ZHOUChongbo1,2

(1. Huadian Electric Power Research Institute, Hangzhou 310030, China;2. Hangzhou Huadian Energy Engineering Co., Ltd., Hangzhou 310030, China)

Abstract：To solve the problem of too high inlet flue gas temperature existing in the denitrification system of tower once-through boilers, a high-temperature flue gas heat exchanger was designed to reduce the inlet temperature down to the optimum operation range of relevant catalysts, while the heat in flue gas was recycled. A retrofit scheme was proposed for the flue gas heat exchanger system, and its operation effect was evaluated. Results show that the method proposed has helped to solve the problem of too high inlet flue gas temperature of the SCR denitrification system; at rated load, the denitrification efficiency can be increased by 1.4%; in the case of load fluctuation, the heat exchanger may help to stabilize the inlet temperature of SCR denitrification system; with the application of high-temperature flue gas heat exchanger, both the exhaust flue gas temperature and the outlet air temperature of boiler can be reduced.

Key words：tower once-through boiler; high-temperature flue gas heat exchanger; SCR; flue gas waste heat recovery; energy saving

文章编号：1674-7607(2016)01-0048-05

中图分类号：TK474

文献标志码：A学科分类号：470.30

作者简介：孙少鹏(1982-)，男，安徽合肥人，工程师，研究生，主要从事火电厂节能及环保方面的研究.电话(Tel.)：18658840571；

收稿日期：2015-03-20

修订日期：2015-05-14

E-mail：shaopeng-sun@chder.com.