300MW火电机组低负荷下的脱硝问题和解决方案

刘菊林

上海电力股份有限公司吴泾热电厂

0 前言

“十二五”期间国家对大气污染物排放实施严格规定，并进行了全面控制，加大了节能减排的力度。落实和抓好节能减排是所有工作的重中之重，要求电力企业加强对污染物数据的监控，加大资金的投入，安装烟气污染物排放自动监控系统。按照国家有关降低污染物排放要求,吴泾发电有限责任公司分别于2008年和2013年对2台火电机组进行了脱硫和脱硝改造，取得了良好的节能与环保效果。然而，由于该厂采用尿素分解氨气作为催化剂的脱硝法，脱硝系统的投运对锅炉烟气的温度有较高要求。该厂机组的负荷在低于180MW时，机组排烟温度低于氨气催化时的最低温度，无法投入脱硝装置，造成氮氧化物严重超标。因此，要求机组在正常运行的最低运行负荷（120MW)投入脱硝装置已迫在眉睫。根据相关环保条例的要求机组将被限制投入运行。

针对吴泾发电有限责任公司2台300MW的亚临界汽轮机组的实际情况,对机组安装宽负荷脱硝挡板后，从机组启动、运行、调试和优化的整体角度出发,提出了当机组负荷在120MW～180MW期间，宽负荷挡板的投入对烟气温度的提高及脱硝装置的投入运行情况进行分析，保证机组脱硝装置能正常投运。由于机组负荷在180MW以上时，排烟温度大于脱硝装置投入时的最低320℃的要求（考虑到煤种变化，该厂2台机组的脱硝装置投运的最低温度放宽至315℃），无需宽负荷档板调节，因此，本文仅对机组负荷在180MW以下时的脱硝设施的投运进行分析。

1 脱硝原理

SCR（选择性催化剂还原）技术，主要是通过将一氧化氮、二氧化氮还原为氮气来降低火电厂生产过程中产生的氮氧化物。

系统设备的工作原理如图1所示。液氨在蒸发器内蒸发为氨气，加热到常温后被送到氨气缓冲罐储存，经调压阀减压后通过喷氨格栅的喷嘴喷入烟气中与烟气充分混合，然后在静态混合器充分混合后进入催化反应器反应。在一定温度和催化剂的作用下，氨气与NOx发生催化氧化还原反应，还原为N2和H2O。

图1 SCR系统设备及工作原理

2 省煤器及空预器

2.1 低负荷脱硝与省煤器的关系

省煤器是利用锅炉尾部烟气热量加热锅炉给水的换热设备，是汽水系统中的主要承压部件，其主要是节省燃料消耗量、降低锅炉造价和改善汽包工作条件。省煤器是电厂不可缺少的低温受热面，由于它布置在过热器和再热器后的尾部对流烟道中，又称尾部受热面。省煤器按出口工质状态分为沸腾式和非沸腾式，若省煤器出口温度达到饱和温度，并有部分水汽化称为沸腾式省煤器，而出口温度低于其压力下的饱和温度则被称为非沸腾式省煤器。非沸腾式省煤器一般在中低压锅炉中，而现在大型锅炉普遍采用的是非沸腾式省煤器。低负荷脱硝的实施是减少部分省煤器与烟气的热交换，以达到烟气流经省煤器后温度仍然能满足氨气催化的温度。减少省煤器的受热面积，虽然降低了锅炉给水温度，但同时也满足了脱硝设施的投入，达到了减排目的。

2.2 低负荷期间脱硝和空预器关系

空气预热器是利用锅炉尾部烟气热量加热空气的热交换设备。它是锅炉烟气流程的最后一级受热面，其作用主要为：①利用空气吸收烟气热量，进一步降低排烟温度，提高锅炉效率，节省燃料；②提高炉膛温度水平，改善燃料的着火与燃烧条件，减少机械不完全燃烧损失，进一步提高锅炉效率；③节省金属，降低锅炉造价；④用热空气干燥煤粉，有利于制粉系统工作；⑤改善引风机的工作条件，排烟温度的降低可以使引风机的工作温度和电耗降低，提高其工作的可靠性和经济性。用氨气作为催化剂的脱硝装置，如果排烟温度过低，极易造成氨气的逃逸，因此，控制排烟温度，保证氮氧化物和氨气的充分反应是保证预热器安全运行的重要措施。一旦氨气逃逸量大，氨气低温结晶，易造成预热器的堵塞，严重影响预热器的安全运行。

3 低负荷脱硝的问题及解决方法

3.1 低负荷脱硝面临的困境

在SCR系统脱硝过程中，烟气在通过SCR催化剂时，由于SCR催化剂的氧化特性，同时有副反应SO2→SO3的转化。按常规流程，烟气经过SCR反应器后的SO2/SO3转化率按1%计，SCR装置下游烟气中的SO3浓度将达到43mg/Nm3(湿基)。即使氨逃逸浓度不超过3ppm，在下游仍会有硫酸氢胺生成。

硫酸氢氨在不同的温度下分别为不同的状态，硫酸氢氨在146℃～207℃范围内为液态。气态或颗粒状硫酸氢氨会随着烟气流经预热器，不会对预热器产生影响。但是，生成的液态硫酸氢氨粘性极大，会与烟气中的飞灰粒子相结合，附着于预热器传热元件上形成融盐状的积灰，造成预热器的腐蚀、堵灰等，影响预热器的换热及机组的正常运行。因此严格控制氨的逃逸是脱硝运行的关键，但是SCR催化对烟气温度有严格要求，一旦低于催化温度，不仅达不到降低氮氧化物的效果，还会造成氨气的大量逃逸。氨气的逃逸量大将会产生上述的硫酸氢氨，造成设备损坏。氨气催化的最佳排烟温度即SCR入口在320℃～390℃之间。而机组在180MW时，SCR入口温度则达不到320℃，因此脱硝装置则不能投入运行。此时氮氧化物浓度往往超过500mg/m3，远远大于国家要求低于200mg/m3的排放标准，及超低排放50mg/m3的排放要求。

3.2 机组低负荷时的脱硝投运

如何实现低负荷脱硝投运是机组环保运行的关键，如果不能实现机组的低负荷环保排放，按国家相关规定机组将不能投入运行。如果超标排放运行，机组将要承受严重的环保考核。因此，根据机组的实际情况，通过技术论证，该厂机组采用在省煤器出口安装宽负荷挡板，在低负荷时减少省煤器与烟气的换热面积，以提高烟气温度来解决SCR入口温度低的情况，保证机组脱硝的投运。吴泾热电厂宽负荷脱硝采用省煤器内置多通道技术，控制烟道两侧和中间通道的烟气流量分配，实现省煤器出口烟温的提升。

3.3 宽负荷过程原理

3.3.1 宽负荷原理

宽负荷原理如图2所示。

图2 宽负荷原理

3.3.2 省煤器内置三通道式原理：

（1）烟气分隔成三个通道

将省煤器改造成类似于水渠分流的方式，锅炉在低负荷下，使烟气在并联的三分叉通道中只流经中间烟道，以达到减少省煤器的换热面积。

（2）热力学中传热公式

当换热面积Heco缩少后，烟气传递给水的热量呈单调递减，使省煤器出口烟温得到提升。

（3）水侧不做任何改动。

3.4 宽负荷挡板调节效果检验

宽负荷工程主要是在省煤器烟道内加装烟气导流隔板，调节省煤器与烟气的换热面积，以此达到控制烟温的目的。宽负荷工程改造结束后，该厂进行了多次烟气温度提升试验。试验结果均取得了较好的结果。按照该厂煤种变化的实际运行方式，在多次试验后，也基本达到120MW投入脱硝的条件。见表1。

表1 160MW负荷烟温提升

由表1看出，机组负荷160MW时，宽负荷烟气挡板在40%开度时即满足了脱硝装置的投运。

由表2和表3看出，宽负荷烟气挡板的安装基本满足了锅炉在最低负荷时脱硝装置的投运，考虑到实际情况，目前机组一般最低负荷控制在135MW左右，短时间可以控制到120MW。

表2 最低负荷数据（神木煤）

表3 最低负荷数据（掺烧一层褐煤）

当然影响锅炉排烟温度的原因还有很多，如：煤种变化、掺烧比例、人员操作不当、烟道漏风、省煤器泄漏、省煤器内受热面过多、SCR测点测量不准确、烟气温度分布不均匀、给水温度低等因素在此不做研究。

4 其他系统的低负荷脱硝技术和评价

4.1 旁路系统

1)SCR脱硝装置烟气旁路系统

对于SCR的烟道旁路系统，设置的主要作用是：该旁路设置在省煤器出口，可将烟气切换，使之不经过SCR反应器，直接进入空预器。

装设SCR烟气旁路的主要优点有：①该旁路主要用于锅炉启停时保护SCR装置内的催化剂不受损坏，并且方便检修SCR。②锅炉低负荷运行时，烟气温度低于SCR的运行温度，锅炉启停时烟气温度波动大，因此可以采用SCR旁路，防止SCR不投运时催化剂中毒和堵塞。③运行灵活。常时间在低负荷运行并达不到喷氨要求时，可以开启旁路降低烟气阻力，达到节能的目的；在锅炉NOx浓度排放较低，能满足有关排放指标时可旁路运行；旁路也可用于季节性运行的SCR系统，降低运行费用。

2)SCR烟气旁路存在的问题

装设SCR烟气旁路存在的问题有：①增加投资，加大了布置难度。②SCR旁路必须要配备零泄漏挡板，烟气泄漏也会导致催化剂钝化。③加装SCR烟道旁路后，当SCR停运时，会造成烟气中水份冷凝，容易堵塞SCR催化剂。

另外，在锅炉正常运行条件下，锅炉烟气穿过催化剂是可以接受的，如果不运行脱硝，仅仅是停止喷氨即可。国外大量工程经验证明，如设计合理，运行规范，SCR反应器在运行中阻塞而造成锅炉强迫停运的可能性较小。本工程设有省煤器灰斗，对于收集飞灰十分有利。

因此，安装SCR旁路主要是用于锅炉需要经常启停或长时间不用的情况下。在美国，过去由于有很大一部分时间可不投运SCR，均加装有该旁路，现在，美国国家法律明确规定禁止加装SCR旁路。日本几家脱硝公司均建议不设此旁路，因为SCR反应器本身寿命很长，SCR不投运时只需停止注入氨气即可，停止喷氨时，烟气依然流经反应器到空气预热器，对脱硝系统及整个电厂操作等无任何影响。国内已经投运的几个火电工程中，嵩屿、国华太仓四期、国电铜陵工程和现处于设计的工程均未设置SCR烟道旁路系统，仅外高桥三期工程设置了SCR烟气旁路系统。

4.2 省煤器旁路系统

锅炉低负荷运行时，当省煤器出口烟温低于催化剂最低运行温度时，要求设省煤器旁路。有两种可采用的省煤器旁路系统，即部分烟气旁路省煤器的烟气侧旁路以及给水绕过部分省煤器被分流的水侧旁路。

1)烟气侧旁路

烟气侧旁路系统遇到问题是，为了从省煤器上部的锅炉后烟道抽取烟气，锅炉需要改造，以及由于旁路烟气在SCR进口主烟气流中混合不均引起烟温分层现象。另一个需要关心的问题是，旁路烟气中大颗粒“米花状”的灰会被直接带入反应器内，阻塞催化剂。

2)水侧旁路

水侧旁路是让部分给水旁路通过省煤器，直接进入省煤器出口联箱，减少省煤器的传热量。烟气侧旁路只需旁路少量烟气便能迅速影响省煤器出口烟温，而水侧旁路却要旁路大量的给水才能提高省煤器出口烟温，这里存在潜在的省煤器汽化危险。

由于省煤器旁路将加大增加投资费用和运行费用，所以应该权衡在低负荷下为换取失掉的NOx削减量是否值得花这笔额外的支出。

增加省煤器旁路将引起如下问题：①旁路运行时降低锅炉效率，增加煤耗及热损失。②增加旁路烟道及挡板，增加脱硝系统投资和运行维护费用，旁路挡板可能积灰阻塞，影响系统运行。③省煤器旁路将造成进入SCR系统烟气流场紊乱，降低总的脱硝效率。④该旁路需在锅炉包覆开孔，对锅炉烟温和烟气量都提出新要求，对锅炉性能及热平衡均有一定影响，需要重新核算。

此外，还有分级省煤器、增加0号加热器等方法，各有优缺点，在此不作介绍。

5 结论与展望

随着国家环保要求的日益严格，加强减排力度是“十三五”期间国家的重点工程。因此，环保排放，洁净排放是各个企业发展的目标和要求。电厂的宽负荷改造工程适应了国家的环保要求，由于实现了环保排放，在排污指标上达到了要求，节约了大量的排污费用，取得了环保，经济的双收获。宽负荷挡板技术成功运用是上海明华设计院和该厂联手技改的成功典范，以较小的投资，取得了较高的回报。宽负荷脱硝技术解决了现代大型锅炉低负荷脱硝投运的难题，虽然此技术与其他技术相比还有不足之处，但是它具有投资少、改造量少、改造时间短的优势。在该厂二台机组的安装和使用是成功和圆满的。随着国家在节能减排上的投入和要求，新的技术还会不断出现。每一项新技术的出现都是为了企业的发展和国家的减排目标。创新改变生活，改变未来。