華能福州電廠脫硝改造工程的設(shè)計(jì)和施工特點(diǎn)

張戰(zhàn)鋒

(華能福州電廠，福州市 350200)

0 引言

為控制燃煤電廠的 NOx排放［1］水平，我國(guó)于2011年9月頒布了GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》［2］。燃煤電廠鍋爐的NOx控制技術(shù)主要分為爐內(nèi)低NOx燃燒技術(shù)和爐后煙氣脫硝技術(shù)二大類［3］。爐內(nèi)低NOx燃燒技術(shù)主要通過改變?nèi)紵鞯娘L(fēng)、煤比例，控制燃燒氣氛，利用欠氧燃燒生成的HCN與NH3等中間產(chǎn)物來抑制還原已經(jīng)生成的NOx。低NOx燃燒技術(shù)可采用低NOx燃燒器及選用空氣分級(jí)、燃料再燃等方法。煙氣脫硝技術(shù)有選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)、選擇性非催化還原(selective non-catalytic reduction，SNCR)及SNCR、SCR混合煙氣脫硝技術(shù)。目前SCR煙氣脫硝技術(shù)在國(guó)際上應(yīng)用最為廣泛，日本、美國(guó)及歐洲等國(guó)家和地區(qū)的大多數(shù)電廠基本都應(yīng)用該技術(shù)。與其他技術(shù)相比，SCR脫硝技術(shù)投資大、改造施工難度大，但裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、脫硝效率高、便于維護(hù)，系統(tǒng)的脫硝效率可高達(dá)95%［3-5］。華能福州電廠脫硝改造工程采用SCR脫硝技術(shù)，本文論述該工程的設(shè)計(jì)和施工特點(diǎn)。

1 華能福州電廠脫硝改造工程概況

1.1 改造工程簡(jiǎn)介

華能福州電廠一、二期工程各安裝2臺(tái)350 MW燃煤發(fā)電機(jī)組，分別于1988、1998年建成投產(chǎn)。一、二期工程機(jī)組均配置日本三菱公司設(shè)計(jì)制造的CE型、亞臨界參數(shù)、強(qiáng)制循環(huán)、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、四角切圓燃燒煤粉鍋爐。為使新建三期工程2臺(tái)660 MW機(jī)組通過環(huán)保達(dá)標(biāo)驗(yàn)收，環(huán)保部門要求三期工程同步安裝80%效率的SCR脫硝裝置，并對(duì)一、二期工程中的2臺(tái)鍋爐進(jìn)行效率不低于70%的脫硝改造。為更好地承擔(dān)社會(huì)責(zé)任，電廠計(jì)劃對(duì)一、二期工程的4臺(tái)鍋爐全部進(jìn)行脫硝改造，一期工程2臺(tái)鍋爐的脫硝改造已于2010年完成，二期工程2臺(tái)鍋爐的脫硝改造將于2012年完成。

本改造工程采用SCR脫硝技術(shù)方案，主要特點(diǎn)為:單爐雙反應(yīng)器設(shè)置及高灰型布置;反應(yīng)器布置在省煤器與空氣預(yù)熱器之間的高含塵區(qū)域;在燃用設(shè)計(jì)煤種及校核煤種、鍋爐最大連續(xù)出力(boiler maximum continuous rating，BMCR)工況、處理100%煙氣量條件下，脫硝反應(yīng)器與還原劑供應(yīng)系統(tǒng)按脫硝效率不低于70%設(shè)計(jì);設(shè)置SCR反應(yīng)器煙氣旁路。采用蜂窩式催化劑，按照“2+1”模式布置。一、二、三期工程6臺(tái)鍋爐的脫硝裝置共用1個(gè)還原劑制備系統(tǒng)、1個(gè)儲(chǔ)存與供應(yīng)系統(tǒng)。

1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

本改造工程煙氣脫硝設(shè)計(jì)方案:SCR高灰型布置，還原劑為液氨，每臺(tái)爐設(shè)2個(gè)SCR反應(yīng)器，催化劑為蜂窩式。在鍋爐燃用設(shè)計(jì)煤種、鍋爐正常負(fù)荷范圍(50% ～100%BMCR)、SCR裝置入口NOx平均含量為600 mg/m3、煙氣入口溫度為315～420℃條件下，主要設(shè)計(jì)參數(shù)及性能如表1所示。

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2 一期工程SCR脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)及施工特點(diǎn)

2.1 SCR脫硝裝置鋼結(jié)構(gòu)

SCR脫硝裝置鋼結(jié)構(gòu)主要承載反應(yīng)器本體、進(jìn)出口煙道、灰斗等的荷載，其設(shè)計(jì)要滿足柱網(wǎng)布置及承載要求，并且要考慮反應(yīng)器截面的長(zhǎng)、寬比例及煙氣流場(chǎng)特性。

由于煙氣脫硝改造工程涉及鍋爐原有基礎(chǔ)和鋼架的荷載變化，因此SCR脫硝裝置鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能設(shè)計(jì)成獨(dú)立結(jié)構(gòu)，以使傳遞到鍋爐的荷載能減小。

一期工程鍋爐建設(shè)時(shí)并未預(yù)留脫硝裝置的位置，爐后的空間相當(dāng)狹小，并且此空間原有很多管道、設(shè)備及電纜橋架，給改造工程設(shè)計(jì)造成很大的困難。SCR脫硝裝置支架設(shè)計(jì)在爐后與電除塵器之間的通道兩側(cè)，從爐后至電除塵器方向共設(shè)計(jì)了3排、12根鋼柱。原有爐后與電除塵器通道寬為6.26 m，新建3排鋼架后，通道寬不足4 m，并且此區(qū)域鋼架與電除塵器進(jìn)口煙道鋼柱交錯(cuò)布置顯得雜亂。因此，設(shè)計(jì)時(shí)要求將原有電除塵器進(jìn)口煙道支架拆除，將其荷載由脫硝裝置鋼架承擔(dān)。經(jīng)此處理爐后區(qū)域顯得整齊、合理了。

2.2 SCR脫硝裝置本體

2.2.1 反應(yīng)器

反應(yīng)器截面尺寸為12 m×6.9 m，設(shè)置在省煤器與空氣預(yù)熱器之間的高含塵段，1臺(tái)爐設(shè)2個(gè)反應(yīng)器，煙氣豎直向下流動(dòng)，在反應(yīng)器的進(jìn)、出口均設(shè)置灰斗。為減小系統(tǒng)阻力，反應(yīng)器進(jìn)、出口均設(shè)置導(dǎo)流板。設(shè)計(jì)時(shí)要考慮反應(yīng)器及其進(jìn)、出口煙道熱膨脹的補(bǔ)償措施。

2.2.2 反應(yīng)器旁路

一、二期改造工程均設(shè)置了SCR反應(yīng)器旁路。設(shè)置旁路的優(yōu)點(diǎn)［6］為:

(1)在鍋爐啟、停過程中保護(hù)反應(yīng)器內(nèi)部的催化劑。鍋爐啟、停時(shí)工況變化較大，一些易于凝結(jié)的煙氣成份在催化劑表面結(jié)露，可造成催化劑堵塞;低負(fù)荷投油燃燒時(shí)，未燃盡的燃油會(huì)隨煙氣進(jìn)入SCR反應(yīng)器，這部分油很可能粘附在催化劑表面，大量吸附煙氣中的灰塵，造成煙塵在催化劑的微孔中堆積，堵塞催化劑，使反應(yīng)效率降低。因此在鍋爐啟、停階段投入SCR旁路，待鍋爐升負(fù)荷穩(wěn)定，脫硝系統(tǒng)具備運(yùn)行條件后再投入SCR反應(yīng)器，如此可很好地保護(hù)催化劑，延長(zhǎng)使用壽命。

(2)鍋爐運(yùn)行異常時(shí)可保護(hù)催化劑。當(dāng)發(fā)生省煤器泄漏、空氣預(yù)熱器水洗，或其他可能導(dǎo)致催化劑損壞的意外事故時(shí)，可以投入旁路運(yùn)行。

(3)方便SCR脫硝裝置本體檢修。鍋爐運(yùn)行期間，若因反應(yīng)器內(nèi)部堵灰或其他故障需要檢修時(shí)，可打開旁路擋板，切換至旁路運(yùn)行，無需停爐。

2.2.3 吹灰器

每臺(tái)SCR反應(yīng)器的每層催化劑設(shè)置3臺(tái)聲波吹灰器和2臺(tái)蒸汽吹灰器。3臺(tái)聲波吹灰器中的2臺(tái)布置在SCR反應(yīng)器寬度方向，1臺(tái)布置在長(zhǎng)度方向。聲波吹灰介質(zhì)為鍋爐雜用壓縮空氣，壓力為0.6～0.7 MPa，聲波吹灰器在投入順控自動(dòng)時(shí)，逐一啟動(dòng)各臺(tái)吹灰器運(yùn)行，每臺(tái)、每次運(yùn)行時(shí)間為10 s。采用伸縮式耙式蒸汽吹灰器，2臺(tái)均設(shè)置在反應(yīng)器寬度方向。吹灰介質(zhì)為從鍋爐吹灰蒸汽母管引出的蒸汽，壓力為2.5 MPa、溫度為380℃。

2.2.4 灰斗輸灰系統(tǒng)

為使吹灰系統(tǒng)簡(jiǎn)單、易于操作，灰斗輸灰系統(tǒng)控制邏輯的設(shè)計(jì)理念保持與電廠現(xiàn)有真空輸灰系統(tǒng)一致，即以真空值控制出灰時(shí)間，以電廠的真空風(fēng)機(jī)作為氣力除灰系統(tǒng)的動(dòng)力源，將SCR脫硝輸灰系統(tǒng)并入電廠現(xiàn)有真空輸灰系統(tǒng)。

2.2.5 脫硝催化劑

選用奧地利CERAM公司生產(chǎn)的蜂窩催化劑，主要成份為 TiO2、V2O5、WO3等，化學(xué)使用壽命為24 000 h。催化劑整體成型，節(jié)距為7.4 mm;壁厚為0.9 mm。催化劑對(duì)于脫硝系統(tǒng)入口煙氣溫度(315～420℃)有良好的適應(yīng)性，能承受運(yùn)行溫度420℃(每年至少3次，每次至少5 h)的考驗(yàn)，而不產(chǎn)生任何損壞。催化劑層數(shù)按照“2加1”布置，本期安裝2層，每層安裝42個(gè)模塊，模塊之間設(shè)計(jì)有防止煙氣短路的密封系統(tǒng)。

2.3 還原劑儲(chǔ)存和制備系統(tǒng)

脫硝系統(tǒng)還原劑采用液氨，其儲(chǔ)存與制備系統(tǒng)包括液氨卸料壓縮機(jī)、液氨儲(chǔ)罐、液氨蒸發(fā)槽、氨氣緩沖槽、廢水池及廢水泵等設(shè)備。為確保安全，在氨區(qū)設(shè)置了消防水系統(tǒng)及事故噴淋系統(tǒng)，并且設(shè)有氨泄漏監(jiān)測(cè)儀。為檢測(cè)液氨儲(chǔ)存及供應(yīng)系統(tǒng)的嚴(yán)密性，在氨區(qū)的液氨儲(chǔ)罐、液氨蒸發(fā)槽、氨氣緩沖槽等處，備有氮?dú)獯祾吖芫€以及氮?dú)鉁p壓供應(yīng)裝置。在液氨卸料及檢修之前，通過氮?dú)獯祾吖芫€對(duì)相應(yīng)管道進(jìn)行嚴(yán)格的氮?dú)庵脫Q。

在設(shè)計(jì)氨站時(shí)將一、二、三期工程一并考慮，即全廠3期工程共用1個(gè)氨站。一、二期與三期工程各用1套氨區(qū)設(shè)備，互為備用。為保證電廠運(yùn)行更方便、維修更簡(jiǎn)單，一、二期與三期工程的氨系統(tǒng)統(tǒng)一設(shè)計(jì)，設(shè)備廠家、型號(hào)等都要一致。氨區(qū)的蒸汽、儀用氣、工業(yè)水等系統(tǒng)采用母管制，在氨氣緩沖槽出口分別有3根供氨管道接至3期工程區(qū)域，再分別供給每期工程各自的2臺(tái)爐。

2.4 氨/煙氣噴射與混合系統(tǒng)

氨/煙氣噴射與混合系統(tǒng)主要有噴氨格柵、靜態(tài)混合器、氨氣調(diào)節(jié)閥組等設(shè)備。該系統(tǒng)的作用是確保氨與空氣混合物噴入煙道，與煙氣充分混合，達(dá)到煙氣中的NH3/NO均勻分布，力求以靜態(tài)混合系統(tǒng)的最小阻力換取最佳的混合效果。要求采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)輔助設(shè)計(jì)，以物理實(shí)體流場(chǎng)模型試驗(yàn)為依據(jù)，對(duì)噴氨格柵、靜態(tài)混合器的結(jié)構(gòu)、數(shù)量、布置形式進(jìn)行設(shè)計(jì)。噴氨格柵設(shè)置在SCR脫硝裝置進(jìn)口煙道上升段，每個(gè)反應(yīng)器沿寬度方向設(shè)置12路氨噴射管道，每路管道設(shè)噴嘴12個(gè)，沿?zé)煔夥较蛳蛏蠂娚洹?/p>

3 脫硝工程涉及的設(shè)備改造

3.1 煙道改造

鍋爐的煙氣原從省煤器直接進(jìn)入空氣預(yù)熱器，加裝脫硝裝置后，增加了SCR反應(yīng)器，改變了煙氣走向，必須對(duì)煙道系統(tǒng)進(jìn)行改造。因脫硝系統(tǒng)設(shè)有旁路，所以煙氣系統(tǒng)的改造主要為:在省煤器出口引出SCR脫硝裝置進(jìn)口煙道并安裝煙氣進(jìn)口擋板，在空氣預(yù)熱器進(jìn)口引出SCR脫硝裝置出口煙道并安裝煙氣擋板，將原有空氣預(yù)熱器進(jìn)口二次風(fēng)擋板割除替換為脫硝旁路擋板。煙道系統(tǒng)改造工期約35天。

3.2 鍋爐鋼架加固

由于SCR反應(yīng)器的進(jìn)、出口煙道必須穿越鍋爐J1排鋼架，因此在反應(yīng)器進(jìn)、出口煙道位置處的J1排鋼架必須拆除或改動(dòng)。SCR反應(yīng)器進(jìn)、出口煙道與鍋爐省煤器、空氣預(yù)熱器相連，有部分荷載傳遞到鍋爐鋼架，所以必須對(duì)原鍋爐鋼架受力進(jìn)行校核驗(yàn)算，以確定原鍋爐鋼架的加固形式及原鍋爐鋼架基礎(chǔ)是否需要加固。

根據(jù)哈爾濱鍋爐廠的鋼架受力驗(yàn)算結(jié)果(委托)，鍋爐鋼架采用在原有鋼梁、立柱、斜撐貼焊鋼板的基礎(chǔ)上進(jìn)行加固的方案，每臺(tái)爐加固量約70 t。加固工作在停爐期間進(jìn)行，加固前先將鍋爐鋼架處原有的管道、動(dòng)力及控制電纜改道，總加固工期約35天。

3.3 空氣預(yù)熱器改造

為防止因增加脫硝系統(tǒng)，在空氣預(yù)熱器入口產(chǎn)生的NH4HSO4粘污、堵塞空氣預(yù)熱器冷段受熱面，需要對(duì)空氣預(yù)熱器受熱面形式與材質(zhì)進(jìn)行改造。按照西安熱工院提交的《福州電廠一、二期脫硝改造可研報(bào)告》，一期工程2臺(tái)爐的空氣預(yù)熱器采用整體更換方案。空氣預(yù)熱器冷端受熱面采用碳鋼鍍搪瓷材料。在投入100名施工人員的情況下，整體更換工期約50天。

3.4 引風(fēng)機(jī)改造

由于增加了脫硝裝置，鍋爐煙氣系統(tǒng)阻力增加，需要增加引風(fēng)機(jī)壓頭。增加的阻力主要包括SCR反應(yīng)器(主要為催化劑)阻力、SCR反應(yīng)器進(jìn)口和出口煙道阻力、更換空氣預(yù)熱器后所增阻力和空氣預(yù)熱器因堵塞所增阻力。一期工程在使用3次催化劑的情況下，阻力約增加1 kPa。綜合各項(xiàng)因素，根據(jù)對(duì)現(xiàn)有引風(fēng)機(jī)壓頭余量的核算結(jié)果，引風(fēng)機(jī)也采用整體更換方案。

4 幾個(gè)值得探討的問題

(1)噴氨格柵采用在反應(yīng)器進(jìn)口豎直煙道內(nèi)沿水平方向單層布置的方式，不利于還原劑沿?zé)煹郎疃确较蚓鶆蚍植肌＝ㄗh將噴氨格柵改為雙層布置。

(2)SCR脫硝裝置入口煙氣擋板執(zhí)行機(jī)構(gòu)為全開全關(guān)型，在脫硝系統(tǒng)投入操作中若1次全開，會(huì)影響空氣預(yù)熱器的傳熱性能，使空氣預(yù)熱器出口二次風(fēng)溫急劇下降(2號(hào)爐在首次操作中，當(dāng)SCR脫硝裝置入口擋板手搖開大到30%時(shí)，空氣預(yù)熱器出口二次風(fēng)溫快速下降60℃)，從而對(duì)磨煤機(jī)效率及爐膛燃燒工況造成很大影響。建議將SCR脫硝裝置入口煙氣擋板設(shè)計(jì)為遠(yuǎn)方中停結(jié)構(gòu)。

(3)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重視隨鍋爐膨脹設(shè)備的支撐(吊)點(diǎn)的位置。如旁路擋板密封風(fēng)管支撐點(diǎn)位于鍋爐鋼架上，顯然不合適。

(4)脫硝系統(tǒng)退出約10天，打開人孔門檢查，發(fā)現(xiàn)SCR脫硝裝置入口煙氣擋板后的積灰高達(dá)1 m多，漏灰容易影響擋板門的開關(guān)，并易堵塞氨噴射器的噴嘴。為此建議對(duì)入口擋板是否設(shè)計(jì)成帶密封風(fēng)結(jié)構(gòu)的問題作進(jìn)一步探討。

(5)設(shè)置旁路擋板后增加了系統(tǒng)的靈活性，同時(shí)可在低負(fù)荷時(shí)保護(hù)催化劑。但是，旁路擋板水平布置時(shí)要考慮積灰荷載，同時(shí)若經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間關(guān)閉后一旦開啟，執(zhí)行機(jī)構(gòu)容易使電氣保護(hù)動(dòng)作，并且大量積灰會(huì)對(duì)空氣預(yù)熱器造成影響。為此建議對(duì)設(shè)置旁路擋板的必要性問題作進(jìn)一步探討。

(6)增加脫硝裝置后，為減小NH4HSO4對(duì)空氣預(yù)熱器冷端受熱面的影響，將冷端受熱面改為碳鋼鍍搪瓷型。在1、2號(hào)爐完成改造投入運(yùn)行后，發(fā)現(xiàn)鍋爐排煙溫度達(dá)不到原設(shè)計(jì)及改造前參數(shù)。1號(hào)爐A、B空氣預(yù)熱器出口煙溫保證值為(124±3)℃，實(shí)測(cè)值分別為139.2、138.9℃，修正至設(shè)計(jì)條件后為134.8℃，超標(biāo)7.8℃。建議對(duì)此問題進(jìn)行探討。

5 結(jié)語

目前國(guó)內(nèi)燃煤機(jī)組煙氣脫硝改造工作尚處于起步階段，隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保要求的日趨嚴(yán)格及電力企業(yè)履行社會(huì)責(zé)任意識(shí)的不斷提高，在未來幾年內(nèi)，脫硝改造工作將會(huì)在現(xiàn)役機(jī)組中大力開展。華能福州電廠脫硝改造工程的成功實(shí)施，將在設(shè)計(jì)、施工、試運(yùn)等方面為燃煤機(jī)組的脫硝改造提供經(jīng)驗(yàn)。

［1］鐘秦.燃煤煙氣脫硫脫硝技術(shù)及工程應(yīng)用［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

［2］GB 13223—2011火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［3］張強(qiáng).燃煤電站SCR煙氣脫硝技術(shù)及工程應(yīng)用［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［4］于洪，劉慷.選擇性催化還原煙氣脫硝技術(shù)在玉環(huán)電廠4×1 000 MW機(jī)組上的應(yīng)用［J］.電力環(huán)境保護(hù)，2009，25(3):1-3.

［5］付興金，王海良，孫藝心，等.哈鍋SCR脫硝技術(shù)在廣東德勝電廠的應(yīng)用［J］.鍋爐制造，2010(1):30-32.

［6］程星星，金保升，仲兆平，等.SCR脫硝裝置對(duì)鍋爐系統(tǒng)整體的影響理論分析［J］.鍋爐技術(shù)，2010，41(2):28-30，52.