寬溫催化劑在燃煤電廠全負荷脫硝中的應用

鄭俊杰 葛春亮 劉海蛟 張元賞

（浙江天地環保科技有限公司浙江杭州310003）

寬溫催化劑在燃煤電廠全負荷脫硝中的應用

鄭俊杰 葛春亮 劉海蛟 張元賞

（浙江天地環保科技有限公司浙江杭州310003）

本文研究了寬溫催化劑在燃煤電廠全負荷脫硝中的應用。該新型寬溫催化劑可在SCR入口煙溫275-420℃范圍內連續運行，脫硝效率不小于85%。研究結果表明，在100%負荷工況下，SCR入口煙溫375℃，脫硝效率為85.31%。在35%負荷工況下，SCR入口煙溫275℃，脫硝效率為85.05%。使用該新型寬溫催化劑可保證燃煤電廠機組在全負荷工況下的脫硝需求，但需增加一定的投資。

脫硝；SCR；寬溫催化劑；全負荷

1 前言

我國一次能源消費以煤炭為主，一次能源結構決定了我國的電力結構是以煤電為主，2015年底全國火電裝機容量9.9× 108kW[1]。火電廠煤燃燒會產生大量的氮氧化物（nitrogen oxides，NOx），氮氧化物不僅危害人體健康，也是導致酸雨、光化學煙霧和霧霾的主要前驅體物[2-3]。為了降低氮氧化物對環境的影響，燃煤電廠多采用以選擇性催化還原（SCR）技術為主的氮氧化物控制技術。截至2014年底，已投運火電廠煙氣脫硝機組容量約6.87×108kW，占全國火電機組容量的75.0%，占全國煤電機組容量的83.2%[4]。

絕大多數SCR采用的催化劑對煙氣溫度有要求，當機組低負荷運行時（煙氣溫度低于300℃），催化劑活性下降，脫硝效率下降，氨逃逸率上升，生成的硫酸氫銨造成空預器堵塞，影響機組的安全穩定運行。為了避免低負荷下脫硝系統對機組的不利影響，發電企業多采取脫硝系統低負荷停止運行的策略。針對發電企業在低負荷退出運行脫硝系統的問題，環境保護部發文要求，火電廠在任何運行負荷時，都必須達標排放。脫硝系統無法運行導致的氮氧化物排放濃度高于排放限值要求的，應認定為超標排放，并依法予以處罰[5]。為使煙溫滿足SCR全負荷脫硝的常規措施主要是對鍋爐/汽輪機進行改造，包括省煤器水側旁路改造、省煤器煙氣側旁路改造、省煤器分級改造、汽輪機高壓缸抽汽回熱等技術[6~9]。上述措施費用較高、工期長，對機組的熱效率和穩定運行有一定的影響。研究SCR催化劑在低負荷低煙溫下的適用性，對于解決燃煤電廠全負荷脫硝具有重要意義，本文對新型寬溫催化劑在燃煤電廠全負荷脫硝中的應用進行研究。

2 寬溫催化劑及示范工程介紹

常規催化劑的連續運行溫度為310℃～420℃，當機組低負荷運行時（煙溫低于300℃），常規催化劑無法滿足脫硝需求。浙江天地環保科技有限公司牽頭研制的寬溫催化劑其連續運行溫度為275℃～420℃，可滿足機組低負荷運行時的脫硝需求。

溫州電廠5號機組于2005年建成投產，并于2015年實施超低排放改造，每臺反應器安裝兩層新的寬溫催化劑替換原有舊催化劑，進行全負荷脫硝應用示范。

3 示范工程測試結果

3.1 測試方法

3.1.1 脫硝效率

在SCR反應器的入口和出口煙道截面，分別采用等截面網格法布置煙氣取樣點。對SCR脫硝反應器的進出口各測點逐點測試，主要測試煙氣中的NOx濃度和O2含量。將各網格點NOx濃度折成同一氧量下的濃度再進行算術平均，其結果為該截面NOx濃度值。

脫硝效率按如下公式計算：

式中：η——脫硝裝置的脫硝效率，%；

c1——折算到標準狀態、6%O2下的進口煙氣NOx濃度，mg/Nm3；

c2——折算到標準狀態、6%O2下的出口煙氣NOx濃度，mg/Nm3。

3.1.2 氨逃逸

在SCR反應器出口測點位置測試，每個測量面的測點數不少于三點。測試方法參照《燃煤電廠煙氣脫硝裝置性能驗收試驗規范》DL/T260-2012附錄B。

通過化學分析，按照如下公式得出煙氣中氨逃逸濃度：

氨逃逸按如下公式計算：

式中：C—氨逃逸濃度，ppm；

3.1.3 SO2/SO3轉化率

煙氣中SO2的采樣方法執行GB/T 16157和HJ/T 47的規定，煙氣中SO3的采樣方法參照執行DL/T 998附錄A的規定。通過測量SCR進口的SO2、SO3和出口的SO3濃度，通過計算得到。

SO2/SO3轉化率按如下公式計算：

式中：X—煙氣脫硝系統SO2/SO3轉化率，%；

3.2 試驗結果

通過對SCR反應器進出口氮氧化物濃度、氧量、氨氣、SO2/ SO3濃度進行測量，計算出SCR的脫硝效率、氨逃逸率、SO2/SO3轉化率，結果見表1。

注：SO2/SO3的化率對溫度變化敏感，溫度越高，轉化率越高。由于滿負荷工況下SO2/SO3轉化率不超過1%，因此在最低穩燃負荷工況下，主要測試脫硝效率和氨逃逸率。

從表中的結果可知溫州電廠選用的寬溫催化劑在全負荷工況運行下的脫硝效率、氨逃逸率、SO2/SO3轉化率均達到要求，滿足全負荷脫硝的需求。

4 工程實施方案

鳳臺電廠一期共裝設2臺630MW超臨界燃煤機組，分別于2012年12月和2013年6月完成了脫硝系統改造。原有催化劑的參數見表2，SCR入口煙氣參數見表3。

表2 原有催化劑主要技術參數

表3 SCR入口煙氣參數

鳳臺電廠計劃于2016年對一期#1、#2機組進行超低排放改造，按脫硝系統入口NOX濃度330mg/Nm3，脫硝效率87%設計，SCR脫硝裝置出口NOx濃度保證不大于50mg/Nm3，脫硝改造主要有以下兩個方案。

4.1 技術方案

方案一：

脫硝提效改造按在50%THA負荷以上投入脫硝系統進行設計，利舊原有兩層催化劑，更換破損催化劑單元，并在SCR反應器預留層新增一層常規催化劑。

方案二：

#1機組：將原有兩層催化劑更換為寬溫催化劑，改造后可滿足機組在最低穩燃負荷以上投入脫硝系統。

#2機組：將初裝兩層催化劑整合成第一層，將#1機組初裝兩層催化劑整合成第二層，并在預留層新增一層常規催化劑，改造后可滿足機組在50%THA負荷以上投入脫硝系統。改造方案技術參數見表4。

表4 改造方案技術參數

注：#1機組初裝兩層催化劑的破損量按10%考慮，#2機組初裝兩層催化劑破損較嚴重按50%考慮

4.2 經濟分析

寬溫催化劑價格要高于常溫催化劑，使用寬溫催化劑會增加投資，兩個方案費用對比見表5。

表5 各方案費用對比(萬元)

從上表可知方案二的改造費用比方案一高出921.83萬元。

5 結語

從寬溫催化劑示范工程的測試結果可知寬溫催化劑能夠滿足鍋爐在全負荷工況運行下的脫硝效率、氨逃逸率、SO2/SO3轉化率的要求，從鳳臺電廠脫硝改造方案比選可知使用寬溫催化劑會增加一定的投資。鑒于環保要求的不斷提高，全負荷脫硝勢在必行。因此，鳳臺電廠脫硝改造考慮使用寬溫催化劑。

寬溫催化劑已經被證明在275℃～420℃溫度區間可能穩定運行。為了實現機組的全負荷脫硝，除了采用省煤器水側旁路、省煤器煙氣旁路、省煤器分級等技術措施外，使用寬溫催化劑也是一種可供借鑒的選擇。

[1]國家能源局.2015年全國6000千瓦及以上電廠發電設備平均利用小時情況.2016,1,29.

[2]Zhen Cheng,Jingkun Jiang,Oscar Fajardo.Characteristics and health impacts of particulatematter pollution in China(2001-2011) [J].2012,Atmospheric Environment,65(2013):186-194.

[3]國家統計局能源統計司.中國能源統計年鑒2013[R].北京:中國統計出版社,2013.

[4]中國電力企業聯合會.中電聯發布2014年度火電廠環保產業信息.2015,5,7.

[5]環境保護部.關于火電廠SCR脫硝系統在鍋爐低負荷運行情況下NOx排放超標有關問題的復函環函[2015]143號.2015,6,19.

[6]閆超,張蘭華.1000MW機組全負荷低NOx排放優化.電力科學與工程,2015,12,31(12):61-65.

[7]羅江勇,呂新樂,邊鵬飛,韓琪.600MW超臨界鍋爐全負荷工況脫硝改造方案探討.山東電力技術,2015,10,42（214）:61-66.

[8]高偉,宋寶軍.1000MW超超臨界鍋爐全負荷投運SCR技術方案探討.鍋爐制造,2015,1(1):37-39.

[9]黃文靜,戴蘇峰,艾春美,康志宏.電站燃煤鍋爐全負荷SCR脫硝控制技術探討.節能技術,2015,3,2,33（190）：189-192.