火電機組深度調峰下的寬負荷脫硝

趙日曉

摘? ?要：本文從已經商用的成熟技術以及正在研發、但尚未規模化商用的先進技術兩方面，對火電機組進行深度調峰改造的一個重要掣肘因素——寬負荷脫硝的技術路線和技術趨勢，進行了詳細深入地分析介紹。新能源的消納是當下制約我國新能源產業發展的一個關鍵因素。破解消納問題，一般可以從提升電源調峰能力，調整風電、光伏布局、加強電網互濟和強化負荷側管理等多個方面采取措施，其中提升電源調峰能力至關重要。

關鍵詞：火電? 深度調峰? 脫硝? 催化

中圖分類號：TM623.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）10（c）-0015-02

新能源的消納是當下制約我國新能源產業發展的一個關鍵因素。破解消納問題，一般可以從提升電源調峰能力，調整風電、光伏布局、加強電網互濟和強化負荷側管理等多個方面采取措施，其中提升電源調峰能力至關重要。對于火電機組來說，目前制約其進行深度調峰的一個主要困難就是如何確保機組在低負荷時，滿足正常脫硝的最低溫度，即機組的寬負荷脫硝問題。

1? 寬負荷SCR脫硝技術

煙氣溫度是選擇性催化還原法（Selective Catalytic Reduction，SCR）脫除煙氣氮氧化物的重要影響因素[1-2]，當催化劑處于300℃～400℃溫度窗口下，催化劑具有選擇催化活性，而深度調峰工況下的煙氣溫度條件往往不能滿足該窗口溫度[3]，這是催化劑在調峰工況下脫硝難以穩定投入的根本矛盾。化解上述矛盾需從兩方面著手：其一，綜合利用各種調節控制手段，提高深度調峰工況下SCR入口（即省煤器出口）的煙氣溫度;其二，研發新的低溫催化劑或者利用污染物協同多脫工藝，來降低NOx的脫除反應溫度。

1.1 提高SCR入口處煙氣溫度

提高SCR入口處的煙氣溫度，是當前全負荷脫硝的一個主要應用方向[3]。具體來說：第一，在深度調峰時盡量提高爐膛出口處煙溫;第二，減少煙氣在到達SCR入口過程中向其它介質進行熱量傳遞;第三，引入如高溫煙氣和高溫蒸汽等外加熱源。

1.1.1 提高爐膛出口處的煙氣溫度

深度調峰時，摻燒低熱值、高水分的煤種，增加一、二次風供應，可以降低高溫煙氣對爐膛換熱面的輻射及對流換熱強度，提高SCR的入口煙氣溫度[4]。除此之外，其它手段，如停運底層磨煤機、增加上層磨煤機運行臺數，調整燃燒器擺角提高爐膛火焰中心，適當提高氧量，調整SOFA風擺角等，都有助于提高爐膛出口的煙氣溫度，一定程度上提高SCR入口處的煙氣溫度[5]。

1.1.2 減少爐膛出口至SCR入口煙氣的熱量傳遞

高溫煙氣從爐膛出口流出后，經過過熱器、再熱器、省煤器等換熱設備后到達SCR入口。煙氣在此流動過程中，適當減少過熱器、再熱器、省煤器等設備的換熱量可以有效提高SCR催化劑入口處的煙氣溫度，也是現階段火電企業最多應用的全負荷脫硝改造手段。具體地，這些改造手段包括省煤器旁路改造、省煤器分級改造、省煤器給水改造等路線方法。

省煤器旁路改造，是將鍋爐省煤器前的部分高溫煙氣，通過旁路煙道直接送入SCR系統前端，該煙氣與原有煙氣在SCR前端的噴氨格柵和靜態混合器中均勻混合升溫后進入SCR反應系統。省煤器分級是將原有省煤器切分為前后兩級，將SCR系統接入兩級省煤器之間。這種方式也能減少煙氣與省煤器的熱量交換，提高SCR入口處的煙氣溫度。該技術工程上運用較多，已比較成熟。省煤器給水改造其實質是引入了外熱源來提高省煤器給水溫度，減少省煤器換熱溫差來提高煙氣的溫度，詳情請見下節。

1.1.3 引入外加熱源

通過引入外加熱源提高SCR入口側煙溫，分為從煙氣側引入和從給水側引入兩類。煙氣側引入外熱源時，設置外置燃油或者燃氣煙道，通過燃油與燃氣產生的高溫煙氣，混合原有煙氣加入到SCR反應器，提高反應器中的煙氣溫度。給水側引入外熱源方面，主要是通過對省煤器給水進行加熱，減少給水在省煤器中的吸熱量，以提高鍋爐省煤器出口的煙氣溫度。現階段應用較多的具體方案是，在電廠汽機房增設0號高加，在深度調峰時，投入0號高加加熱省煤器給水，提高SCR反應的煙氣溫度。對于亞臨界汽包鍋爐，利用爐水循環泵，將部分高溫水送至省煤器水側進口聯箱，也能夠提高進入省煤器的給水溫度。

1.2 先進脫硝技術

目前，不少的科研機構正在研發新的催化劑配方及制備工藝，或者利用先進的污染物協同多脫工藝，來降低NOx的脫除反應溫度，實現寬負荷脫硝。但目前這些技術受制于當前的原材料、設備工藝以及應用成本等因素還難以規模化商用。

1.2.1 低溫脫硝催化劑

低溫脫硝催化劑的研發是兩個主要方向，一是催化劑活性組分調整，目前國內外正在研發的低溫脫硝催化劑多為錳基、鈰基以及釩基催化劑。前兩者在溫度較低時催化活性高但容易失活。釩基催化劑活性溫度難以有效拓寬，反應溫度較低時脫硝效率低。二是對現有SCR催化劑進行優化，既包括催化劑制備過程中對前驅物、對負載量的控制以及對制備方法的擇優改進;也包括在常規催化劑基礎上，通過引入其它金屬氧化物（MnOx， CeOx）或者非金屬物質（C， F， SiO2， SO42-），對催化劑載體和活性組分進行改性[2]，提高催化劑性能。

1.2.2 多種污染物的協同脫除——過氧化氫（H2O2）和臭氧（O3）

燃煤鍋爐煙氣中的大部分氮氧化物（>95%）都以水溶性較差的氣相NO形式存在，利用強氧化劑將其氧化為水溶性較好的高價態氮氧化物，結合后部的脫硫塔等設備與SO2進行協同脫除，是目前較為先進的技術思路。現階段，研究者主要關注和重視的氧化劑有H2O2和O3，這兩種氧化劑均可在低溫區間（90℃～280℃），在催化劑表面分解產生強氧化性自由基（如·OH，·O等），對NO進行有效的氧化。此外，該方法還對煙氣中的SO2以及汞單質（Hg0）有一定的協同脫除能力。

1.2.3 富氧燃燒技術

富氧燃燒是將含氧量高于21%的空氣送入鍋爐參與燃燒，該技術使鍋爐燃燒具有較高的燃燒溫度和燃盡度，減少了CO和NOx的排放。在進行深度調峰時，進行富氧燃燒，對低負荷穩燃以及提高爐膛出口煙氣溫度進而提高SCR反應溫度都有作用。但該技術目前囿于空分系統的大型化等系統難題而并未得到規模化商用。

2? 結語

本文對機組進行深度調峰改造的一個重要掣肘因素——寬負荷脫硝，從已經有所應用的提高SCR入口煙溫技術，以及正在研發、但尚未規模化商用的先進低溫脫硝科技兩方面進行了分析介紹。文中涉及多種技術路線的寬負荷脫硝技術，這也凸顯出了進行寬負荷脫硝改造的復雜性和艱巨性。各火電機組需要最大程度地選擇適用于本機組的改造技術，才能不斷挖掘機組調峰潛力，實現經濟效益與社會效益的共利共贏。

參考文獻

[1] 甘麗娜.低溫V2O5-WO3/TiO2脫硝催化劑開發與應用研究[D].中國科學院大學，2016.

[2] 陳華桂，何育生，戴興干.現役燃煤機組全工況脫硝技術比較[J].電力工程技術，2017，36（5）：160-163.

[3] 王軍民.600MW超臨界機組鍋爐寬負荷脫硝技術的探索及實踐[J].浙江電力，2017，36（7）：24-28.

[4] 章義發，陸明智，彭萬生，等.哈爾濱600 MW超臨界鍋爐低負荷期間脫硝運行研究[J].發電技術，2014（4）：36-38.

[5] 馬強.煙氣中多種污染物超低排放的活性分子氧化及一體化脫除機理研究[D].浙江大學，2016.