火電機組全時段脫硝技術創新與應用

華電章丘發電有限公司 山東 章丘 250216

一、背景

為貫徹《中華人民共和國大氣污染防治法》,改善大氣環境質量,滿足氮氧化物排放濃度要求,燃煤機組均設有SCR脫硝裝置,脫硝催化劑通常工作溫度范圍在300～420℃之間,超過溫度范圍催化劑將不能發揮其應有的作用。

為保證鍋爐正常啟動并滿足啟動階段爐膛出口氮氧化物排放濃度小時均值不超標,電廠在爐膛升溫至正常投粉溫度時需采用燃油替代煤粉燃燒,直至SCR入口煙溫達到脫硝投運條件,投油運行時間長,給下游催化劑運行帶來了安全風險,造成下游布袋堵塞、脫硫漿液中毒等危害。

如何使燃煤機組在深度調峰、低負荷運行和開停機過程中投入脫硝裝置保證超低排放,滿足氮氧化物排放濃度達標成為了亟待解決的問題。

二、國內外研究現狀

為達到燃煤機組在低負荷運行時脫硝裝置仍能投入,保證氮氧化物達標排放,國內外做了大量研究。研究方向主要集中在一是采用寬溫度區間的催化劑(簡稱寬溫催化劑),二是提高SCR反應器入口煙氣溫度。

(一)寬溫催化劑技術。寬溫催化劑是催化劑制造商對催化劑耐低溫性能進行研究,開發出在低溫環境下催化效果仍能滿足脫硝要求的新型催化劑。寬溫催化劑目前已有相應的產品在浙江溫州電廠進行了試用,采用寬溫催化劑的脫硝效率均不小于85%,氨逃逸率不大于3ppm,SO2/SO3轉化率小于1%[1]。由于該技術在國內應用較少,成熟度較低,可靠性還有待進一步驗證。

(二)SCR入口煙溫提升技術。提高SCR反應器入口煙溫是通過熱力系統或煙氣系統改造,提高機組低負荷工況下脫硝裝置入口煙氣溫度,以滿足脫硝投運要求,目前主要有省煤器煙道旁路、省煤器水旁路和增設0號高加等。

1.省煤器煙道旁路。省煤器煙道旁路是在省煤器或再熱器中適當位置引一路高溫煙氣至脫硝SCR裝置的入口,并在旁路煙道上增加調節擋板。低負荷時,打開調節擋板,一部分未參與換熱的煙氣直接經旁路進入SCR裝置進口,以提高省煤器出口的煙氣溫度[2]。從目前應用的情況看,采用省煤器煙道旁路投資成本相對較低,可調溫幅度一般為0～40℃,但旁路調節擋板受高溫煙氣的影響,長時間運行后其可靠性會變差,使系統的可靠性較低。

2.省煤器水側旁路。省煤器水側旁路方案是將一部分給水從進入省煤器的給水管道接出,增加一旁路到省煤器懸吊管出口集箱,從而減少參與在省煤器與煙氣換熱的水量,使煙氣通過省煤器后,減少放熱量,達到脫硝系統入口煙溫要求[3]。

3.增設0號高加。該方案是在1號高加前增設0號高加,用高壓缸抽汽加熱給水。該方案的主要優點是:在低負荷時,可穩定提高進入低溫省煤器的給水溫度,減少給水在省煤器中的換熱,提高煙氣溫度。但該方案投資成本較高,且溫度提升幅度一般。

上述幾種方案都是研究低負荷時如何使脫硝裝置不退出,國內雖然應對機組低負荷脫硝存在多種技術,但適用于機組低負荷和啟停機全時段的脫硝技術仍未存在,故開發同時滿足低負荷和啟停機脫硝運行條件的全時段脫硝技術迫在眉睫。

三、技術應用

(一)技術原理。采用煙道加熱技術的主要技術原理為:煙道外部引入熱源直接加熱主煙氣,使SCR入口煙道溫度達到300℃以上,或將外部燃燒的燃氣通過二次冷介質摻混使高溫燃氣降低至500℃左右再進入主煙道與主煙道內的煙氣進行傳熱傳質后,使SCR入口煙道溫度達到300℃以上,從而滿足脫硝投運的要求。

(二)方案選擇

1.煙道電加熱。該方案優點:系統簡單,省去燃燒機等復雜設備,不會給原煙道內煙氣增加額外煙氣成分;加熱溫度可控性好;安全性好。缺點:加熱需要的電功率巨大,浪費寶貴的電能資源;投資較大,現有的廠用電容量不足,需要新增大容量變壓器及配電設施;電加熱器所需空間較大,現場布置困難,且增加煙道額外阻力。

2.鄰爐煙氣加熱。該方案優點:能耗低、安全性較好。缺點:聯絡煙道尺寸龐大,現場布置困難,輸送煙氣的風機選型困難。該方案受制于臨爐的運行狀態,對鄰爐煙氣系統的溫度、壓力、流量參數帶來較大影響。

3.導熱油/熔鹽加熱。該方案系統復雜,新增的煙道加熱器現場難以布置,且增加煙道阻力。導熱油、熔鹽泄漏可能會帶來污染,導熱油、熔鹽鍋爐燃燒產生煙氣也會帶來污染。

4.引入外部燃燒器。該方案是用燃燒器作熱源,產生的高溫煙氣直接摻混加熱主煙道冷煙氣。該方案投資小、系統簡單、安全性高、能耗低。

綜上分析4種方案的優劣,從經濟性、安全性、可靠性上對比,選擇第四種方案對章丘公司4號機組進行改造。

(三)技術方案的實施

1.方案工藝。煙道外部完成燃料燃燒,通過旁路冷煙氣摻混使高溫燃氣降低至500～600℃左右再進入主煙道與主煙道內的煙氣進行傳熱傳質后,SCR入口煙道溫度達到300℃以上。

2.試驗結果

(1)省煤器出口最低溫度150℃時,全時段脫硝系統投運后可使脫硝入口溫度達到300攝氏度以上,整個啟動過程中省煤器出口煙溫最大提升幅度達150℃以上,機組在投粉前脫硝可滿足投運要求;

(2)試驗期間通過調整全時段脫硝系統出力,脫硝入口煙溫溫度升溫速率達到4～6℃/min;

(3)在停機降負荷過程中,機組不投油穩燃負荷在83MW,系統能滿足SCR投運條件。

四、結論

通過改造,4號機組每年能獲得298萬元的深度調峰補償收益。通過系統改造減少了機組全時段(尤其是啟停機階段)的污染物排放,帶來較好的環境效益。減少燃油耗量可減少其副產物對下游設備的污染,降低催化劑燒損風險,減緩燃油對下游布袋堵塞和脫硫漿液中毒等危害。減少燃油對大氣的污染,也會帶來較大的安全、環境及社會效益,具有極大的推廣應用價值。