寬負(fù)荷脫硝煙氣旁路的選擇與實(shí)踐運(yùn)用

楊凱 孫偉晉 楊志強(qiáng) 李廣斌 邱德來(lái)

摘 要： 隨著環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，火力發(fā)電廠的氮氧化物（NOx）排放控制成為了一項(xiàng)重要任務(wù)。寬負(fù)荷脫硝技術(shù)作為降低NOx排放的有效手段，在火力發(fā)電廠得到了廣泛應(yīng)用。而煙氣旁路作為寬負(fù)荷脫硝系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)系統(tǒng)性能和運(yùn)行穩(wěn)定性具有重要影響。對(duì)寬負(fù)荷脫硝煙氣旁路的選擇與實(shí)踐運(yùn)用進(jìn)行探討，以期為相關(guān)工程實(shí)踐提供參考。

關(guān)鍵詞： 寬負(fù)荷脫硝技術(shù) 煙氣旁路 選擇 實(shí)踐應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)： X773文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 1679-3567（2024）05-0058-03

Selection and Practical Application of the Flue Gas Bypass of Wide-Load Denitration

YANG Kai1 SUN Weijin2 YANG Zhiqiang1 LI Guangbin1 QIU Delai2

1.Guoneng Sanhe Power Generation Co.， Ltd.， Langfang， Hebei Province， 065201 China； 2.Yantai Longyuan Power Technology Co.， Ltd.， Yantai， Shandong Province， 264006 China

Abstract： With the increasingly strict requirements of environmental protection， nitrogen oxide （NOx） emission control in thermal power plants has become an important task. As an effective means to reduce NOx emissions， wide-load denitration technology has been widely used in thermal power plants. As an important part of the wideload denitration system， the flue gas bypass has an important effect on the performance and operational stability of the system. The selection and practical application of the flue gas bypass of wide-load denitration are discussed， in order to provide reference for related engineering practice.

Key Words： Wide-load denitration technology； Flue gas bypass； Selection； Practical application

寬負(fù)荷脫硝煙氣旁路技術(shù)是一種在熱電領(lǐng)域中應(yīng)用的靈活性改造方案，旨在解決發(fā)電側(cè)與用戶(hù)側(cè)的熱電矛盾，并助力大氣污染防治。面對(duì)日益嚴(yán)格的環(huán)保要求，該技術(shù)為挖掘燃煤機(jī)組調(diào)峰潛力提供了有效手段。在深度調(diào)峰時(shí)，由于機(jī)組脫硝系統(tǒng)的正常投入存在問(wèn)題，環(huán)保指標(biāo)存在不達(dá)標(biāo)的問(wèn)題。而寬負(fù)荷脫硝煙氣旁路技術(shù)的實(shí)踐運(yùn)用能緩解這一問(wèn)題，保證NOx排放在鍋爐啟動(dòng)、停運(yùn)等各個(gè)階段負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)，避免因排放超標(biāo)而受到的環(huán)保處罰，從而實(shí)現(xiàn)熱電行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1]。

1 寬負(fù)荷脫硝煙氣旁路應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 背景與現(xiàn)狀

在火電廠運(yùn)行過(guò)程中，燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔庵泻写罅康牡趸铮@些物質(zhì)對(duì)環(huán)境和人體健康造成嚴(yán)重影響。在現(xiàn)代火電廠管理期間，選擇應(yīng)用脫硝技術(shù)，是較為有效的手段之一，能夠有效的減少污染物排放。市場(chǎng)上廣泛應(yīng)用的脫硝催化劑通常需要在較高的溫度下運(yùn)行，由于催化劑在固定的溫度范圍內(nèi)會(huì)表現(xiàn)出最佳的活性和穩(wěn)定性，所以在設(shè)計(jì)期間，多將運(yùn)行溫度范圍維系在320～420 ℃之間，有效地將煙氣中的氮氧化物轉(zhuǎn)化為無(wú)害的氮和水。然而，在某些情況下，煙氣溫度會(huì)降低到低于催化劑的最低運(yùn)行溫度。這樣的情況下，為了保證催化劑的安全和效率，脫硝裝置會(huì)暫停噴氨操作[2]。暫停發(fā)操作表示在溫度低于320 ℃時(shí)，不會(huì)向煙氣中噴入氨氣進(jìn)行脫硝反應(yīng)。

1.2 寬負(fù)荷脫硝煙氣旁路問(wèn)題與原因

寬負(fù)荷脫硝煙氣旁路問(wèn)題出現(xiàn)的原因，多是煙氣溫度變化、催化劑設(shè)計(jì)局限以及系統(tǒng)應(yīng)對(duì)策略的缺乏。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷降低，燃燒過(guò)程熱量減少，省煤器出口的煙氣溫度隨之下降，這一變化導(dǎo)致脫硝系統(tǒng)難以滿足運(yùn)行要求。此外，市場(chǎng)上常用的脫硝催化劑設(shè)計(jì)運(yùn)行溫度在320～420 ℃之間，一旦煙氣溫度低于這一范圍，催化劑的效率和安全性就會(huì)受到影響。在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，火電廠在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)如何確保脫硝系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行并滿足環(huán)保要求，仍然有待解決。部分火電廠由于缺乏有效的應(yīng)對(duì)策略，不得不在低負(fù)荷時(shí)暫停脫硝系統(tǒng)，從而影響環(huán)保超低排放目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[3]。

2 寬負(fù)荷脫硝煙氣旁路改造的必要性

2.1 增強(qiáng)系統(tǒng)適應(yīng)性

通過(guò)寬負(fù)荷脫硝煙氣旁路改造，可以根據(jù)煤質(zhì)和環(huán)境溫度的變化調(diào)整煙氣旁路的開(kāi)度。當(dāng)煤質(zhì)較差或環(huán)境溫度較高時(shí)，煤燃燒產(chǎn)生的煙氣溫度會(huì)升高，此時(shí)增大煙氣旁路的開(kāi)度，將一部分高溫?zé)煔饫@過(guò)SCR裝置，降低催化劑所受到的溫度沖擊和損傷。當(dāng)煤質(zhì)較好或環(huán)境溫度較低時(shí)，可減小煙氣旁路的開(kāi)度，保持更多的煙氣經(jīng)過(guò)SCR裝置進(jìn)行催化反應(yīng)，提高脫硝效率。靈活調(diào)整煙氣旁路的開(kāi)度，使系統(tǒng)在不同的運(yùn)行條件下都能達(dá)到較高的脫硝效率，使火電廠適應(yīng)煤質(zhì)和環(huán)境溫度變化的要求，同時(shí)還保持SCR催化劑始終在最佳活性溫度范圍內(nèi)工作，提高脫硝效率。

2.2 實(shí)現(xiàn)機(jī)組深度調(diào)峰

在鍋爐啟動(dòng)階段，由于負(fù)荷從低到高的迅速增加，煤燃燒引起的煙氣溫度急劇上升。此時(shí)，煙氣直接進(jìn)入SCR裝置會(huì)導(dǎo)致催化劑受到較大的溫度沖擊和損傷，甚至出現(xiàn)硫酸鹽結(jié)晶等問(wèn)題。通過(guò)寬負(fù)荷脫硝煙氣旁路改造，可以將一部分高溫?zé)煔饫@過(guò)SCR裝置，使其不直接進(jìn)入催化劑反應(yīng)區(qū)域，降低催化劑所受到的溫度沖擊，并保證催化劑始終處于高效活性溫度區(qū)間。在鍋爐停運(yùn)階段，負(fù)荷從高到低的迅速下降會(huì)導(dǎo)致煤燃燒減弱，煙氣溫度急劇下降。如果此時(shí)煙氣直接進(jìn)入SCR裝置，催化劑的活性會(huì)降低，脫硝效率也將受到影響。在寬負(fù)荷脫硝煙氣旁路改造后，可調(diào)整煙氣旁路的開(kāi)度，將一部分低溫?zé)煔饫@過(guò)SCR裝置，保持催化劑在較高溫度下工作[4]。

3 寬負(fù)荷脫硝煙氣旁路選擇與改造

3.1 省煤器煙氣旁路

加設(shè)包墻彎管和旁路煙道，將高溫?zé)煔庖朊撓跞肟跓煹纼?nèi)進(jìn)行混合。這一改造的目的是提高鍋爐的脫硝效率，減少氮氧化物的排放。然而，該方案涉及到鍋爐結(jié)構(gòu)的改動(dòng)，需要謹(jǐn)慎評(píng)估其對(duì)鍋爐安全性和經(jīng)濟(jì)性的影響。在包墻上開(kāi)孔并加設(shè)開(kāi)孔彎管，需要根據(jù)鍋爐現(xiàn)有燃用煤質(zhì)、尾部受熱面布置結(jié)構(gòu)等因素進(jìn)行熱力計(jì)算、煙溫計(jì)算、煙風(fēng)阻力計(jì)算等，以確保改造后的鍋爐能夠安全運(yùn)行。此外，為了防止煙氣對(duì)開(kāi)孔管子的磨損，還需要增加相應(yīng)的防磨措施，這可能會(huì)增加改造的成本和復(fù)雜性。

增加旁路煙道需要對(duì)原鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新校核，以確保其能夠承受新增的荷載。如果原有鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度不足，需要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，這會(huì)涉及到更多的改造工作和成本。同時(shí)，新增煙道的支吊點(diǎn)位置也需要通過(guò)計(jì)算確認(rèn)，以保證其穩(wěn)定性和安全性。同時(shí)，為了方便新增加煙道的檢修，需要額外增加部分平臺(tái)和扶梯。一方面增加改造的成本，另一方面影響鍋爐的整體美觀和緊湊性。因此，在設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中，需要綜合考慮各種因素，既保證改造后的鍋爐既能夠滿足環(huán)保要求，又能夠保持較高的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

3.2 省煤器分級(jí)

調(diào)整省煤器的布置和分級(jí)改造，能夠提高SCR反應(yīng)器入口煙溫，使脫硝裝置在正常運(yùn)行的最低穩(wěn)然負(fù)荷以上所有負(fù)荷下能夠正常工作。根據(jù)脫硝裝置入口煙氣溫度的要求，將原有省煤器分成兩級(jí)并重新進(jìn)行熱力計(jì)算，可以更加精確地控制煙氣溫度，滿足脫硝裝置的運(yùn)行需求[5]。部分拆除原省煤器并在SCR反應(yīng)器后增設(shè)一級(jí)省煤器，進(jìn)一步調(diào)整煙氣的溫度分布，讓SCR反應(yīng)器在適宜的溫度窗口內(nèi)運(yùn)行。給水管道改至位于SCR反應(yīng)器后的新增省煤器入口處，并采用大口徑連接管道進(jìn)行連接，減少SCR反應(yīng)器前省煤器的吸熱量，提高SCR反應(yīng)器入口煙溫。通常情況下，省煤器分級(jí)改造對(duì)鍋爐效率既不會(huì)帶來(lái)負(fù)面影響，也不會(huì)帶來(lái)正面影響，表示改造方案在提高鍋爐環(huán)保性能的同時(shí)，不會(huì)對(duì)其經(jīng)濟(jì)性造成顯著影響。

3.3 省煤器水側(cè)旁路系統(tǒng)

省煤器水側(cè)旁路方案系統(tǒng)流程見(jiàn)圖1。

通過(guò)在自給水管路上接入旁路管道，并將其連接至省煤器出口連接管，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)的高效調(diào)節(jié)。這一改造方案配備了控制閥、截止閥等閥門(mén)，從而精確控制省煤器的旁路水量，進(jìn)而調(diào)控通過(guò)旁路的給水流量。由于旁路工質(zhì)不再經(jīng)過(guò)爐內(nèi)煙氣的換熱過(guò)程，因此省煤器的換熱量得以降低，這直接導(dǎo)致了省煤器出口煙溫的提升。這一改進(jìn)不僅優(yōu)化了系統(tǒng)的熱效率，還有助于提高整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。旁路水量設(shè)置了調(diào)節(jié)閥，這使其在變負(fù)荷工況下靈活調(diào)整旁路水量，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)省煤器出口煙溫的精確調(diào)控。這樣，無(wú)論是在滿負(fù)荷還是部分負(fù)荷工況下，都能確保系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定運(yùn)行，從而延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，并降低運(yùn)行成本。

省煤器入口熱水再循環(huán)方案系統(tǒng)流程如圖2所示。在負(fù)荷進(jìn)一步下降的情況下，單純通過(guò)給水旁路已無(wú)法滿足提高煙溫的要求。為了解決這一問(wèn)題，采用省煤器熱水再循環(huán)系統(tǒng)成為一種有效的解決方案。這一系統(tǒng)通過(guò)引出汽包下降管上合適位置的再循環(huán)管路，將熱水混合后經(jīng)過(guò)新增加的再循環(huán)泵加壓，然后引入給水管路，以實(shí)現(xiàn)該工況下省煤器入口工質(zhì)流量的最優(yōu)化。

熱水再循環(huán)系統(tǒng)的工作原理是提高省煤器進(jìn)口水溫，減小省煤器水側(cè)與煙氣側(cè)的傳熱溫差，從而減少省煤器的吸熱量，最終達(dá)到提高省煤器出口煙氣溫度的目的。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，熱水再循環(huán)流量需要根據(jù)省煤器出口煙溫進(jìn)行精確控制。

4 寬負(fù)荷脫硝煙氣旁路應(yīng)用總體預(yù)期效果

旁路煙道的調(diào)節(jié)作用如同一個(gè)智能的閥門(mén)，根據(jù)煙氣參數(shù)的實(shí)時(shí)變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)旁路煙道的開(kāi)度，確保主煙道的煙氣流量和溫度穩(wěn)定在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。這種調(diào)節(jié)機(jī)制保障了脫硝系統(tǒng)始終在最佳狀態(tài)下運(yùn)行，從而顯著提高了脫硝效率。在實(shí)際應(yīng)用中，采用旁路煙道技術(shù)的脫硝系統(tǒng)展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，其脫硝效率比傳統(tǒng)方法提高了10%以上，這一數(shù)據(jù)充分證明了旁路煙道技術(shù)的有效性。對(duì)于任何一項(xiàng)技術(shù)，其經(jīng)濟(jì)價(jià)值都是不可忽視的。旁路煙道技術(shù)在這方面同樣表現(xiàn)出色。首先，通過(guò)智能調(diào)節(jié)減少不必要的能耗和物耗，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置。其次，旁路煙道在設(shè)計(jì)中就考慮到了其作為備用通道的功能。當(dāng)主煙道出現(xiàn)故障時(shí)，旁路煙道可以快速接管煙氣流通，避免電廠因維修而停產(chǎn)，從而減少了維修帶來(lái)的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失。煙氣參數(shù)受到燃煤種類(lèi)、鍋爐負(fù)荷、環(huán)境溫度等多種因素的影響。在這樣的背景下，一個(gè)能夠適應(yīng)各種工況的脫硝系統(tǒng)顯得尤為重要。旁路煙道技術(shù)的引入正好滿足了這一需求。它可以根據(jù)煙氣參數(shù)的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)，確保在各種工況下，脫硝系統(tǒng)都能保持穩(wěn)定和高效。這種自適應(yīng)的特性大大增強(qiáng)了脫硝系統(tǒng)的適應(yīng)性，使其在各種復(fù)雜環(huán)境下都能發(fā)揮出色。

5 結(jié)語(yǔ)

寬負(fù)荷脫硝煙氣旁路的選擇與實(shí)踐運(yùn)用，對(duì)于火電廠的環(huán)保和高效運(yùn)行具有重要意義。通過(guò)選擇合適的技術(shù)方案，并進(jìn)行工程實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)這種旁路系統(tǒng)能夠顯著提高鍋爐在不同負(fù)荷下的脫硝效率，保證煙氣溫度滿足催化劑的要求，同時(shí)提高機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行能力。在未來(lái)的工作中，將繼續(xù)優(yōu)化旁路設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性，為火電廠的可持續(xù)發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。總之，寬負(fù)荷脫硝煙氣旁路的應(yīng)用是火電廠環(huán)保技術(shù)的重要突破，將助力我國(guó)電力工業(yè)實(shí)現(xiàn)更高的環(huán)保與效率目標(biāo)。

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