華能福州電廠脫硝改造工程的設計和施工特點

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，我國于2011年9月頒布了GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》［2］。燃煤電廠鍋爐的NOx控制技術主要分為爐內(nèi)低NOx燃燒技術和爐后煙氣脫硝技術二大類［3］。爐內(nèi)低NOx燃燒技術主要通過改變?nèi)紵鞯娘L、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燃燒技術可采用低NOx燃燒器及選用空氣分級、燃料再燃等方法。煙氣脫硝技術有選擇性催化還原(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。目前SCR煙氣脫硝技術在國際上應用最為廣泛，日本、美國及歐洲等國家和地區(qū)的大多數(shù)電廠基本都應用該技術。與其他技術相比，SCR脫硝技術投資大、改造施工難度大，但裝置結(jié)構簡單、技術成熟、脫硝效率高、便于維護，系統(tǒng)的脫硝效率可高達95%［3-5］。華能福州電廠脫硝改造工程采用SCR脫硝技術，本文論述該工程的設計和施工特點。

1 華能福州電廠脫硝改造工程概況

1.1 改造工程簡介

華能福州電廠一、二期工程各安裝2臺350 MW燃煤發(fā)電機組，分別于1988、1998年建成投產(chǎn)。一、二期工程機組均配置日本三菱公司設計制造的CE型、亞臨界參數(shù)、強制循環(huán)、一次中間再熱、平衡通風、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660 MW機組通過環(huán)保達標驗收，環(huán)保部門要求三期工程同步安裝80%效率的SCR脫硝裝置，并對一、二期工程中的2臺鍋爐進行效率不低于70%的脫硝改造。為更好地承擔社會責任，電廠計劃對一、二期工程的4臺鍋爐全部進行脫硝改造，一期工程2臺鍋爐的脫硝改造已于2010年完成，二期工程2臺鍋爐的脫硝改造將于2012年完成。

本改造工程采用SCR脫硝技術方案，主要特點為:單爐雙反應器設置及高灰型布置;反應器布置在省煤器與空氣預熱器之間的高含塵區(qū)域;在燃用設計煤種及校核煤種、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，脫硝反應器與還原劑供應系統(tǒng)按脫硝效率不低于70%設計;設置SCR反應器煙氣旁路。采用蜂窩式催化劑，按照“2+1”模式布置。一、二、三期工程6臺鍋爐的脫硝裝置共用1個還原劑制備系統(tǒng)、1個儲存與供應系統(tǒng)。

1.2 設計參數(shù)

本改造工程煙氣脫硝設計方案:SCR高灰型布置，還原劑為液氨，每臺爐設2個SCR反應器，催化劑為蜂窩式。在鍋爐燃用設計煤種、鍋爐正常負荷范圍(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，主要設計參數(shù)及性能如表1所示。

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2 一期工程SCR脫硝系統(tǒng)設計及施工特點

2.1 SCR脫硝裝置鋼結(jié)構

SCR脫硝裝置鋼結(jié)構主要承載反應器本體、進出口煙道、灰斗等的荷載，其設計要滿足柱網(wǎng)布置及承載要求，并且要考慮反應器截面的長、寬比例及煙氣流場特性。

由于煙氣脫硝改造工程涉及鍋爐原有基礎和鋼架的荷載變化，因此SCR脫硝裝置鋼結(jié)構應盡可能設計成獨立結(jié)構，以使傳遞到鍋爐的荷載能減小。

一期工程鍋爐建設時并未預留脫硝裝置的位置，爐后的空間相當狹小，并且此空間原有很多管道、設備及電纜橋架，給改造工程設計造成很大的困難。SCR脫硝裝置支架設計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計了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口煙道鋼柱交錯布置顯得雜亂。因此，設計時要求將原有電除塵器進口煙道支架拆除，將其荷載由脫硝裝置鋼架承擔。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 反應器

反應器截面尺寸為12 m×6.9 m，設置在省煤器與空氣預熱器之間的高含塵段，1臺爐設2個反應器，煙氣豎直向下流動，在反應器的進、出口均設置灰斗。為減小系統(tǒng)阻力，反應器進、出口均設置導流板。設計時要考慮反應器及其進、出口煙道熱膨脹的補償措施。

2.2.2 反應器旁路

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

(1)在鍋爐啟、停過程中保護反應器內(nèi)部的催化劑。鍋爐啟、停時工況變化較大，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;低負荷投油燃燒時，未燃盡的燃油會隨煙氣進入SCR反應器，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，使反應效率降低。因此在鍋爐啟、停階段投入SCR旁路，待鍋爐升負荷穩(wěn)定，脫硝系統(tǒng)具備運行條件后再投入SCR反應器，如此可很好地保護催化劑，延長使用壽命。

(2)鍋爐運行異常時可保護催化劑。當發(fā)生省煤器泄漏、空氣預熱器水洗，或其他可能導致催化劑損壞的意外事故時，可以投入旁路運行。

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

2.2.3 吹灰器

每臺SCR反應器的每層催化劑設置3臺聲波吹灰器和2臺蒸汽吹灰器。3臺聲波吹灰器中的2臺布置在SCR反應器寬度方向，1臺布置在長度方向。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時，逐一啟動各臺吹灰器運行，每臺、每次運行時間為10 s。采用伸縮式耙式蒸汽吹灰器，2臺均設置在反應器寬度方向。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)簡單、易于操作，灰斗輸灰系統(tǒng)控制邏輯的設計理念保持與電廠現(xiàn)有真空輸灰系統(tǒng)一致，即以真空值控制出灰時間，以電廠的真空風機作為氣力除灰系統(tǒng)的動力源，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。催化劑對于脫硝系統(tǒng)入口煙氣溫度(315～420℃)有良好的適應性，能承受運行溫度420℃(每年至少3次，每次至少5 h)的考驗，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個模塊，模塊之間設計有防止煙氣短路的密封系統(tǒng)。

2.3 還原劑儲存和制備系統(tǒng)

脫硝系統(tǒng)還原劑采用液氨，其儲存與制備系統(tǒng)包括液氨卸料壓縮機、液氨儲罐、液氨蒸發(fā)槽、氨氣緩沖槽、廢水池及廢水泵等設備。為確保安全，在氨區(qū)設置了消防水系統(tǒng)及事故噴淋系統(tǒng)，并且設有氨泄漏監(jiān)測儀。為檢測液氨儲存及供應系統(tǒng)的嚴密性，在氨區(qū)的液氨儲罐、液氨蒸發(fā)槽、氨氣緩沖槽等處，備有氮氣吹掃管線以及氮氣減壓供應裝置。在液氨卸料及檢修之前，通過氮氣吹掃管線對相應管道進行嚴格的氮氣置換。

在設計氨站時將一、二、三期工程一并考慮，即全廠3期工程共用1個氨站。一、二期與三期工程各用1套氨區(qū)設備，互為備用。為保證電廠運行更方便、維修更簡單，一、二期與三期工程的氨系統(tǒng)統(tǒng)一設計，設備廠家、型號等都要一致。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。要求采用計算流體動力學輔助設計，以物理實體流場模型試驗為依據(jù)，對噴氨格柵、靜態(tài)混合器的結(jié)構、數(shù)量、布置形式進行設計。噴氨格柵設置在SCR脫硝裝置進口煙道上升段，每個反應器沿寬度方向設置12路氨噴射管道，每路管道設噴嘴12個，沿煙氣方向向上噴射。

3 脫硝工程涉及的設備改造

3.1 煙道改造

鍋爐的煙氣原從省煤器直接進入空氣預熱器，加裝脫硝裝置后，增加了SCR反應器，改變了煙氣走向，必須對煙道系統(tǒng)進行改造。因脫硝系統(tǒng)設有旁路，所以煙氣系統(tǒng)的改造主要為:在省煤器出口引出SCR脫硝裝置進口煙道并安裝煙氣進口擋板，在空氣預熱器進口引出SCR脫硝裝置出口煙道并安裝煙氣擋板，將原有空氣預熱器進口二次風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反應器的進、出口煙道必須穿越鍋爐J1排鋼架，因此在反應器進、出口煙道位置處的J1排鋼架必須拆除或改動。SCR反應器進、出口煙道與鍋爐省煤器、空氣預熱器相連，有部分荷載傳遞到鍋爐鋼架，所以必須對原鍋爐鋼架受力進行校核驗算，以確定原鍋爐鋼架的加固形式及原鍋爐鋼架基礎是否需要加固。

根據(jù)哈爾濱鍋爐廠的鋼架受力驗算結(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上進行加固的方案，每臺爐加固量約70 t。加固工作在停爐期間進行，加固前先將鍋爐鋼架處原有的管道、動力及控制電纜改道，總加固工期約35天。

3.3 空氣預熱器改造

為防止因增加脫硝系統(tǒng)，在空氣預熱器入口產(chǎn)生的NH4HSO4粘污、堵塞空氣預熱器冷段受熱面，需要對空氣預熱器受熱面形式與材質(zhì)進行改造。按照西安熱工院提交的《福州電廠一、二期脫硝改造可研報告》，一期工程2臺爐的空氣預熱器采用整體更換方案。空氣預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 引風機改造

由于增加了脫硝裝置，鍋爐煙氣系統(tǒng)阻力增加，需要增加引風機壓頭。增加的阻力主要包括SCR反應器(主要為催化劑)阻力、SCR反應器進口和出口煙道阻力、更換空氣預熱器后所增阻力和空氣預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。綜合各項因素，根據(jù)對現(xiàn)有引風機壓頭余量的核算結(jié)果，引風機也采用整體更換方案。

4 幾個值得探討的問題

(1)噴氨格柵采用在反應器進口豎直煙道內(nèi)沿水平方向單層布置的方式，不利于還原劑沿煙道深度方向均勻分布。建議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)行機構為全開全關型，在脫硝系統(tǒng)投入操作中若1次全開，會影響空氣預熱器的傳熱性能，使空氣預熱器出口二次風溫急劇下降(2號爐在首次操作中，當SCR脫硝裝置入口擋板手搖開大到30%時，空氣預熱器出口二次風溫快速下降60℃)，從而對磨煤機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計為遠方中停結(jié)構。

(3)設計時應重視隨鍋爐膨脹設備的支撐(吊)點的位置。如旁路擋板密封風管支撐點位于鍋爐鋼架上，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1 m多，漏灰容易影響擋板門的開關，并易堵塞氨噴射器的噴嘴。為此建議對入口擋板是否設計成帶密封風結(jié)構的問題作進一步探討。

(5)設置旁路擋板后增加了系統(tǒng)的靈活性，同時可在低負荷時保護催化劑。但是，旁路擋板水平布置時要考慮積灰荷載，同時若經(jīng)長時間關閉后一旦開啟，執(zhí)行機構容易使電氣保護動作，并且大量積灰會對空氣預熱器造成影響。為此建議對設置旁路擋板的必要性問題作進一步探討。

(6)增加脫硝裝置后，為減小NH4HSO4對空氣預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號爐完成改造投入運行后，發(fā)現(xiàn)鍋爐排煙溫度達不到原設計及改造前參數(shù)。1號爐A、B空氣預熱器出口煙溫保證值為(124±3)℃，實測值分別為139.2、138.9℃，修正至設計條件后為134.8℃，超標7.8℃。建議對此問題進行探討。

5 結(jié)語

目前國內(nèi)燃煤機組煙氣脫硝改造工作尚處于起步階段，隨著國家對環(huán)保要求的日趨嚴格及電力企業(yè)履行社會責任意識的不斷提高，在未來幾年內(nèi)，脫硝改造工作將會在現(xiàn)役機組中大力開展。華能福州電廠脫硝改造工程的成功實施，將在設計、施工、試運等方面為燃煤機組的脫硝改造提供經(jīng)驗。

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