寬負(fù)荷脫硝技術(shù)研究及應(yīng)用

（新疆天富能源股份有限公司，石河子市，832000） 李紅躍 黃超

我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)當(dāng)前仍以化石燃料火力發(fā)電為主，燃煤發(fā)電過(guò)程中釋放出大量的污染物，其中氮氧化物（NOx）是燃煤火力發(fā)電廠的主要排放大氣污染物之一。針對(duì)火力發(fā)電行業(yè)的節(jié)能環(huán)保是“十三五”規(guī)劃重點(diǎn)關(guān)注的部分，其中脫硝改造是規(guī)劃中的重中之重。其中，我國(guó)國(guó)內(nèi)火電機(jī)組普遍負(fù)荷率不高，機(jī)組長(zhǎng)期處于低負(fù)荷運(yùn)行。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷較低時(shí)，脫硝裝置入口煙氣溫度可能低于催化劑的正常使用溫度，導(dǎo)致SCR 脫硝系統(tǒng)無(wú)法運(yùn)行，造成氮氧化物排放超標(biāo)等環(huán)保問(wèn)題。如何優(yōu)化啟停爐階段的脫硝系統(tǒng)運(yùn)行方式，拓寬脫硝系統(tǒng)的寬負(fù)荷運(yùn)行能力，是目前研究的重點(diǎn)。

1 概述

1.1 設(shè)備簡(jiǎn)介

石河子市國(guó)能能源投資有限公司開發(fā)區(qū)分公司為2×135MW 熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組（簡(jiǎn)稱東熱電廠），其中3 號(hào)鍋爐為四川川鍋有限責(zé)任公司生產(chǎn)的SGCG-450/9.81-M型高溫、高壓蒸汽鍋爐，采用四角切圓燃燒、單鍋筒自然循環(huán)、π型布置、一次中間再熱、緊身封閉，平衡通風(fēng)，固態(tài)排渣，采用管式空氣預(yù)熱器，全鋼構(gòu)架雙排柱懸吊結(jié)構(gòu)鍋爐，燃用煙煤。

鍋爐脫硝系統(tǒng)采用SNCR+SCR耦合脫硝技術(shù)，還原劑采用尿素溶液，SNCR 區(qū)域采用38 支尿素溶液噴槍向爐膛噴入尿素溶液，噴槍設(shè)置在爐內(nèi)高、低溫區(qū)域，布置4層噴槍，按噴槍標(biāo)高從高到低分別命名為A、B、C、D層，其中A層標(biāo)高42m，10支噴槍；B層標(biāo)高39m，8支噴槍；C層標(biāo)高35.6m，10支噴槍；D 層標(biāo)高32.5m，10 支噴槍，，以滿足各負(fù)荷工況SNCR反應(yīng)溫度區(qū)間。尿素?zé)峤夂笊傻陌睔庠诟邷貐^(qū)產(chǎn)生SNCR還原反應(yīng)，將NOx還原成氮?dú)猓捶磻?yīng)完的NH3流向尾部SCR催化劑內(nèi)，繼續(xù)與剩余的NOx 進(jìn)行反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)脫硝的目的。SCR 采用“2+1”布置的方式，目前安裝兩層催化劑。表1 為SCR脫硝裝置的主要技術(shù)參數(shù)。

表1 SCR脫硝裝置的主要技術(shù)參數(shù)

1.2 啟停爐時(shí)脫硝系統(tǒng)的不足

鍋爐機(jī)組正常運(yùn)行中，鍋爐尾部煙道內(nèi)SCR裝置入口煙氣溫度能運(yùn)行在290～420°C，脫硝投入條件滿足，脫硝可以正常投入。在啟停爐過(guò)程或鍋爐需要低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，尾部煙氣可能降至290°C以下，對(duì)污染物脫除工作影響很大。由于爐膛煙氣溫度場(chǎng)不能滿足脫硝設(shè)備的投運(yùn)，脫硝設(shè)備無(wú)法投入從而造成NOx超標(biāo)。

而SCR 裝置系統(tǒng)中反應(yīng)器催化劑工作溫度區(qū)間為290～420°C，脫離這一溫度區(qū)域工作，一方面由于SCR反應(yīng)器入口溫度較低導(dǎo)致催化劑活性降低，另一方面，還原劑氨氣與煙氣中的SO3反應(yīng)生成硫酸氫銨會(huì)沉積在催化劑上，進(jìn)一步降低催化劑活性，甚至失效，最終將導(dǎo)致脫硝效率嚴(yán)重降低或完全不能脫硝[9]。因此，SCR 系統(tǒng)設(shè)置最低運(yùn)行溫度目的是使進(jìn)入SCR 反應(yīng)器的煙氣溫度維持在氨鹽沉積溫度上，以防止生成硫酸氫銨堵塞催化劑孔隙，降低催化劑活性。

表3 檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)照表

要實(shí)現(xiàn)脫硝裝置寬負(fù)荷運(yùn)行，技術(shù)路線有2條：一是使煙溫適應(yīng)脫硝系統(tǒng)，需要改造鍋爐熱力系統(tǒng)或煙氣系統(tǒng)對(duì)煙溫進(jìn)行控制；主要技術(shù)有省煤器煙氣旁路改造、省煤器給水旁路改造、零號(hào)高加等技術(shù)。二是使催化劑適應(yīng)煙溫，采用低溫催化劑同時(shí)脫除煙氣SO3。目前低溫催化劑及SO3脫除技術(shù)尚處于研發(fā)階段，沒有相關(guān)應(yīng)用實(shí)例[10]。以上2 條技術(shù)路線對(duì)于東熱電廠鍋爐機(jī)組寬負(fù)荷脫硝的實(shí)現(xiàn)并不具有實(shí)際意義，因此提出優(yōu)化啟停爐階段的脫硝系統(tǒng)運(yùn)行方式，驗(yàn)證脫硝系統(tǒng)的寬負(fù)荷運(yùn)行能力，這有利于改善啟停爐階段脫硝系統(tǒng)的投入時(shí)間，能夠減少該階段排放的高濃度氮氧化物。

2 試驗(yàn)方法

2.1 優(yōu)化方案

在啟停爐階段的脫硝系統(tǒng)運(yùn)行方式優(yōu)化方案：根據(jù)SNCR 高溫區(qū)域的煙氣溫度情況協(xié)調(diào)投入SNCR 尿素噴槍，調(diào)節(jié)尿素溶液流量，以適應(yīng)SNCR反應(yīng)溫度（850～1 100°C），最終得到啟停爐時(shí)滿足SNCR裝置的投入條件，保證SNCR裝置的投用。為驗(yàn)證脫硝系統(tǒng)的寬負(fù)荷脫硝能力，對(duì)東熱電廠3 號(hào)鍋爐進(jìn)行了啟停爐階段寬負(fù)荷脫硝試驗(yàn)。

2.2 儀器設(shè)備

在試驗(yàn)前鍋爐各段煙溫測(cè)點(diǎn)更換為經(jīng)過(guò)校驗(yàn)合格的熱電偶，鍋爐正常運(yùn)行期間采用現(xiàn)場(chǎng)人工測(cè)試，應(yīng)用煙氣分析儀測(cè)試脫硝反應(yīng)器入口及脫硫出口的O2、NOx，同時(shí)記錄現(xiàn)場(chǎng)儀表的O2、NOX，比對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表的測(cè)量準(zhǔn)確性，試驗(yàn)過(guò)程所用試驗(yàn)儀器見表2。

現(xiàn)場(chǎng)人工測(cè)量與現(xiàn)場(chǎng)儀表測(cè)試數(shù)據(jù)如表3 所示，根據(jù)脫硝反應(yīng)器入口及脫硫出口的O2、NO比對(duì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)儀表與試驗(yàn)儀表測(cè)試數(shù)據(jù)偏差不大，可以采用現(xiàn)場(chǎng)儀表進(jìn)行試驗(yàn)。

表2 試驗(yàn)儀器

2.3 實(shí)施過(guò)程

脫硝系統(tǒng)能否投入主要取決于：（1）爐膛溫度；（2）脫硝反應(yīng)器進(jìn)口煙道溫度；（3）當(dāng)前投入層數(shù)噴槍處的爐膛溫度。只有保證尿素溶液進(jìn)入爐膛后能夠進(jìn)行熱解脫硝，才能投入脫硝系統(tǒng)。剛點(diǎn)爐時(shí)爐膛溫度較低，脫硝反應(yīng)器進(jìn)口煙道溫度也低，只運(yùn)行單個(gè)磨煤機(jī)，出粉管在最低層，火焰中心位置偏低，這時(shí)可以通過(guò)調(diào)整二次風(fēng)使火焰中心上移。

脫硝投入步驟按照D、C、B、A 層依次投入。尿素噴槍層距離火焰中心最近的是D層，能夠達(dá)到熱解溫度的首先是D 層，所以最先投入運(yùn)行的是D 層尿素噴槍模塊，隨著爐膛溫度的提高，熱解溫度不適合D 層模塊運(yùn)行時(shí)切換至C 尿素模塊運(yùn)行，依次從下往上投入尿素噴槍模塊。熱解溫度是否達(dá)到以投入尿素溶液后氮氧化物指標(biāo)降低為準(zhǔn)，熱解溫度是否合適以當(dāng)前鍋爐給煤量、氧量值和投入尿素量三者之間的關(guān)系來(lái)看。給煤量少、尿素用量大表示尿素噴槍需要切換運(yùn)行，如果投入尿素溶液后發(fā)現(xiàn)氮氧化物未降低說(shuō)明熱解溫度未達(dá)到，尿素溶液未進(jìn)行反應(yīng)，此時(shí)應(yīng)退出脫硝裝置運(yùn)行，以免尿素溶液未反應(yīng)造成后面煙道堵塞，特別是鍋爐空預(yù)器的堵塞。

在鍋爐啟動(dòng)期間進(jìn)行脫硝投運(yùn)試驗(yàn)，在啟動(dòng)期間根據(jù)低溫過(guò)熱器后煙溫、SCR 入口煙溫及爐膛25m 標(biāo)高處煙溫?fù)駲C(jī)投入SNCR 下層噴槍，觀察脫硝效果。在鍋爐停運(yùn)期間脫硝投運(yùn)試驗(yàn)，根據(jù)負(fù)荷變化，投入SNCR下層噴槍，觀察停爐過(guò)程中NOX變化，當(dāng)NOX明顯提高時(shí)退出SNCR噴槍。

表4 鍋爐啟動(dòng)后三個(gè)階段的脫硝效果

表5 鍋爐停機(jī)期間三個(gè)階段的脫硝效果（同等還原劑投入量）

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 啟動(dòng)期間脫硝投運(yùn)試驗(yàn)

根據(jù)鍋爐啟動(dòng)期間脫硝投運(yùn)試驗(yàn)結(jié)果，可以區(qū)分為三個(gè)階段，三個(gè)階段的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出鍋爐啟爐3h 后，投入D 層噴槍，鍋爐NOX排放小于200mg/Nm3，鍋爐啟爐4h后，脫硝系統(tǒng)脫硝效果達(dá)到正常運(yùn)行時(shí)的效果，鍋爐NOX排放小于90mg/Nm3。

3.2 停運(yùn)期間脫硝投運(yùn)試驗(yàn)

鍋爐停運(yùn)期間脫硝投運(yùn)試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)見表5。從表5 中可以看出，由于負(fù)荷降低脫硝效果有所下降，在同等數(shù)量還原劑投運(yùn)的情況下，排放NOX有升高的趨勢(shì)，但低于100mg/Nm3，滿足現(xiàn)階段環(huán)保要求。

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證鍋爐脫硝系統(tǒng)可在鍋爐投油啟動(dòng)3小時(shí)后投入，4h 達(dá)到正常運(yùn)行的水平，停運(yùn)期間鍋爐脫硝系統(tǒng)可保持正常運(yùn)行至停爐。鍋爐脫硝系統(tǒng)達(dá)到了全負(fù)荷運(yùn)行的技術(shù)要求。

4 結(jié)論

對(duì)于機(jī)組負(fù)荷較低時(shí)SCR 脫硝系統(tǒng)無(wú)法運(yùn)行造成氮氧化物排放超標(biāo)的問(wèn)題，通過(guò)優(yōu)化啟停爐階段的脫硝系統(tǒng)運(yùn)行方式，拓寬了脫硝系統(tǒng)的寬負(fù)荷運(yùn)行能力。對(duì)東熱電廠3號(hào)鍋爐進(jìn)行了啟停階段寬負(fù)荷脫硝試驗(yàn)，試驗(yàn)中根據(jù)SNCR 高溫區(qū)域的煙氣溫度情況協(xié)調(diào)投入SNCR 尿素噴槍，調(diào)節(jié)尿素溶液流量，以適應(yīng)SNCR反應(yīng)溫度，最終得到啟停爐時(shí)滿足SNCR裝置的投入條件，保證SNCR裝置的投用。