脫硝高溫?zé)煔馀月废到y(tǒng)設(shè)計注意事項探析

崔景杰，李連濤

(山東山大華特環(huán)保工程有限公司，山東 濟南 250061)

為滿足我國可再生能源的快速發(fā)展需要，國家"十三五"規(guī)劃綱要提出將實施電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力專項工作，提升火電機組的運行靈活性，充分挖掘燃煤機組的調(diào)峰能力[1]。同時在日益嚴格的環(huán)保標準和要求下，國內(nèi)在役機組基本配置了脫硫脫硝及除塵裝置，機組參與電網(wǎng)調(diào)峰時負荷降低，運行工況對脫硫及除塵裝置影響相對較小，但對SCR(選擇性催化還原法)脫硝系統(tǒng)影響較大。通常300MW火電機組30%BMCR最低穩(wěn)燃負荷時，SCR反應(yīng)器入口設(shè)計煙溫低于300℃，而SCR脫硝系統(tǒng)中所使用的催化劑最佳反應(yīng)溫度通常在320～420℃之間，機組低負荷運行時，溫度不達標造成脫硝系統(tǒng)的被迫退出，從而限制了機組調(diào)峰能力。

為提高機組低負荷下SCR反應(yīng)器入口煙溫，通常的改造方案分為煙氣側(cè)和給水側(cè)改造[2-4]，其中煙氣側(cè)改造方案中高溫?zé)煔馀月贩桨敢蚬に嚵鞒毯唵?、性能可靠、改造難度小、施工方便等優(yōu)點而被較多采用[5-6]。高溫?zé)煔馀月贩桨讣丛阱仩t尾部豎井區(qū)域的合適位置引一路高溫?zé)煔馀cSCR反應(yīng)器入口煙氣相混合，經(jīng)過一定的混合距離后，使催化劑前的煙溫滿足連續(xù)噴氨要求，從而保證機組在較寬的負荷范圍內(nèi)脫硝系統(tǒng)的連續(xù)運行。為保證高溫?zé)煔馀月废到y(tǒng)的運行調(diào)節(jié)，系統(tǒng)通常會配置關(guān)斷擋板門及調(diào)節(jié)擋板門，同時在關(guān)斷擋板門及調(diào)節(jié)擋板門之間配置壓力及溫度測點來監(jiān)視系統(tǒng)所處狀態(tài)。由于調(diào)節(jié)擋板門有一定漏風(fēng)率，為防止機組高負荷時調(diào)節(jié)擋板門內(nèi)漏影響鍋爐效率和催化劑安全運行，設(shè)計時必須加裝關(guān)斷擋板門，且關(guān)斷擋板門泄漏率不大于1%，同時在保證調(diào)溫?zé)煔饬康那疤嵯聼煹雷枇?yīng)盡量小。圖1為高溫?zé)煔馀月废到y(tǒng)的工藝流程圖，其中高溫?zé)煔饨右缘蜏卦贌崞鳠煔鈧?cè)入口，系統(tǒng)配置關(guān)斷門及調(diào)節(jié)擋板門，鍋爐主煙道配置主煙道擋板門，配合旁路系統(tǒng)調(diào)節(jié)擋板門調(diào)節(jié)SCR反應(yīng)器入口煙溫，從而保證SCR反應(yīng)器低負荷下連續(xù)運行。

本文針對華能某電廠(2x135MW)及某礦業(yè)公司自備電廠(2x200MW)寬負荷脫硝改造項目中高溫?zé)煔馀月吩O(shè)計過程及后續(xù)運行中所遇到問題進行了梳理和總結(jié)，為同類型機組相似項目設(shè)計工作提供借鑒。

1 高溫?zé)煔饨右恢玫倪x擇

鍋爐正常運行時，爐膛溫度通常在1000℃左右，而且位置越靠近火焰中心，煙氣溫度越高。對于高溫?zé)煔馀月窡煔饨右恢玫倪x擇，設(shè)計過程中要結(jié)合爐內(nèi)受熱管布置、溫度分布及現(xiàn)場空間情況綜合確定，如果將接引位置設(shè)置在省煤器之間，由于煙氣溫度較低，為達到溫度要求所抽取的煙氣量較大，對后墻的改動較大；同時在后期煙溫調(diào)整過程中，由于主煙氣流速比設(shè)計流速低，省煤器區(qū)域的壓力損失與省煤器旁路煙道壓力損失相差不大，導(dǎo)致省煤器旁路煙道達不到設(shè)計流速，SCR反應(yīng)器入口煙溫也就達不到設(shè)計溫度。通常選擇的接引位置為鍋爐轉(zhuǎn)向室與尾部豎井煙道中低溫過熱器或低溫再熱器入口之間的區(qū)域。該區(qū)域煙氣在鍋爐啟動初期及30%BMCR負荷時溫度較高，在與SCR反應(yīng)器入口煙氣混合后，能較容易的將煙溫提高到300℃以上，且煙氣抽取份額占總煙氣量比例不大，從而旁路煙道截面尺寸較小，對鍋爐尾部豎井后墻的結(jié)構(gòu)影響較小。

圖1 高溫?zé)煔馀月废到y(tǒng)工藝流程圖

2 煙道壁板材質(zhì)的選擇

高溫?zé)煔馀月窡煹烙捎诮右臒煔鉁囟容^高，通常在500℃以上，按常規(guī)《火力發(fā)電廠煙風(fēng)煤粉管道設(shè)計技術(shù)規(guī)程》規(guī)范選取壁板材質(zhì)已不能滿足要求，需考慮耐溫性能優(yōu)良的合金鋼材質(zhì)。此系統(tǒng)通常是機組負荷低時投運，機組正常運行時系統(tǒng)退出運行，此時關(guān)斷門及調(diào)節(jié)擋板門關(guān)閉。由于關(guān)斷門之前的煙道與鍋爐高溫?zé)煔忾L時間接觸對壁板材質(zhì)要求更高，從降低成本的角度考慮，關(guān)斷門前、后的壁板材質(zhì)可差別選擇。根據(jù)相關(guān)資料介紹[7-8]310S不銹鋼板含有較高含量的鉻(Cr)、鎳(Ni)成分，屬于25Cr-20Ni系的高合金不銹鋼，其耐高溫氧化性優(yōu)秀、高溫強度高、且具有良好的可焊性，適于制作各種爐用構(gòu)件、最高使用溫度1200℃，連續(xù)使用溫度1150℃。為保證高溫?zé)煔馀月废到y(tǒng)的安全可靠運行，關(guān)斷門前煙道材質(zhì)可選用310S不銹鋼板,關(guān)斷門后煙道材質(zhì)可選用304不銹鋼板。

3 煙道防積灰措施

高溫?zé)煔馀月窡煹酪话惴譃樗蕉渭柏Q直段，運行時豎直段發(fā)生積灰的可能性很小，為防止水平段煙道的積灰，在設(shè)計過程中將煙道入口段設(shè)計為變截面型式，使煙道入口有適宜坡度，且坡向鍋爐豎井側(cè)，同時在入口段合適區(qū)域設(shè)置一路壓縮空氣，必要時進行手動吹掃。豎直段與原煙道混合口處彎頭選擇合適角度，保證旁路煙氣在進入主煙道后有一定“行程”，從而煙氣混合更均勻，同時使旁路中的灰塵顆粒順利進入主煙道而被帶走。

4 鍋爐開孔處讓管方式的選擇

由于選取的煙氣接引位置為鍋爐尾部豎井后墻區(qū)域，該區(qū)域?qū)儆诎鼔^熱器爐壁，通常由一定材質(zhì)、管徑的換熱管和扁鋼焊接而成。為保證煙氣順利進入旁路煙道，同時兼顧鍋爐后墻的結(jié)構(gòu)強度，設(shè)計時需要對后墻開孔處讓管方式進行慎重選擇。結(jié)合以往工程經(jīng)驗，開孔處讓管方式有三種選擇，分別對應(yīng)圖2-b、圖2-c、圖2-d，圖2-a為后包墻初始狀態(tài)，開孔過程中需將管間扁鋼割除。圖2-b采用隔2根讓1根換熱管方式設(shè)置抽煙口，該方式開孔處煙氣阻力小，同時部分換熱管設(shè)置在未動管的背煙面，整體受磨損程度較低，但此方式對后墻結(jié)構(gòu)強度影響較大，開孔面積有限，需具體核算。圖2-c采用隔1根讓1根換熱管方式設(shè)置抽煙口，部分換熱管設(shè)置在未動管的背煙面，該方式開孔處煙氣阻力損失適中，對后墻結(jié)構(gòu)強度影響較小，適合開孔面積大的旁路煙道。圖2-d同樣采用隔1根讓1根換熱管方式設(shè)置抽煙口，部分換熱管與未動換熱管前后(煙氣流動方向)錯開一定距離，保證煙氣的流通截面積，該方式同樣煙氣阻力損失適中，對后墻結(jié)構(gòu)影響較小，但開孔處每根換熱管需設(shè)置防磨瓦，且理論計算時需考慮換熱管截面對開孔面積的影響。綜上所述，設(shè)計過程中開孔方式優(yōu)先選擇2-c，其次為2-d。

5 高溫?zé)煔馀c主煙氣混合位置的選擇

為保證接引的高溫?zé)煔馀c主煙氣混合后在反應(yīng)器第1層催化劑前煙溫達到300℃以上，并且混合均勻，在空間允許的情況下，高溫?zé)煔馀c主煙氣混合位置應(yīng)盡量遠離催化劑層，盡可能布置在噴氨格柵和靜態(tài)混合器的上游，通過噴氨格柵和靜態(tài)混合器的擾動功能，促進冷、熱煙氣的充分混合，從而減少系統(tǒng)氨逃逸量及噴氨量。從實際項目來看，最佳混合位置在省煤器出口煙道與SCR反應(yīng)器入口煙道之間的變徑段煙道，該煙道位于噴氨格柵之前，且煙氣流速變化較大，當高溫?zé)煔馔ㄟ^旁路煙道變徑段進入后，有利于高溫?zé)煔庠跓煔鈹嗝嫔系木鶆蚍植肌?/p>

6 主煙道擋板門安裝位置及結(jié)構(gòu)的選擇

鍋爐低負荷運行時，整體煙氣流速較低，高溫?zé)煔馀月放c鍋爐主煙氣阻力相差不大，為保證旁路系統(tǒng)的煙氣流量，如果原鍋爐系統(tǒng)未配置主煙道調(diào)節(jié)擋板門改造過程中需配置主煙道調(diào)節(jié)擋板門，配合旁路系統(tǒng)調(diào)節(jié)煙氣流量，以使煙溫滿足催化劑要求。鍋爐主煙道尺寸通常較大，所配置的調(diào)節(jié)擋板門尺寸也大，葉片數(shù)量較多。鍋爐低負荷運行時，主煙道調(diào)節(jié)擋板門開度通常在35%～50%左右，此時調(diào)節(jié)擋板門葉片相當于導(dǎo)流板功能，使主煙氣流動偏離正常運行軌跡。如果現(xiàn)場鍋爐尾部豎井底部結(jié)構(gòu)及空間允許，主煙道調(diào)節(jié)擋板門安裝在此區(qū)域比較合適，對調(diào)節(jié)擋板門結(jié)構(gòu)也無過多要求，煙氣會在后期的混合過程中逐漸均勻。如果現(xiàn)場鍋爐尾部豎井底部結(jié)構(gòu)及空間不允許，主煙道調(diào)節(jié)擋板門通常會布置在省煤器出口煙道之后，SCR反應(yīng)器入口變徑煙道之前。由于主煙道調(diào)節(jié)擋板門與高低溫?zé)煔饣旌峡诰嚯x較近，考慮到調(diào)節(jié)擋板門葉片的"導(dǎo)流"功能，如果煙氣偏流過大，會增大后期煙氣混合均勻的難度，從實際運行項目來看，主煙道調(diào)節(jié)擋板門葉片水平布置比垂直布

置有優(yōu)勢。一方面：葉片水平布置時，煙氣偏轉(zhuǎn)方向在上下方向，流過主煙道調(diào)節(jié)擋板門的低溫?zé)煔馀c高溫?zé)煔饣旌虾?，在下游相關(guān)設(shè)備的擾流作用下，煙氣斷面溫度分布逐漸趨向均勻。葉片垂直布置時，煙氣偏轉(zhuǎn)方向在左右方向，流過主煙道調(diào)節(jié)擋板門的低溫?zé)煔馀c高溫?zé)煔饣旌虾螅邷責(zé)煔鈺蛞粋?cè)，即使通過下游相關(guān)設(shè)備的擾流，煙溫斷面偏差仍舊存在且較大，為減小偏差，還要增加靜態(tài)混合器等裝置。另一方面：葉片水平布置時，執(zhí)行機構(gòu)在側(cè)面，葉片垂直布置時，執(zhí)行機構(gòu)在頂部，而現(xiàn)場通常側(cè)面空間要比頂部空間寬裕，安裝在側(cè)面也有利于執(zhí)行機構(gòu)的自然降溫。

火電機組靈活性改造所采用的高溫旁路煙氣方案性能是否良好取決與高、低溫?zé)煔饣旌鲜欠窬鶆颍瑴囟仁欠駶M足要求，上述設(shè)計注意事項應(yīng)能為相似項目提供一定的借鑒。

圖2 讓管方式示意圖