燃煤電站鍋爐脫硝提效改造存在的問題及對策分析

吳玲燕

(中國石化揚子石油化工有限公司 江蘇南京 210048)

1 脫硝提效改造的背景

《鍋爐大氣污染物排放標準》自1983年首次發(fā)布后，分別于1991年和2001年進行了修訂，2014年進行了再次修訂，形成國家標準《鍋爐大氣污染物排放標準》(GB 13271—2014)。該標準在2014年5月發(fā)布后，于當年7月正式實施，相比之前的排放標準，增加了氮氧化物和汞及其化合物的排放限值，規(guī)定燃煤鍋爐氮氧化物的排放標準為200～400 mg/m3。江蘇省在《江蘇省煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)》中要求，確保到2018年底全省100 MW及以上燃煤機組大氣污染物排放濃度基本達到燃機排放標準。

中石化集團針對各子公司內部電廠鍋爐實際運行效率偏低問題，要求各企業(yè)落實提效改造措施，將鍋爐實際運行效率提高到92%以上。按照國家和江蘇省的環(huán)保要求，揚子石化熱電廠在2011年底至2014年4月，對1#～9#燃煤鍋爐進行了脫硝提效改造。本文就此次脫硝提效改造的方案及存在的問題進行討論，提出后續(xù)的改造措施并對鍋爐熱效率的提升效果進行分析。

2 鍋爐概況

揚子石化熱電廠為高溫高壓抽汽供熱式火力發(fā)電廠，共有九爐六機，總裝機容量為360 MW。9臺鍋爐全部選用高溫高壓煤粉鍋爐，其中1#～8#爐額定蒸發(fā)量為220 t/h，9#爐額定蒸發(fā)量為410 t/h。1#～8#爐燃燒器為四角布置，切向燃燒，燃燒器共兩層；9#爐燃燒器為四角布置，切向燃燒，燃燒器共3層。脫硝改造前對1#～9#爐進行熱效率測試，除9#爐鍋爐效率稍低于設計值外，其余8臺鍋爐平均鍋爐效率為89.88%，與設計值相差較大，平均相差約1.7%。揚子石化熱電廠鍋爐設備型號及規(guī)格(設計值)見表1。

表1 揚子石化熱電廠鍋爐設備型號及規(guī)格(設計值)

3 脫硝提效改造工藝技術路線及主要內容

3.1 脫硝工藝技術路線

在脫硝工藝技術路線上，劉小輝等[1]采用低NOx燃燒技術和爐后選擇性催化還原(SCR)技術相結合的工藝；余仕良[2]利用合成氨生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的稀氨水，采用選擇性非催化還原(SNCR)技術的煙氣脫硝系統(tǒng)；姚剛[3]采用低氮燃燒器+SNCR脫硝+液相COA(低溫循環(huán)氧化吸收)脫硝工藝；史曉莉[4]、栗艮[5]采用SCR脫硝技術和SNCR脫硝技術。

本次改造的1#～8#爐，采用低氮燃燒(LNB+OFA)+SNCR+煙道內布置SCR組合脫硝技術。首先通過LNB+OFA技術在源頭上減少NOx的排放量；然后在鍋爐爐膛燃燒區(qū)域上部和爐膛出口850～1 100 ℃煙氣溫度區(qū)域向煙氣中噴射過量的氨蒸氣，從而實現(xiàn)SNCR反應；最后過量的氨蒸氣在下游SCR催化劑的作用下，進一步實施脫硝反應。經(jīng)過上述工藝技術的組合，可以實現(xiàn)較高的脫硝效率。9#爐由于鍋爐后墻與除塵器間空間較大，采用(LNB+OFA)+爐外布置SCR組合脫硝技術。

3.2 鍋爐提效受熱面改造

脫硝改造實施后，在鍋爐煙道內設置了催化劑層，壓縮了原煙道空間。在節(jié)省煙道高度的前提下，為實現(xiàn)鍋爐提效改造，對1#～8#鍋爐受熱面重新進行核算后，增大了省煤器的換熱面積。低溫省煤器改造結合鍋爐脫硝改造同步進行，歷時兩年半，到2014年全部完成，各臺爐完成改造后的受熱面結構形式見表2。改造后經(jīng)測試，在排放指標達到國家標準要求的同時，鍋爐效率提升至92.25%。

表2 1#～9#爐受熱面改造內容

4 脫硝提效改造后存在問題

1#～9#爐改造后運行至2016年1月，因低溫省煤器泄漏共造成停爐19次，主要出現(xiàn)堵灰、沖刷磨損、泄漏等情況(見圖1)，具體停爐原因見表3。

表3 1#～9#爐脫硝改造后出現(xiàn)的低溫省煤器泄漏情況

5 省煤器沖刷泄漏原因分析

鍋爐脫硝系統(tǒng)的投運在滿足環(huán)保排放要求的同時，給鍋爐生產(chǎn)運行帶來了副作用。由于不可避免地存在氨逃逸，逃逸的氨與煙氣中的SO3發(fā)生反應，生成硫酸氫銨。硫酸氫銨熔點溫度區(qū)為147～280 ℃，在200～240 ℃時呈熔融狀態(tài)，具有很強的黏性。低溫省煤器下部以及下級低溫空氣預熱器工作溫度就在該區(qū)域，同時低溫省煤器管道采用螺旋翅片錯列布置，造成低溫省煤器及空氣預熱器的堵塞，積灰后又勢必造成煙氣偏流，煙道內局部煙氣流速增大，加劇了省煤器管排的沖刷磨損，從而產(chǎn)生省煤器管排泄漏。通過對鍋爐爐膛及尾部煙道結構的分析，燃燒煙氣從過熱器穿出后經(jīng)轉向室進入尾部豎直煙道后易產(chǎn)生煙氣偏流。由于慣性作用，爐后方的煙氣量要大于爐前方的，流速與流量成正比關系，因此爐后煙氣流速相對要高，而沖刷與流速的三次方成正比關系，對低溫省煤器管排爐后方的沖刷要比爐前的更加嚴重。

6 脫硝提效改進方案及效果分析

為了從根本上解決低溫省煤器積灰嚴重及頻繁泄漏等問題，2015年初揚子石化熱電廠多次組織相關廠家的技術專家來現(xiàn)場進行實際調研和探討。以8#爐為例，改造前采用錯列螺旋翅片管、聲波吹灰器；各廠家提出了7種改造方案，見表4。通過對各種方案的對比，揚子石化熱電廠最終選擇采用廠家一的方案4。

表4 各廠家改造8#爐低溫省煤器方案對比

6.1 8#爐低溫省煤器及吹灰系統(tǒng)改造

2015年按照廠家一的方案4對8#爐進行改造，以下為具體改造內容。

(1)低溫省煤器由原來的錯列螺旋翅片結構更改為順列H形翅片結構，將原來的84片單管盤繞管排改為44片雙管并繞管排。改造后管子規(guī)格仍為Φ32 mm×4 mm，材料為20g(20#鋼),橫向節(jié)距為80 mm，縱向節(jié)距為92 mm，縱向排數(shù)為18排，犧牲部分受熱面增加橫向節(jié)距，提高煙氣流通性并降低煙氣流速，為低溫省煤器管排的清理和檢查創(chuàng)造條件，保證鍋爐運行的安全性及穩(wěn)定性。改造后爐效降低了0.41%。

(2)為了防止硫酸氫銨堵灰后引起煙氣偏流，省煤器管組四周設置煙氣擋板，避免煙氣集中貼壁沖刷形成煙氣走廊，對管子造成嚴重磨損。同時管排兩端彎頭部分通過煙氣擋板隔離保護，穿墻管處采用防磨瓦板進一步防止煙氣對穿墻管子的磨損。

(3)針對易沖刷磨損的每組管排上部4根管子迎風面設置梳形防磨瓦板，防磨瓦板厚度3 mm；每條煙道左右兩側各3排管排的翅片區(qū)域設置梳形防磨瓦板，防磨瓦板厚度5 mm。

(4)管排下部3根H形翅片管改為光管加全防磨設計，進一步避開硫酸氫銨在200～240 ℃最容易黏結的溫度區(qū)域，防止低溫省煤器積灰、堵灰(低溫省煤器出口煙氣溫度提高至265.3 ℃，爐效再次降低0.27%)。

(5)由于管子橫向節(jié)距的變化，低溫省煤器的進、出口集箱重新設計，進口集箱標高不變，出口集箱的標高由原16 300 mm變?yōu)?7 300 mm。因集箱標高的變化，低溫省煤器之間的連接管也需進行改造。

(6)低溫省煤器管排上部采用固定旋轉式蒸汽吹灰器，左右各2只，共4只。低溫空氣預熱器下級管箱上部采用耙式吹灰器，左右各2只，共4只。

6.2 8#爐低溫省煤器改造后的運行效果

(1)低溫省煤器積灰及磨損情況明顯改善，翅片完好，不存在變形、磨損、脫落等現(xiàn)象，各管排間自上而下通道順暢，管排下部光管處有少量掛灰。

(2)低溫省煤器段吹灰器由原來聲波吹灰器改為蒸汽吹灰器，蒸汽吹掃后各管排之間無積灰，吹灰效果明顯改善。

(3)低溫預熱器段增設耙式蒸汽吹灰器，蒸汽吹掃后各管板表面積灰明顯減少。

(4)自2015年低溫省煤器改造以來，8#爐低溫省煤器共發(fā)生3次泄漏，其中2017年1次、2018年2次，主要是由局部煙氣沖刷磨損引起的泄漏。

6.3 其余8臺鍋爐的改造效果

在8#爐省煤器按照改造方案取得鍋爐效率提升的基礎上，將其余8臺鍋爐按相同的方案進行改造，在排放指標達到標準要求的同時，鍋爐效率也得到了相應的提升。

7 結語

隨著國家對環(huán)保要求的逐步提高，鍋爐大氣污染物的排放標準也在逐步提高，各熱電廠按照國家及本省環(huán)保要求進行脫硝改造的同時也要考慮鍋爐熱效率的提高。以揚子石化熱電廠1#～9#爐的脫硝提效改造為例，發(fā)現(xiàn)在進行脫硝提效改造后，出現(xiàn)低溫省煤器積灰嚴重及頻繁泄漏等問題。通過對8#爐進行低溫省煤器及吹灰系統(tǒng)的改造，省煤器積灰及磨損情況明顯改善，低溫省煤器的泄漏次數(shù)也明顯減少，然后推廣應用到其他鍋爐，既達到鍋爐排放指標滿足環(huán)保要求，又提高了鍋爐的運行熱效率。