寬負荷脫硝煙氣旁路的選擇與實踐運用

楊凱 孫偉晉 楊志強 李廣斌 邱德來

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

關(guān)鍵詞： 寬負荷脫硝技術(shù) 煙氣旁路 選擇 實踐應用

中圖分類號： X773文獻標識碼： A文章編號： 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

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

1 寬負荷脫硝煙氣旁路應用現(xiàn)狀

1.1 背景與現(xiàn)狀

在火電廠運行過程中，燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣中含有大量的氮氧化物，這些物質(zhì)對環(huán)境和人體健康造成嚴重影響。在現(xiàn)代火電廠管理期間，選擇應用脫硝技術(shù)，是較為有效的手段之一，能夠有效的減少污染物排放。市場上廣泛應用的脫硝催化劑通常需要在較高的溫度下運行，由于催化劑在固定的溫度范圍內(nèi)會表現(xiàn)出最佳的活性和穩(wěn)定性，所以在設計期間，多將運行溫度范圍維系在320～420 ℃之間，有效地將煙氣中的氮氧化物轉(zhuǎn)化為無害的氮和水。然而，在某些情況下，煙氣溫度會降低到低于催化劑的最低運行溫度。這樣的情況下，為了保證催化劑的安全和效率，脫硝裝置會暫停噴氨操作[2]。暫停發(fā)操作表示在溫度低于320 ℃時，不會向煙氣中噴入氨氣進行脫硝反應。

1.2 寬負荷脫硝煙氣旁路問題與原因

寬負荷脫硝煙氣旁路問題出現(xiàn)的原因，多是煙氣溫度變化、催化劑設計局限以及系統(tǒng)應對策略的缺乏。當機組負荷降低，燃燒過程熱量減少，省煤器出口的煙氣溫度隨之下降，這一變化導致脫硝系統(tǒng)難以滿足運行要求。此外，市場上常用的脫硝催化劑設計運行溫度在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受到影響。在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，火電廠在低負荷運行時如何確保脫硝系統(tǒng)繼續(xù)運行并滿足環(huán)保要求，仍然有待解決。部分火電廠由于缺乏有效的應對策略，不得不在低負荷時暫停脫硝系統(tǒng)，從而影響環(huán)保超低排放目標的實現(xiàn)[3]。

2 寬負荷脫硝煙氣旁路改造的必要性

2.1 增強系統(tǒng)適應性

通過寬負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)整煙氣旁路的開度。當煤質(zhì)較差或環(huán)境溫度較高時，煤燃燒產(chǎn)生的煙氣溫度會升高，此時增大煙氣旁路的開度，將一部分高溫煙氣繞過SCR裝置，降低催化劑所受到的溫度沖擊和損傷。當煤質(zhì)較好或環(huán)境溫度較低時，可減小煙氣旁路的開度，保持更多的煙氣經(jīng)過SCR裝置進行催化反應，提高脫硝效率。靈活調(diào)整煙氣旁路的開度，使系統(tǒng)在不同的運行條件下都能達到較高的脫硝效率，使火電廠適應煤質(zhì)和環(huán)境溫度變化的要求，同時還保持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 實現(xiàn)機組深度調(diào)峰

在鍋爐啟動階段，由于負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，煙氣直接進入SCR裝置會導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)晶等問題。通過寬負荷脫硝煙氣旁路改造，可以將一部分高溫煙氣繞過SCR裝置，使其不直接進入催化劑反應區(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。在鍋爐停運階段，負荷從高到低的迅速下降會導致煤燃燒減弱，煙氣溫度急劇下降。如果此時煙氣直接進入SCR裝置，催化劑的活性會降低，脫硝效率也將受到影響。在寬負荷脫硝煙氣旁路改造后，可調(diào)整煙氣旁路的開度，將一部分低溫煙氣繞過SCR裝置，保持催化劑在較高溫度下工作[4]。

3 寬負荷脫硝煙氣旁路選擇與改造

3.1 省煤器煙氣旁路

加設包墻彎管和旁路煙道，將高溫煙氣引入脫硝入口煙道內(nèi)進行混合。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，需要謹慎評估其對鍋爐安全性和經(jīng)濟性的影響。在包墻上開孔并加設開孔彎管，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)等因素進行熱力計算、煙溫計算、煙風阻力計算等，以確保改造后的鍋爐能夠安全運行。此外，為了防止煙氣對開孔管子的磨損，還需要增加相應的防磨措施，這可能會增加改造的成本和復雜性。

增加旁路煙道需要對原鋼結(jié)構(gòu)進行重新校核，以確保其能夠承受新增的荷載。如果原有鋼結(jié)構(gòu)的強度不足，需要進行補強，這會涉及到更多的改造工作和成本。同時，新增煙道的支吊點位置也需要通過計算確認，以保證其穩(wěn)定性和安全性。同時，為了方便新增加煙道的檢修，需要額外增加部分平臺和扶梯。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，在設計和施工過程中，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)濟性和安全性。

3.2 省煤器分級

調(diào)整省煤器的布置和分級改造，能夠提高SCR反應器入口煙溫，使脫硝裝置在正常運行的最低穩(wěn)然負荷以上所有負荷下能夠正常工作。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并重新進行熱力計算，可以更加精確地控制煙氣溫度，滿足脫硝裝置的運行需求[5]。部分拆除原省煤器并在SCR反應器后增設一級省煤器，進一步調(diào)整煙氣的溫度分布，讓SCR反應器在適宜的溫度窗口內(nèi)運行。給水管道改至位于SCR反應器后的新增省煤器入口處，并采用大口徑連接管道進行連接，減少SCR反應器前省煤器的吸熱量，提高SCR反應器入口煙溫。通常情況下，省煤器分級改造對鍋爐效率既不會帶來負面影響，也不會帶來正面影響，表示改造方案在提高鍋爐環(huán)保性能的同時，不會對其經(jīng)濟性造成顯著影響。

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)流程見圖1。

通過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，實現(xiàn)了對系統(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，從而精確控制省煤器的旁路水量，進而調(diào)控通過旁路的給水流量。由于旁路工質(zhì)不再經(jīng)過爐內(nèi)煙氣的換熱過程，因此省煤器的換熱量得以降低，這直接導致了省煤器出口煙溫的提升。這一改進不僅優(yōu)化了系統(tǒng)的熱效率，還有助于提高整個系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。旁路水量設置了調(diào)節(jié)閥，這使其在變負荷工況下靈活調(diào)整旁路水量，進一步實現(xiàn)對省煤器出口煙溫的精確調(diào)控。這樣，無論是在滿負荷還是部分負荷工況下，都能確保系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定運行，從而延長設備使用壽命，并降低運行成本。

省煤器入口熱水再循環(huán)方案系統(tǒng)流程如圖2所示。在負荷進一步下降的情況下，單純通過給水旁路已無法滿足提高煙溫的要求。為了解決這一問題，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)過新增加的再循環(huán)泵加壓，然后引入給水管路，以實現(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，最終達到提高省煤器出口煙氣溫度的目的。為了實現(xiàn)這一目標，熱水再循環(huán)流量需要根據(jù)省煤器出口煙溫進行精確控制。

4 寬負荷脫硝煙氣旁路應用總體預期效果

旁路煙道的調(diào)節(jié)作用如同一個智能的閥門，根據(jù)煙氣參數(shù)的實時變化，自動調(diào)節(jié)旁路煙道的開度，確保主煙道的煙氣流量和溫度穩(wěn)定在設計范圍內(nèi)。這種調(diào)節(jié)機制保障了脫硝系統(tǒng)始終在最佳狀態(tài)下運行，從而顯著提高了脫硝效率。在實際應用中，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。對于任何一項技術(shù)，其經(jīng)濟價值都是不可忽視的。旁路煙道技術(shù)在這方面同樣表現(xiàn)出色。首先，通過智能調(diào)節(jié)減少不必要的能耗和物耗，實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置。其次，旁路煙道在設計中就考慮到了其作為備用通道的功能。當主煙道出現(xiàn)故障時，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的直接和間接經(jīng)濟損失。煙氣參數(shù)受到燃煤種類、鍋爐負荷、環(huán)境溫度等多種因素的影響。在這樣的背景下，一個能夠適應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。這種自適應的特性大大增強了脫硝系統(tǒng)的適應性，使其在各種復雜環(huán)境下都能發(fā)揮出色。

5 結(jié)語

寬負荷脫硝煙氣旁路的選擇與實踐運用，對于火電廠的環(huán)保和高效運行具有重要意義。通過選擇合適的技術(shù)方案，并進行工程實踐，發(fā)現(xiàn)這種旁路系統(tǒng)能夠顯著提高鍋爐在不同負荷下的脫硝效率，保證煙氣溫度滿足催化劑的要求，同時提高機組的安全穩(wěn)定運行能力。在未來的工作中，將繼續(xù)優(yōu)化旁路設計，提高系統(tǒng)的適應性和經(jīng)濟性，為火電廠的可持續(xù)發(fā)展做出更大的貢獻?？傊?，寬負荷脫硝煙氣旁路的應用是火電廠環(huán)保技術(shù)的重要突破，將助力我國電力工業(yè)實現(xiàn)更高的環(huán)保與效率目標。

參考文獻

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[2]李文成，趙越，蒙毅，等.700 MW機組全負荷脫硝煙氣旁路系統(tǒng)數(shù)值模擬研究[J].江西電力，2023，47（2）： 72-78.

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