劉冠錚

摘 要：某發(fā)電公司在進行自有配置管式空氣預(yù)熱器鍋爐脫硝改造工程中，借鑒已完成同類型改造工程各方面施工及生產(chǎn)經(jīng)驗，以解決目前脫硝改造易出現(xiàn)的問題為導(dǎo)向，確定了全面的目標體系，開展了多領(lǐng)域的技術(shù)比選工作，并優(yōu)選方案后進行了實施，最終，不僅有效解決了相關(guān)問題，而且工程從投資收益、人力成本、施工工期等多方面皆得到了進一步優(yōu)化。

關(guān)鍵詞： 問題導(dǎo)向；技術(shù)比選；集成應(yīng)用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.03.148

1 立項的背景

（1）某發(fā)電公司8號機組于1995年投產(chǎn)，為DG670/13.7-8型超高壓中間再熱自然循環(huán)固態(tài)排渣煤粉爐，鍋爐最后兩排柱K、L與鍋爐本體脫開布置，在鍋爐尾部煙道上布置有管式空氣預(yù)熱器，漏風率達9.335%；。由于機組投運時間較早，未采用煙氣脫硝技術(shù)，鍋爐NOX實際排放值約為800-1000 mg/Nm3 （干基、標態(tài)，6%O2，以NO2計）。2014年，為滿足《火電廠大氣污染物排放標準》（GB13223-2011）環(huán)保排放要求（100 mg/Nm3以下），需進行脫硝綜合改造。

（2）自文件下發(fā)以后，國內(nèi)各發(fā)電企業(yè)陸續(xù)完成了相關(guān)脫硝環(huán)保改造。通過對多家發(fā)電企業(yè)調(diào)研得知：國內(nèi)發(fā)電企業(yè)通常在進行脫硝環(huán)保改造的技術(shù)選型時，皆采用“目標導(dǎo)向”方法（即主要以環(huán)保改造達標為目標）制定相關(guān)改造方案并實施，雖然脫硝改造后可達到環(huán)保排放指標，但機組在節(jié)能指標、安全生產(chǎn)方面皆存在部分問題。

（3）因配置管式空預(yù)器的鍋爐脫硝改造，涉及空氣預(yù)熱器、鍋爐鋼結(jié)構(gòu)、運行條件選取、土建等多方面的設(shè)備改造及技術(shù)論證。在每個領(lǐng)域常以單一方案進行工程實踐，難以保證所有方面皆能合理和先進。

2 問題及目標的確定

某發(fā)電公司為保證自有配置管式空氣預(yù)熱器鍋爐脫硝改造工程借鑒已完成脫硝環(huán)保改造發(fā)電企業(yè)各方面施工及生產(chǎn)經(jīng)驗，以目前脫硝改造易出現(xiàn)的問題為導(dǎo)向，成立了解決問題的組織機構(gòu)，確定了全面的目標體系。

（1）通過對對同類型發(fā)電公司脫硝改造工程進行調(diào)研，結(jié)合自身機組特點，明確相關(guān)同類型機組及本工程存在的問題：1）脫硝裝置采用常規(guī)布置，將煙氣脫硝裝置加裝在空氣預(yù)熱器入口、高溫預(yù)熱器出口等各段煙溫進行統(tǒng)計分析，均未在催化劑最佳溫度范圍內(nèi)。催化劑壽命低于設(shè)計值，管式空預(yù)器頻繁出現(xiàn)堵塞，難以保證長期安全穩(wěn)定運行。2）脫硝利用原鋼結(jié)構(gòu)，需對其進行補強，并基礎(chǔ)加固，核算后存在不滿足要求的可能性，爐后施工空間狹小，鍋爐鋼構(gòu)架加固難度較大，同時新增鋼構(gòu)架安裝及設(shè)備安裝難度較大。 3）機組排煙溫度較高，機組長期低效率運行，嚴重影響機組運行經(jīng)濟性。

（2）搜集、詳細了解與脫硝綜合改造各領(lǐng)域有關(guān)的相關(guān)技術(shù)方案：

（3）確定工程預(yù)期達到的目標：1）脫硝層安裝在催化劑最佳溫度范圍內(nèi)（300-400℃）；2）脫硝鋼結(jié)構(gòu)減少復(fù)雜度，施工工期控制在60日之內(nèi)；3）排煙溫度達到改造預(yù)期目標130℃。

3 方案的技術(shù)比選及確定

3.1 適用脫硝最佳煙溫的方案比選

方案一：將原空預(yù)器低溫段加大管徑，并加高，管道內(nèi)襯搪瓷防堵；原空預(yù)器低溫段設(shè)置耙式吹灰器，以防止空預(yù)器堵塞。同時為保證高溫預(yù)熱器、低溫預(yù)熱器上組的換熱效率及漏風率，需進行檢修治理。

方案二：空預(yù)器改為回轉(zhuǎn)式空預(yù)器，冷端采用搪瓷元件防腐處理，防止堵塞，并在熱端增加蒸汽吹灰器、冷端增加雙介質(zhì)蒸汽吹灰器。

上述兩個方案中，方案一，低溫空氣預(yù)熱器下組進行更換后，可在一定程度上緩解預(yù)熱器腐蝕、積灰問題，同時需對高溫預(yù)熱器及低溫預(yù)熱器上組進行檢修，最大限度的利用原有空預(yù)器，工程量及節(jié)省工程造價相對較低，但脫硝鋼結(jié)構(gòu)高度增加約10米，鋼結(jié)構(gòu)造價增加，同時空氣預(yù)熱器高度增加后，空氣側(cè)截面積增加，空氣流速降低，影響換熱效果。因管式空氣預(yù)熱器高度較高，采用耙式吹灰器進行吹灰效果不理想。

方案二需將鍋爐尾部受熱面（管式空預(yù)器、省煤器、煙風道等）整體拆除，改造工程量較大，工期較長，投資成本相對較高，脫硝鋼結(jié)構(gòu)高度較方案一低10米，但通過空氣預(yù)熱器的重新設(shè)計，可以重新選擇預(yù)熱器傳熱面積，降低排煙溫度，增加熱風溫度，同時采用蒸汽吹灰器亦能保證吹灰效果，有利于鍋爐效率保證。

（1）技術(shù)性比較.從產(chǎn)品的設(shè)計、制造、安裝、系統(tǒng)運行、維護、檢修、能耗、效率、投資等多方面進行了一系列的比較。可以看到：回轉(zhuǎn)式空預(yù)器在設(shè)計制造安裝方面具有用材量少、整體荷重小、占地面積少、支撐結(jié)構(gòu)簡單、煙道連接簡易、系統(tǒng)阻力小等優(yōu)勢；在運行方面回轉(zhuǎn)式空預(yù)器也具有流通阻力小、排煙溫度低、漏風率穩(wěn)定、SCR適應(yīng)性強、耐低溫腐蝕和耐磨，整體能耗不高、保證鍋爐效率、設(shè)備可靠性高的優(yōu)勢。

由于回轉(zhuǎn)式空預(yù)器冷端采用鍍搪瓷元件，高度覆蓋整個硫酸氫銨凝結(jié)區(qū)域，吹灰和清洗介質(zhì)能深入傳熱元件內(nèi)部，吹透全部硫酸氫銨和硫酸凝結(jié)區(qū)，可以較好的清除沉積物，使得預(yù)熱器不會堵塞。另外，預(yù)熱器設(shè)置水沖洗系統(tǒng)，可以徹底清洗傳熱元件內(nèi)部殘留灰分。如果采用管式空預(yù)器，SCR的副產(chǎn)物硫酸氫銨在191-150℃時為液態(tài)，極易在密封管束內(nèi)部深處的管子表面凝結(jié)并吸附灰分，特別是采用錯列管束的管式預(yù)熱器，吹灰蒸汽無法吹透整個積灰區(qū)域。一般半年左右出現(xiàn)內(nèi)部積灰搭橋而堵塞部分管束通道，導(dǎo)致阻力急劇上升，甚至引起鍋爐停機。

（2）經(jīng)濟性比較。1）改造費用比較。管式空預(yù)器總費用為819.2萬元，回轉(zhuǎn)式空預(yù)器總費用為1073萬元。2）運行費用比較。排煙溫度降低對鍋爐運行費用的影響。

加裝SCR后，由于噴氨將導(dǎo)致空預(yù)器受熱面硫酸氫銨沉積風險性加大。對于管式空預(yù)器來說，硫酸氫銨極易在管束內(nèi)部深處的管子表面凝結(jié)并吸附灰分，因此排煙溫度不宜設(shè)計地過低。8號爐原設(shè)計排煙溫度為140℃，目前運行實測值約為156.5℃。加裝SCR后，如采用管式空預(yù)器，實際排煙溫度不會低于140～150℃；

而對于回轉(zhuǎn)式空預(yù)器來說，由于吹灰和清洗介質(zhì)能深入傳熱元件內(nèi)部，吹透全部硫酸氫銨和硫酸凝結(jié)區(qū)，可以較好的清除沉積物，使得預(yù)熱器不會堵塞。另外，預(yù)熱器設(shè)置水沖洗系統(tǒng)，可以徹底清洗傳熱元件內(nèi)部殘留灰分。設(shè)計排煙溫度可以取得低一些。參考國內(nèi)類似工程，可取130℃。年節(jié)約標煤費用4591.125噸，節(jié)約燃煤費用約298.42萬元，節(jié)煤效果十分可觀。

結(jié)論：綜合技術(shù)性和經(jīng)濟性比較結(jié)果，方案二雖然投資較高，但對SCR適應(yīng)性更好，可靠性更高，且可實現(xiàn)降低排煙溫度和空預(yù)器漏風率，保證鍋爐效率，從而得到較好的經(jīng)濟效益，針對預(yù)熱器改造的投資回收期限較短，因此推薦方案二：空預(yù)器改為回轉(zhuǎn)式空預(yù)器。

3.2 脫硝裝置鋼結(jié)構(gòu)的方案比選

方案一：利用原有鍋爐鋼架，進行加高加固改造。

由于本工程原有空預(yù)器為管式，管式空預(yù)器管箱及煙風道距離鋼結(jié)構(gòu)太近，如果不拆除，則該區(qū)域無改造施工空間，同時鍋爐K、L列，B0、B8排鋼柱為格構(gòu)柱，該類型鋼柱橫截面小，承載能力差，在不拆除上部煙風道的前提下進行加固難度大，難以實現(xiàn)。若本次改造仍利用原有鍋爐鋼架，需通過荷載轉(zhuǎn)移的方式實現(xiàn)該方案，加固加高工作量較大。

（1） 如前所述，由于本工程是老廠改造，受老廠鋼結(jié)構(gòu)型式及管式空預(yù)器限制，無法對原鍋爐鋼架進行直接加固，只能采用荷載轉(zhuǎn)移的方式實施。從結(jié)構(gòu)專業(yè)的角度看，必須將新增脫硝支架與鍋爐本體構(gòu)架整體建模，并進行詳細計算，該項工作必須由鍋爐廠負責，核算后存在不滿足要求的可能性，不確定性因素較多。

（2）對原有鍋爐鋼架改造，因設(shè)備不拆除，爐后施工空間狹小，鍋爐鋼構(gòu)架加固難度較大，同時新增鋼構(gòu)架安裝及設(shè)備安裝難度較大。

（3）因原有結(jié)構(gòu)增加荷載及在爐后區(qū)域新增鋼架，所以本方案基礎(chǔ)改造工程量較大，改造難度較大，同時涉及到補樁，又因場地空間狹小，補樁難度較大。

（4）因空氣預(yù)熱器為管箱式，鋼結(jié)構(gòu)整體高度較高，實際使用量大。

方案二：鍋爐K、L排柱拆除后新建

將鍋爐區(qū)域K～L排，B0～B8排鋼架拆除，基礎(chǔ)保留。根據(jù)回轉(zhuǎn)式空預(yù)器設(shè)備提資，在原鍋爐K、L排區(qū)域新建脫硝鋼構(gòu)架。通過加設(shè)水平鋼桁架或支撐形式將新建脫硝鋼架K排與原鍋爐鋼架J排進行連接，使鍋爐鋼架可分擔部分脫硝SCR產(chǎn)生的水平荷載，并對原鍋爐鋼架進行局部加固。

（1）方案二采取拆除后新建的方案，相對方案一而言，施工有足夠的空間，施工相對便捷。

（2）由于回轉(zhuǎn)式空預(yù)器高度僅有管式空預(yù)器的1/4左右，且省煤器前移，SCR裝置與回轉(zhuǎn)式空預(yù)器直接對接，因此脫硝支架高度大大降低。另外設(shè)計難度也不大，可由具有資質(zhì)單位承擔。

（3）相對方案一而言，方案二工期增加同時土建造價增加。

改造費用比較及結(jié)論。通過兩項改造費用對比，雖然方案二的改造費用較高（約增加426.8萬元），但由于可有效降低排煙溫度，降低機組加裝SCR后長期運行的空預(yù)器漏風率，實際運行費用較低。即使按降低排煙溫度10℃計算，所產(chǎn)生的節(jié)煤效益每年可以達到209.94萬元，約2.0年即可收回投資；如果按降低排煙溫度20℃計算，所產(chǎn)生的節(jié)煤效益每年可以達到322.55萬元，約1.3年即可收回投資，且將在機組壽命期間繼續(xù)發(fā)揮效用。

方案二不足之處是工期較長，但考慮到某發(fā)電公司同時將進行脫硫改造，涉及到的煙囪改造難度較大，工期較長。脫硫、脫硝改造工程可同時進行，只要合理安排，即可將由于停爐造成的損失降至最低。

綜上所述，推薦方案二：原有鋼結(jié)構(gòu)拆除重建+空預(yù)器更換為回轉(zhuǎn)式+省煤器改造。

3.3 排煙溫度控制的方案比選

為保證排煙溫度達到改造預(yù)期目標130℃，空氣預(yù)熱器的選型至關(guān)重要?？諝忸A(yù)熱器入口煙氣溫度為350℃設(shè)計，需選型28號回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器，因受爐體與電除塵器的空間位置限制，該型號空氣預(yù)熱器無法布置，將空氣預(yù)熱器型號更改為27號，排煙溫度將高于預(yù)期目標。為保證排煙溫度滿足改造需要，經(jīng)計算，在脫硝裝置至空氣預(yù)熱器之間增設(shè)一級省煤器，與前移省煤器串聯(lián)，同時增設(shè)一級省煤器水側(cè)旁路，便于根據(jù)煙氣溫度時時調(diào)整。

因預(yù)熱器入口煙氣溫度降低，但熱風溫度有所降低，從爐膛燃燒角度分析，根據(jù)電廠實際煤種當熱風溫度降低至315℃時可滿足鍋爐運行安全性要求。按預(yù)熱器最小端差25℃推算，預(yù)熱器入口煙溫需控制在350℃左右。改造后熱風溫度較現(xiàn)運行值有所下降、三次風量會增加、二次風量會降低，按上述改造后對煤種適應(yīng)性無較大影響，但飛灰可燃物可能會略有升高，在燃燒器改造時應(yīng)該加以注意。

3.4 綜述

對治理各領(lǐng)域問題的相關(guān)技術(shù)方案，從技術(shù)可行性、經(jīng)濟性、工期等多方面進行比選，確定適合本項目的最優(yōu)方案為：

（1）脫硝裝置布置方案：采用管式空預(yù)器改為回轉(zhuǎn)式。

（2）脫硝裝置鋼結(jié)構(gòu)方案：利用原有鍋爐鋼架，進行加高加固改造。

（3）排煙溫度控制方案：在脫硝裝置至空氣預(yù)熱器之間增設(shè)一級省煤器，便于根據(jù)煙氣溫度時時調(diào)整。

4 實施效果

4.1 解決的問題

（1）將原管式空預(yù)器改造為回轉(zhuǎn)式空預(yù)器，解決了原鍋爐尾部各段煙氣溫度均不在催化劑最佳活性溫度范圍內(nèi)，且同步進行低氮燃燒器改造，脫硝入口煙氣溫度存在變量的問題；

（2）通過在脫硝反應(yīng)器與預(yù)熱器之間增加一級省煤器，解決了因改造場地空間布置限制，空氣預(yù)熱器選型不滿足排煙溫度要求的問題，并實現(xiàn)了排煙溫度在不同機組負荷下的可控。

4.2 環(huán)保及節(jié)能指標效果

脫硝系統(tǒng)加裝后運行穩(wěn)定，滿負荷工況下，脫硝出口氮氧化物濃度低于88mg/Nm3，空氣預(yù)熱器冷端未發(fā)生硫酸氫氨堵塞，尾部設(shè)備運行穩(wěn)定；同時通過空氣預(yù)熱器改造、省煤器改造，機組排煙溫度完成134.99℃，保證了機組可長期穩(wěn)定運行運行經(jīng)濟性。

4.3 經(jīng)濟效益

經(jīng)計算，此次改造后，從脫硝電價、節(jié)能、運行維護成本等多方面綜合計算，可增加經(jīng)濟效益1284萬元以上。

5 主要創(chuàng)新點

（1）打破了以往發(fā)電企業(yè)采用“目標導(dǎo)向”的方法（即主要以環(huán)保改造達標為目標）制定相關(guān)改造方案并實施的慣例，創(chuàng)造性的以解決脫硝改造已出現(xiàn)的問題為導(dǎo)向進行工程建設(shè)。降低了工程施工中的技術(shù)難度，縮短了施工工期、避免了環(huán)保改造后催化劑壽命低于設(shè)計值、排煙溫度偏高、空預(yù)器堵塞導(dǎo)致機組被迫停運等問題的再次出現(xiàn)。

（2）在制定脫硝裝置布置、鋼結(jié)構(gòu)、鍋爐排煙控制、土建施工等多領(lǐng)域方案中，摒棄了以單一方案進行工程實踐的做法，通過引入多種方案進行技術(shù)經(jīng)濟比選的方式，將各領(lǐng)域方案的合理及最優(yōu)方案集成到整個脫硝綜合改造工程中。工程實施后，在節(jié)能指標、設(shè)備可靠性、機組安全運行等方面優(yōu)勢明顯。在國內(nèi)同類型機組的環(huán)保改造中處于領(lǐng)先地位。

（3）在取得良好的社會和經(jīng)濟效益的同時，提供了一種技術(shù)方案比選的方法，形成了一套完善的問題導(dǎo)向技術(shù)比選體系，為日后同類型機組環(huán)保改造工程管理提供了參考和借鑒。