唐仲愷，李坤元，柏 源，劉 濤，薛建明

(1.南京電力設備質(zhì)量性能檢驗中心 江蘇 南京 210023；2.東南大學經(jīng)濟管理學院，江蘇 南京 210009；3.國電科學技術(shù)研究院清潔高效燃煤發(fā)電與污染控制國家重點實驗室，江蘇 南京 210031)

燃煤電廠脫硝設施運行績效提升技術(shù)研究

唐仲愷1，李坤元2，柏 源3，劉 濤3，薛建明3

(1.南京電力設備質(zhì)量性能檢驗中心 江蘇 南京 210023；2.東南大學經(jīng)濟管理學院，江蘇 南京 210009；3.國電科學技術(shù)研究院清潔高效燃煤發(fā)電與污染控制國家重點實驗室，江蘇 南京 210031)

通常機組選型和煤種確定，NOx產(chǎn)生的強度基本定型。隨著2015年脫硝超低排放改造提速推進，對脫硝設施運行績效提升提出了更高的要求。圍繞低氮燃燒、SCR反應器和催化劑三個方面，開展脫硝設施運行績效提升技術(shù)研究，為燃煤電廠脫硝設施運行提供技術(shù)參考。

脫硝；運行績效；流場均布；邏輯控制

0 引言

火電行業(yè)的氮氧化物排放績效，是指發(fā)電機組平均每發(fā)一度電煙囪排口所排放出的NOx(以NO2計)的數(shù)量，用來綜合反映發(fā)電機組的發(fā)電效率和NOx排放強度水平。氮氧化物排放績效標準有力地促進電力行業(yè)清潔化發(fā)展，有利于提高電廠的發(fā)電效率，推動NOx污染物的治理和總量減排。隨著脫硝超低排放要求及改造工程的推進，如何提高脫硝設施運行水平，滿足超低排放要求成為研究的難點。

為此，本文從脫硝設施運行角度出發(fā)，開展燃煤電廠脫硝績效提升技術(shù)研究，實現(xiàn)脫硝設施運行績效最優(yōu)化，探索在最佳可行技術(shù)條件下，實現(xiàn)火電機組脫硝設施最低排放限值。

1 提升排放限值

超低排放要求對氮氧化物GPS提升是非常明顯的，排放標準值提高，發(fā)電量不變的情況下，排放績效下降明顯。大部分電廠氮氧化物GPS都有提升潛力，但這個潛力取決于排放限值的設定。表1為測算氮氧化物排放限值與GPS的關(guān)系，發(fā)電煤耗

按300g/(kW·h)評估。從表可見，只要能滿足超低排放，其績效是成倍提高，50mg/m3的排放標準比200mg/m3的排放標準績效提高了304%。

表1 氮氧化物排放限值與GPS的關(guān)系

排放限值/mg·m-3脫硝技術(shù)排放績效/g·(kW·h)-1400低氮1.70200低氮+SCR(兩層催化劑)0.85100低氮+SCR(兩/三層催化劑)0.4250低氮+SCR(三/四層催化劑)0.21

對于燃煤電廠脫硝設施來說，滿足超低排放改造的手段和方法主要兩種：低氮燃燒改造和增加催化劑體積/層數(shù)。

1.1 低氮燃燒器改造

低氮燃燒器改造主要目的是NOx脫硝裝置入口濃度低于300～350mg/m3，脫硝效率控制在85%～92%為最佳效率。過高的效率對氨氮流場匹配度要求非常高，若偏差較大，則勢必造成氨逃逸濃度增加，對尾部設備(如空預器)造成影響。進行低氮改造是以不犧牲鍋爐熱效率為前提，與鍋爐相匹配，并結(jié)合燃煤特性優(yōu)化運行。需要注意的是，在低氮燃燒改造過程中，密切關(guān)注鍋爐爐膛結(jié)渣和水冷壁高溫腐蝕問題。

1.2 增加運行脫硝催化劑體積用量/層數(shù)

新建機組的脫硝設施催化劑可以按3+1或者3+2方式預留，現(xiàn)役機組脫硝設施可新增1層催化劑備用層，形成3+0的布置方式。催化劑形式可以根據(jù)煤質(zhì)和煙氣條件選擇。增加催化劑備用層需考慮催化劑與煙氣的空速比在合理范圍內(nèi)，通常商業(yè)催化劑的空速范圍在3000～5000h-1，過低的空速會是的催化劑產(chǎn)生浪費，過高的空速會造成煙氣停留時間短，不利于NO和NH3在催化劑表面吸附和脫附。滿足100mg/m3氮氧化物排放濃度燃煤機組實施超低排放能使得排放績效提高。

新增催化劑選型時需注意兩方面的問題，一是根據(jù)煤質(zhì)情況，控制入爐煤硫分，重點關(guān)注催化劑堿金屬中毒和砷中毒問題；二是增加一層催化劑后，將提高SO2/SO3的轉(zhuǎn)化率，硫酸氫銨的生成幾率大大增加，對后續(xù)設備如空預器、布袋除塵器(若有)等造成堵塞腐蝕。

2 全時段/全負荷脫硝

環(huán)保部《關(guān)于火電廠SCR脫硝系統(tǒng)在鍋爐低負荷運行情況下NOx排放超標有關(guān)問題的復函》(環(huán)函[2015]143號)指出，《火電廠大氣污染物排放標準》是國家強制標準，火電廠在任何運行負荷時，都必須達標排放，這對脫硝設施符合超低限值的時間比率提出了更高要求。表2為鍋爐低負荷脫硝裝置退出影響NOx排放績效情況。從表2可以看出，40%和50%低負荷持續(xù)時間對全年NOx排放績效影響分別為155%和194%。

表2 鍋爐低負荷脫硝裝置退出影響NOx排放績效的情況

低負荷持續(xù)時間影響全年NOx排放績效40%及以下8h/d,200h/m,1200h/y155%50%及以下10h/d,250h/m,1500h/y194%

全實現(xiàn)時段全負荷率脫硝目前可行的技術(shù)主要有省煤器分級、高溫煙氣旁路、省煤器給水旁路及彈性回熱技術(shù)等方式，提高SCR入口煙氣溫度，確保在催化劑活性溫度以內(nèi)運行SCR反應器。其中，省煤器分級技術(shù)因不影響鍋爐效率，可提高低負荷條件下脫硝設施投運時間而倍受青睞。

3 運行工況及參數(shù)優(yōu)化

脫硝設施運行優(yōu)化是在合理的煙氣條件和氨氮摩爾比條件下，結(jié)合脫硝反應器內(nèi)的實際工況，使得脫硝裝置設計參數(shù)滿足速度、溫度和濃度分布均勻要求。這種調(diào)整主要可以從三個方向入手，一是煤的燃燒控制；二是流場不均勻性調(diào)整；三是保持適合的氨氮摩爾比。

3.1 煤的燃燒控制

煤的燃燒控制包括配煤摻燒和燃燒器調(diào)整，以往配煤摻燒注意的是熱值和硫分，在控制NOx的要求下應該加入揮發(fā)分指標。

(1)進行配煤摻燒。在低負荷時，配燒低揮發(fā)分、低熱量的煤種，能起到提高排煙溫度的效果。燃料揮發(fā)分降低時，煤粉著火推遲，燃燒的時間增加，造成爐膛出口溫度增加，排煙溫度升高。另外，燃料的性質(zhì)影響著鍋爐的排煙溫度，燃料低位發(fā)熱量降低，在鍋爐出力維持不變時，將直接導致燃料量的增加，煙氣量和流速升高，結(jié)果使排煙溫度升高。

(2)優(yōu)化燃燒控制。優(yōu)化燃燒調(diào)整可從從兩個方面著手：一是抬高燃燒器擺角，使火焰中心上移，從而使爐膛出口煙溫升高；二是在低負荷時，在保證燃燒安全的情況下，相對增加上層的燃料量、減小下層的燃料量，這樣也能達到火焰中心的位置上移的效果，進而提高煙溫。

3.2 流場均布調(diào)整

脫硝流場不均會造成一側(cè)通流阻力大、壓損高，氨氮混合不均、煙道積灰、加速內(nèi)構(gòu)件磨損；催化劑局部積灰嚴重，加速催化劑磨損；氨逃逸超標，加速空預器堵塞和腐蝕性。

(1)流場均布調(diào)整。在機組啟動前(風機試轉(zhuǎn)期間，鍋爐冷態(tài)通風條件)下，對SCR各層催化劑進口流場(以上層為主)進行多點風速測試，了解SCR設備的積灰、磨損及煙道內(nèi)部具體結(jié)構(gòu)狀況和流場分布的基本情況，可判斷進口流場是否均勻、煙道設計是否合理，并為后期可能進行的數(shù)值模擬及煙道整流改造提供基礎數(shù)據(jù)。

(2)噴氨格柵優(yōu)化。根據(jù)不同的負荷下煙氣的流速情況對該區(qū)域的噴氨手動調(diào)整閥進行調(diào)節(jié)，根據(jù)測試結(jié)果適當調(diào)整噴氨系統(tǒng)以及相關(guān)系統(tǒng)。在SCR進口流場、NOx濃度相對均勻的條件下，通過預測試、氨空調(diào)節(jié)總閥調(diào)整、氨空調(diào)節(jié)分閥調(diào)整、故障排除后噴氨裝置調(diào)整等試驗內(nèi)容，以達到SCR出口NOx及氨逃逸相對均勻，緩解空預器堵灰的目的。同時，可對比分析氨空調(diào)節(jié)前后的效果。

(3) 運行中保持合適的氨氮摩爾比。當氨氮摩爾比由0.7緩慢增加時，脫硝效率是線性增加的，而此時氨的逃逸率是緩慢增加的。氨氮摩爾比達到1.05時脫硝效率達到最大值；隨后隨著氨氮摩爾比的增加，脫硝效率是減小的，NH3超量的話NH3氧化等副反應會增大。當氨氮摩爾比超過1時氨氣逃逸率會呈拋物線狀急劇增大，從而造成對環(huán)境的二次污染，也影響脫硝設施運行的經(jīng)濟績效。

4 定期催化劑性能檢測

近幾年脫硝催化劑市場競爭激烈，催化劑檢測中發(fā)現(xiàn)存在主要問題有：降低催化劑生產(chǎn)成本、鈦白粉質(zhì)量不達標、成型催化劑單元體存在長度方向的形變、催化劑成型后質(zhì)地不均勻、催化劑比表面積和微觀孔隙率顯著偏低、活性低等。這些問題都直接或間接影響催化劑壽命、脫硝效率和脫硝裝置運行可靠性。因此有必要對催化劑性能和狀態(tài)進行定期檢測評估，科學制定催化劑全壽命管理措施，確保SCR脫硝裝置核心部件運行穩(wěn)定可靠。

運行中的催化劑通過分階段的定期性能檢測，可以充分掌握催化劑狀態(tài)，對催化劑惰化時間進行評估；并且通過檢測數(shù)據(jù)可以指導運行優(yōu)化，結(jié)合催化劑性能狀況和工況條件優(yōu)化運行控制，確保脫硝催化劑可靠穩(wěn)定運行，同時確保脫硝系統(tǒng)的績效。

5 脫硝自動化邏輯優(yōu)化

脫硝系統(tǒng)對供氨量的控制通常采用基本控制方式，即固定摩爾比控制或者固定效率控制方式。在該控制方式下系統(tǒng)按照固定的NH3/NOx摩爾比脫除煙氣中NOx。該噴氨系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)對象為脫硝反應器出口煙氣NOx的含量，副調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)對象為脫硝系統(tǒng)氨空混合器前氨氣流量。此控制策略投運以來，當入口NOx濃度穩(wěn)定時，脫硝效果顯著，但是在入口NOx濃度出現(xiàn)較大波動時，往往會出現(xiàn)調(diào)節(jié)響應遲緩，從而影響還原劑噴入過少或噴入過多的現(xiàn)象，這樣就造成了噴氨系統(tǒng)自動回路投入不穩(wěn)定，長久下來會嚴重影響脫硝系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行。

提高脫硝控制邏輯的穩(wěn)定性也能提升脫硝運行績效，可以采用主控回路取出口NOx濃度作為過程值進行調(diào)節(jié)，輔控回路取供氨流量作為過程值進行調(diào)節(jié)。同時，在串級控制框架的基礎上，增加多個消除干擾因素或者多種參考變量值的控制措施，使之能夠快速響應、消除干擾，最終達到精確控制的目的，邏輯優(yōu)化結(jié)果是能在入口NOx濃度有較大波動時，優(yōu)化后的噴氨系統(tǒng)向氨氣流量調(diào)節(jié)機構(gòu)迅速發(fā)出指令，對煙氣出口NOx濃度進行調(diào)節(jié)，使之在短時間內(nèi)趨向設定值。

6 結(jié)語

(1)超低排放標準的執(zhí)行，50mg/m3的排放要求比200mg/m3的排放標準績效提高了304%。

(2)推行全時段全負荷脫硝技術(shù)，當?shù)拓摵?0%及以下時間全年累積超過1200h，將影響排放績效降低155%。

(3)對運行工況和參數(shù)優(yōu)化，分為燃燒端控制、流場均勻性調(diào)整、保持合適氨氮摩爾比。定期對在運催化劑進行性能測試，了解催化劑狀態(tài)，保證其在較高的活性區(qū)間。

(4)結(jié)合電廠實際情況對脫硝自動化邏輯進行優(yōu)化，確保脫硝設施自動裝置的穩(wěn)定運行。

[1]中華人民共和國環(huán)境保護部. 關(guān)于印發(fā)《全面實施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》的通知[EB/OL].http://www.zhb.gov.cn/gkml/hbb/bwj/201512/t20151215_319170.htm?_sm_au_=iVVR2PCFSksVLj6H.

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Study on denitration facilities run performance improvement technique for coal-fired power plant

Generally, the intensity of nitrogen oxides was produced when the selection of unit and coal was determined. Denitration ultra low emission transformation was accelerated quickly since 2015，which put forward higher requirements for coal-fired units. Focus on three aspects of low NOxcombustion,SCRreactorandcatalyst,thedenitrationfacilitiesoperatingperformanceimprovementtechnologyresearchwasstudiedinthispaper,whichprovidedtechnicalreferenceforcoalfiredpowerplantdenitrationfacilityoperation.

denitration; running performance; flow field optimization; logic control

江蘇省環(huán)?？蒲姓n題(SJC2014090288)

X701.7

B

1674-8069(2017)02-041-03

2016-10-16；

2016-11-20

唐仲愷(1985-)，男，江蘇鹽城人，助理工程師，從事火電廠環(huán)保設施的監(jiān)測技術(shù)、運行維護及環(huán)保檢測產(chǎn)品的開發(fā)和工程應用。E-mail:gdhb_tzk@163.com