李建星

（華電國(guó)際鄒縣發(fā)電廠，山東 鄒城 273522）

0 引言

我國(guó)經(jīng)濟(jì)正處于快速發(fā)展過(guò)程中，電力需求量也在不斷增加。在眾多的發(fā)電廠中，火力發(fā)電廠所占比例最大。因此也導(dǎo)致了煤炭的用量只增不減，空氣中的氮氧化物、粉塵、硫氧化物等大氣污染物也隨之增加，大氣污染治理一直備受關(guān)注，但依舊存在很多問(wèn)題。除了政府干涉治理之外，火電廠在發(fā)電時(shí)也要把這個(gè)問(wèn)題納入考慮之中。隨著除塵設(shè)備和脫硫脫硝裝置在火電廠的全面應(yīng)用，空氣污染情況得到一些改善，可是仍然不能從根本上解決。近年來(lái)，脫硝裝置在火電廠中的投入已經(jīng)是硬性指標(biāo)，在火電廠中必須使用，否則就會(huì)被追究法律責(zé)任。目前脫硝技術(shù)的研究已納入我國(guó)環(huán)境保護(hù)中的重要內(nèi)容[1-2]。

1 火電廠脫硝背景

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2008年我國(guó)的氮氧化物排放量高達(dá)2000萬(wàn)噸，排名世界第一。有專家預(yù)測(cè)，氮氧化物的排放量還會(huì)持續(xù)增加，到2020年將突破3000萬(wàn)噸。這樣龐大的數(shù)字也給我國(guó)環(huán)境保護(hù)組織敲響了警鐘，我國(guó)的大氣環(huán)境質(zhì)量將受到嚴(yán)重的威脅。

氮氧化物包括很多種，其中最重要的兩種污染物是一氧化氮和二氧化氮。氮氧化物會(huì)對(duì)人體健康造成傷害，誘發(fā)疾病，且在大氣中持續(xù)存在將造成二次污染。氮氧化物的大量排放會(huì)在空氣中形成酸雨和光化學(xué)煙霧，對(duì)臭氧層造成破環(huán)，嚴(yán)重?fù)p害生態(tài)環(huán)境。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)的氮氧化物排放量逐漸上升，酸雨中的成分不斷變化，已經(jīng)出現(xiàn)硝酸和硫酸混合型酸雨，我國(guó)面臨嚴(yán)重的酸雨污染狀況。

氮氧化物主要產(chǎn)生于工業(yè)、機(jī)動(dòng)車和火電廠?；痣姀S的煤炭燃燒產(chǎn)生的氮氧化物排放量比例最高。由于火力發(fā)電是我國(guó)電力的重要組成部分，因此，火電裝機(jī)容量會(huì)出現(xiàn)增長(zhǎng)，氮氧化物排放量在短時(shí)間內(nèi)是無(wú)法減少的，甚至更多是處于增長(zhǎng)水平[3]。

2 火電廠脫硝技術(shù)發(fā)展

火電廠的氮氧化物排放控制手段包括：嚴(yán)格控制燃燒過(guò)程中生成的氮氧化物容量，是一種低氮燃燒技術(shù)；另一種是對(duì)煤炭燃燒后產(chǎn)生的氮氧化物進(jìn)行處理，指煙氣脫硝技術(shù)。煙氣脫硝技術(shù)又包括了選擇性催化還原法（SCR技術(shù)）和低負(fù)荷脫硝技術(shù)，除了這兩種之外，還有活性炭吸附法、微生物吸收法，等等。

2.1 低氮燃燒技術(shù)

燃料在燃燒時(shí)生成氮氧化物，然后人為地進(jìn)行燃燒技術(shù)改進(jìn)來(lái)實(shí)現(xiàn)氮氧化物的生成量和排放量控制，該技術(shù)被叫作低氮燃燒技術(shù)。低氮燃燒技術(shù)包括了三個(gè)方面的內(nèi)容：分別是低氮燃燒器、空氣燃燒技術(shù)以及燃料燃燒技術(shù)。根據(jù)火電廠中新引進(jìn)的火電機(jī)組規(guī)范，都要安裝低氮燃燒設(shè)備，在傳統(tǒng)的火電機(jī)組的脫硝設(shè)備改造中，將鍋爐爐壁進(jìn)行修改，就能實(shí)現(xiàn)低氮燃燒技術(shù)。低氮燃燒技術(shù)有兩項(xiàng)重要的內(nèi)容：第一，它可以使用單項(xiàng)技術(shù)或者運(yùn)用多項(xiàng)技術(shù)組合；第二，該技術(shù)的脫硝效率最大能夠達(dá)到50%，技術(shù)工藝較為成熟，設(shè)備運(yùn)行和投資成本費(fèi)用較低[4]。

2.2 選擇性催化還原法

SCR催化還原技術(shù)是指在選擇性催化劑的作用下實(shí)現(xiàn)氮氧化物轉(zhuǎn)換的化學(xué)反應(yīng)，出口煙氣中的二氧化氮會(huì)通過(guò)化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)換為氮?dú)夂退?，從而達(dá)到出口煙氣中二氧化氮排放量減少的技術(shù)。應(yīng)用于煙氣脫硝中的SCR催化劑可分為高溫催化劑（345～590 ℃）、低溫催化劑（80～300 ℃）以及中溫催化劑（260～380 ℃），催化劑種類不同，反應(yīng)溫度也有所差別。如果化學(xué)反應(yīng)溫度較低，選用的催化劑活性也較低，會(huì)造成煙氣脫硝效率有所下降，同時(shí)催化劑長(zhǎng)時(shí)間處于低溫工作狀態(tài)會(huì)影響催化劑的相對(duì)活性。而化學(xué)反應(yīng)溫度偏高，容易造成催化劑氧化，還會(huì)使催化劑材料發(fā)生改變，催化劑失活或者活性降低。近年來(lái)，國(guó)際上的SCR還原裝置多使用耐高溫催化劑，反應(yīng)溫度在 315～400 ℃左右。

催化劑的選擇與SCR脫硝裝置的結(jié)構(gòu)也有密切聯(lián)系。SCR的結(jié)構(gòu)有三種：一是位于煙氣脫硫除塵之后(尾部法)、二是安裝在鍋爐后方（高塵法）、三是處于電除塵器與空氣預(yù)熱器之間（低塵法）。高塵布置時(shí)SCR反應(yīng)裝置處于省煤器與空氣預(yù)熱器之間，而它們之間的溫度是300～430℃，此溫度是普通催化劑的最合適溫度，當(dāng)煙氣通向SCR反應(yīng)裝置后，不需要再進(jìn)行加熱，反應(yīng)裝置的運(yùn)行成本較低。低塵布置法通過(guò)降低煙塵對(duì)反應(yīng)催化劑的化學(xué)作用，從而避免催化劑出現(xiàn)堵塞，盡可能地提高催化劑的壽命。但是低塵布置法須使用電除塵器。尾部布置法中SCR安裝在煙氣除塵脫硫后方，需要加熱系統(tǒng)來(lái)滿足煙氣催化劑的溫度要求，投資成本高。因此，在SCR催化還原裝置中，高塵布置法是首選[5]。

3 國(guó)內(nèi)外SCR技術(shù)現(xiàn)狀研究

當(dāng)前，我國(guó)的火電廠已經(jīng)開(kāi)始大規(guī)模的安裝SCR催化劑還原裝置，以達(dá)到大面積降低氮氧化物排放量的目的。但就目前火電廠中正在運(yùn)行的SCR還原裝置來(lái)說(shuō)，它的機(jī)組省煤器排煙效果會(huì)受到溫度的影響，負(fù)荷將低至50%，排煙溫度達(dá)不到催化劑的最低運(yùn)行溫度，造成脫硝效果降低[6]。因此，有必要對(duì)市面上正在運(yùn)行的SCR脫硝還原裝置進(jìn)行完善和創(chuàng)新，主要是通過(guò)控制選擇性催化劑的還原反應(yīng)器釋放的煙氣溫度，從而確保煙氣溫度范圍能夠在催化劑所需溫度區(qū)間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)鍋爐的氮氧化物排放量達(dá)標(biāo)。并同時(shí)使得還原催化劑的壽命得以延長(zhǎng)，有效降低催化成本。

4 低負(fù)荷脫硝技術(shù)介紹

鍋爐低負(fù)荷工作條件下，為了實(shí)現(xiàn)省煤器煙氣溫度的上升，有以下幾種方案供參考。

4.1 鍋爐水混合提溫法

鍋爐水混合提溫法主要是采用鍋爐水加熱的辦法來(lái)增加省煤器的煙氣溫度，這個(gè)方案已經(jīng)在火電廠運(yùn)行，有經(jīng)驗(yàn)積累，運(yùn)行效果有據(jù)可依。

4.2 多級(jí)省煤器脫硝

省煤器分級(jí)是通過(guò)改變省煤器的結(jié)構(gòu)布置來(lái)實(shí)現(xiàn)多級(jí)省煤器運(yùn)行，然后把將改裝過(guò)的省煤器安裝在SCR還原裝置的煙氣出口位置，但是改裝過(guò)后的多級(jí)省煤器由于規(guī)模過(guò)大，火電廠的場(chǎng)地?zé)o法滿足要求，因此，多級(jí)省煤器還沒(méi)有應(yīng)用到實(shí)際的脫硝反應(yīng)器中。

4.3 省煤器旁路脫硝技術(shù)

省煤器旁路脫硝技術(shù)指的是從省煤器的煙氣出口側(cè)或者給水側(cè)設(shè)置旁路，在低負(fù)荷時(shí)，一部分溫度高的出口煙氣會(huì)向煙氣旁路流通，另外一些鍋爐給水往水側(cè)旁路流出，如此一來(lái)，能夠使得出口煙氣的溫度提到提高，可以滿足SCR還原裝置的運(yùn)行要求 。省煤器旁路脫硝技術(shù)的設(shè)計(jì)方案效果良好，在工程中已經(jīng)有應(yīng)用。

4.3.1 省煤器水旁路改造

省煤器水旁路改造是指在一些省煤器供水管中增加旁路設(shè)置，在低負(fù)荷脫硝時(shí)，能夠有效減少供水量，實(shí)現(xiàn)省煤器煙氣溫度的升高。此方案需要進(jìn)行修改的內(nèi)容是：① 通過(guò)給省煤器給水管道安裝補(bǔ)償器，再安裝手動(dòng)閥門裝置；② 對(duì)省煤器給水管道進(jìn)行部分改造；③ 要對(duì)水旁路管道進(jìn)行定期的檢修、維護(hù)，尤其要設(shè)置鋼架結(jié)構(gòu)、欄桿；④ 在省煤器給水旁路裝置中設(shè)置控制和照明系統(tǒng)，保證工作人員在施工時(shí)的安全。

4.3.2 省煤器煙氣出口旁路

省煤器煙氣出口旁路只需將省煤器中一些高溫?zé)煔饧訜崾∶浩鞯某隹跓煔?，因此僅對(duì)一些鍋爐尾部框架和省煤器給水管道實(shí)行改造即可。方案內(nèi)容包括：① 在省煤器的煙氣旁路管道上調(diào)節(jié)擋板門，調(diào)整補(bǔ)償器和導(dǎo)流板系統(tǒng)；② 改造鍋爐尾部鋼架結(jié)構(gòu)、欄桿和檢修平臺(tái)；③ 檢查省煤器煙氣旁路的電氣和照明系統(tǒng)；④ 完善省煤器煙氣旁路控制系統(tǒng)；⑤ 檢修省煤器煙氣旁路的壓縮空氣、保溫、排灰等輔助系統(tǒng)；⑥ 檢查其他的空氣壓縮和汽水管道裝置。以下是省煤器旁路在煙氣脫硝中的應(yīng)用，如圖1所示為煙氣脫硝流程圖。

5 低負(fù)荷脫硝技術(shù)的經(jīng)濟(jì)、安全內(nèi)容分析

5.1 省煤器煙氣旁路安裝擋板

圖1 煙氣脫硝流程圖Fig.1 Flue gas denitration flow chart

省煤器煙氣旁路安裝擋板，能夠很大程度上將SCR還原脫硝裝置的出口煙氣溫度不高的問(wèn)題進(jìn)行有效解決，但是，這種安裝擋板的方式會(huì)進(jìn)一步提高火電廠投資運(yùn)行的資金，在SCR裝置正常工作情況下，安裝的旁路擋板需要長(zhǎng)時(shí)間處于高溫?zé)煔猸h(huán)境中，增加了故障發(fā)生的頻率，一旦擋板出現(xiàn)問(wèn)題，鍋爐運(yùn)行受到影響，在問(wèn)題沒(méi)有處理之前，不能在進(jìn)行煙氣脫硝。所以這種方案不是最佳的方法[8]。

5.2 調(diào)整磨煤機(jī)制粉層次

低負(fù)荷脫硝過(guò)程中，需要調(diào)整磨煤機(jī)的制粉層次，盡可能地把制粉層次移動(dòng)，使?fàn)t膛火焰中心被增高，出口煙氣溫度也會(huì)被提高，溫度可以達(dá)到8 ℃，升溫效果明顯。但是制粉層次如果經(jīng)常調(diào)整會(huì)造成鍋爐內(nèi)氣溫變化太大，會(huì)留下安全隱患，因此也不是理想的解決辦法[9-10]。

5.3 停止鍋爐吹灰

停止鍋爐吹灰能夠短時(shí)間內(nèi)提高低負(fù)荷機(jī)組的SCR反應(yīng)器出口溫度，但鍋爐管壁會(huì)出現(xiàn)機(jī)會(huì)嚴(yán)格、甚至結(jié)焦的現(xiàn)象，給機(jī)組安全運(yùn)行帶來(lái)障礙?？紤]到機(jī)組高負(fù)荷段的排煙情況，這種方式會(huì)導(dǎo)致排煙損失過(guò)大，火電廠的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性能受到影響，違背了低負(fù)荷脫硝技術(shù)的相關(guān)原則，因此不建議使用。

5.4 調(diào)整磨煤機(jī)出口煙氣溫度

火電機(jī)組在進(jìn)行低負(fù)荷工作過(guò)程中，可以通過(guò)調(diào)整磨煤機(jī)的出口煙氣溫度來(lái)增強(qiáng)脫硝效果，這個(gè)辦法操作上較為簡(jiǎn)單，但實(shí)際的脫硝效果并不顯著，并且磨煤機(jī)出口煙氣溫度一旦出現(xiàn)降低，會(huì)造成嚴(yán)重的燃煤損耗，有很大的負(fù)面影響。

5.5 增加鍋爐風(fēng)量

火電廠低負(fù)荷脫硝時(shí)，可以適當(dāng)增肌鍋爐的風(fēng)量，對(duì)SCR還原脫硝裝置的出口煙氣溫度提高有重要的作用，雖然鍋爐風(fēng)量增加，但排煙損失也隨之增加。同上述幾種方法進(jìn)行比較后，可以得知這項(xiàng)操作簡(jiǎn)單，且只在低負(fù)荷脫硝期間使用，適用性強(qiáng)[11]。

6 結(jié)語(yǔ)

火電廠在運(yùn)行期間既需要承擔(dān)排放指標(biāo)的重任，又處于低負(fù)荷運(yùn)行的重要階段，所以SCR脫硝技術(shù)的不斷升級(jí)和完善，能夠保證低負(fù)荷脫硝系統(tǒng)的正常運(yùn)行，低負(fù)荷脫硝技術(shù)的氮氧化物超低排放將成為大勢(shì)所趨。