燃煤電廠脫硝設(shè)施運(yùn)行績效提升技術(shù)研究

燃煤電廠脫硝設(shè)施運(yùn)行績效提升技術(shù)研究通常機(jī)組選型和煤種確定，NOx產(chǎn)生的強(qiáng)度基本定型。隨著2015年脫硝超低排放改造提速推進(jìn)，對脫硝設(shè)施運(yùn)行績效提升提出了更高的要求。圍繞低氮燃燒、SCR反應(yīng)器和催化劑三個方面，開展脫硝設(shè)施運(yùn)行績效提升技術(shù)研究，為燃煤電廠脫硝設(shè)施運(yùn)行提供技術(shù)參考。火電行業(yè)的氮氧化物排放績效，是指發(fā)電機(jī)組平均每發(fā)一度電煙囪排口所排放出的NOx(以NO2計(jì))的數(shù)量，用來綜合反映發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率和NOx排放強(qiáng)度水平。氮氧化物排放績效標(biāo)準(zhǔn)有力地促進(jìn)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(jìn)，如何提高脫硝設(shè)施運(yùn)行水平，滿足超低排放要求成為研究的難點(diǎn)。為此，本文從脫硝設(shè)施運(yùn)行角度出發(fā)，開展燃煤電廠脫硝績效提升技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)脫硝設(shè)施運(yùn)行績效最優(yōu)化，探索在最佳可行技術(shù)條件下，實(shí)現(xiàn)火電機(jī)組脫硝設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)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。表1氮氧化物排放限值與GPS的關(guān)系從表可見，只要能滿足超低排放，其績效是成倍提高，50mg/m3的排放標(biāo)準(zhǔn)比200mg/m3的排放標(biāo)準(zhǔn)績效提高了304%。對于燃煤電廠脫硝設(shè)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(shè)備(如空預(yù)器)造成影響。進(jìn)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(yùn)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(yùn)行脫硝催化劑體積用量/層數(shù)新建機(jī)組的脫硝設(shè)施催化劑可以按3+1或者3+2方式預(yù)留，現(xiàn)役機(jī)組脫硝設(shè)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(fèi)，過高的空速會造成煙氣停留時(shí)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(jī)組實(shí)施超低排放能使得排放績效提高。新增催化劑選型時(shí)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(diǎn)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(shè)備如空預(yù)器、布袋除塵器(若有)等造成堵塞腐蝕。2全時(shí)段/全負(fù)荷脫硝環(huán)保部《關(guān)于火電廠SCR脫硝系統(tǒng)在鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行情況下NOx排放超標(biāo)有關(guān)問題的復(fù)函》(環(huán)函[2015]143號)指出，《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》是國家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，火電廠在任何運(yùn)行負(fù)荷時(shí)，都必須達(dá)標(biāo)排放，這對脫硝設(shè)施符合超低限值的時(shí)間比率提出了更高要求。表2為鍋爐低負(fù)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(fù)荷持續(xù)時(shí)間對全年NOx排放績效影響分別為155%和194%。表2鍋爐低負(fù)荷脫硝裝置退出影響NOx排放績效的情況全實(shí)現(xiàn)時(shí)段全負(fù)荷率脫硝目前可行的技術(shù)主要有省煤器分級、高溫?zé)煔馀月?、省煤器給水旁路及彈性回?zé)峒夹g(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(yùn)行SCR反應(yīng)器。其中，省煤器分級技術(shù)因不影響鍋爐效率，可提高低負(fù)荷條件下脫硝設(shè)施投運(yùn)時(shí)間而倍受青睞。3運(yùn)行工況及參數(shù)優(yōu)化脫硝設(shè)施運(yùn)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(yīng)器內(nèi)的實(shí)際工況，使得脫硝裝置設(shè)計(jì)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(yīng)該加入揮發(fā)分指標(biāo)。(1)進(jìn)行配煤摻燒。在低負(fù)荷時(shí)，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(shí)，煤粉著火推遲，燃燒的時(shí)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(shí)，將直接導(dǎo)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?fàn)t膛出口煙溫升高;二是在低負(fù)荷時(shí)，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(dá)到火焰中心的位置上移的效果，進(jìn)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(yán)重，加速催化劑磨損;氨逃逸超標(biāo)，加速空預(yù)器堵塞和腐蝕性。(1)流場均布調(diào)整。在機(jī)組啟動前(風(fēng)機(jī)試轉(zhuǎn)期間，鍋爐冷態(tài)通風(fēng)條件)下，對SCR各層催化劑進(jìn)口流場(以上層為主)進(jìn)行多點(diǎn)風(fēng)速測試，了解SCR設(shè)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(jìn)口流場是否均勻、煙道設(shè)計(jì)是否合理，并為后期可能進(jìn)行的數(shù)值模擬及煙道整流改造提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。(2)噴氨格柵優(yōu)化。根據(jù)不同的負(fù)荷下煙氣的流速情況對該區(qū)域的噴氨手動調(diào)整閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù)測試結(jié)果適當(dāng)調(diào)整噴氨系統(tǒng)以及相關(guān)系統(tǒng)。在SCR進(jìn)口流場、NOx濃度相對均勻的條件下，通過預(yù)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(yàn)內(nèi)容，以達(dá)到SCR出口NOx及氨逃逸相對均勻，緩解空預(yù)器堵灰的目的。同時(shí)，可對比分析氨空調(diào)節(jié)前后的效果。(3)運(yùn)行中保持合適的氨氮摩爾比。當(dāng)氨氮摩爾比由0.7緩慢增加時(shí)，脫硝效率是線性增加的，而此時(shí)氨的逃逸率是緩慢增加的。氨氮摩爾比達(dá)到1.05時(shí)脫硝效率達(dá)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(yīng)會增大。當(dāng)氨氮摩爾比超過1時(shí)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(shè)施運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)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(dá)標(biāo)、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(yùn)行可靠性。因此有必要對催化劑性能和狀態(tài)進(jìn)行定期檢測評估，科學(xué)制定催化劑全壽命管理措施，確保SCR脫硝裝置核心部件運(yùn)行穩(wěn)定可靠。運(yùn)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(shí)間進(jìn)行評估;并且通過檢測數(shù)據(jù)可以指導(dǎo)運(yùn)行優(yōu)化，結(jié)合催化劑性能狀況和工況條件優(yōu)化運(yùn)行控制，確保脫硝催化劑可靠穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)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(yīng)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(yùn)以來，當(dāng)入口NOx濃度穩(wěn)定時(shí)，脫硝效果顯著，但是在入口NOx濃度出現(xiàn)較大波動時(shí)，往往會出現(xiàn)調(diào)節(jié)響應(yīng)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(yán)重影響脫硝系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行。提高脫硝控制邏輯的穩(wěn)定性也能提升脫硝運(yùn)行績效，可以采用主控回路取出口NOx濃度作為過程值進(jìn)行調(diào)節(jié)，輔控回路取供氨流量作為過程值進(jìn)行調(diào)節(jié)。同時(shí)，在串級控制框架的基礎(chǔ)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(yīng)、消除干擾，最終達(dá)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(shí)，優(yōu)化后的噴氨系統(tǒng)向氨氣流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)迅速發(fā)出指令，對煙氣出口NOx濃度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使之在短時(shí)間內(nèi)趨向設(shè)定值。(1)超低排放標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行，50mg/m3的排放要求比200mg/m3的排放