电站锅炉低负荷SCR脱硝技术研究

章斐然， 姚余善， 徐　奇

(东南大学 能源与环境学院， 南京 210096)



环保技术

电站锅炉低负荷SCR脱硝技术研究

章斐然， 姚余善， 徐奇

(东南大学 能源与环境学院， 南京 210096)

摘要：针对燃煤电站锅炉低负荷运行过程中省煤器出口烟温过低、无法满足SCR(选择性催化还原)反应器投运温度要求的问题，对各项低负荷SCR脱硝技术进行了研究，分析了各技术的可行性及优缺点，从而为工程设计提供参考和借鉴。

关键词：锅炉； 脱硝; 低负荷; SCR

在众多大气污染物中，氮氧化物(NOx)作为我国三大主要大气污染物之一，危害巨大。我国的NOx排放量中有近一半来自于燃煤电厂。而燃煤过程中产生的NOx大多为NO，占95%以上。因物理化学作用，NOx可引发一系列多层次的环境问题，严重危害了人体健康和生态安全[1]。

燃煤电站常用的SCR反应器中，催化剂正常的活性反应温度一般为320～400 ℃[2]。而机组中低负荷运行时，SCR反应器入口烟温，即省煤器出口烟温可能会低于这个温度，这就使得SCR催化剂活性无法始终维持在最佳状态，反应器运行效率偏低[3]，同时还会导致氨逃逸率增加。从SCR反应器逃逸的NH3与烟气中的SO3和H2O在合适的温度下，反应生成NH4HSO4和少量(NH4)2SO4[4]。NH4HSO4具有较强的黏结性，会附着在空气预热器表面并吸附飞灰颗粒，长时间堆积从而引起堵灰。NH4HSO4生成量随着氨逃逸率的增加而增加。在保持脱硝效率等其他条件一定时，最有效的降低氨逃逸率的方法是提高SCR反应效率。

而在实际运行中，由于机组负荷降低，造成SCR入口烟温达不到催化剂活性温度区间，则脱硝装置将被迫退出运行，从而导致烟气排放不达标。

笔者对现有的SCR脱硝装置进行改进，使进入脱硝装置的烟气温度保持在催化剂的反应温度区间内，保证锅炉在负荷区间内实现NOx的达标排放，同时提高脱硝催化剂的使用寿命。

1改造方案

针对电站锅炉低负荷运行过程中SCR脱硝装置入口烟气温度无法满足催化剂反应温度区间的问题，需对省煤器及相关部件进行改造。而现有改造方案多是从如下两个角度来提高SCR入口烟气温度，以满足SCR投运要求：(1)通过烟气侧直接加热省煤器出口烟气温度。(2)通过给水侧的改进，提高给水温度，从而减少省煤器内换热量，以提高省煤器出口烟温[5-7]。

1.1 省煤器给水旁路

省煤器给水旁路见图1。机组低负荷运行时，调节给水旁路调节阀门，使部分省煤器给水通过旁路直接到达省煤器出口集箱，通过减少省煤器中的给水量，减少热量传递，从而提升烟温。此方案需要配置旁路省煤器的阀门和相应的旁路管道。

优缺点分析：该方案改造相对简单，在烟温调节区间要求不高时可适当考虑；但由于水侧传热系数极大，远大于烟气侧传热系数，如减少少量的工质流量，无法有效改变出口烟温，即减少少量省煤器入口给水流量，省煤器的总换热量基本不变，只是提高了省煤器的出口水温。该方案需要将旁路流量选取到50%以上效果才显著。另外从省煤器入口抽出大量工质后会造成省煤器出口水欠焓增加。

1.2 省煤器加装循环泵

省煤器加装循环泵见图2。对现有锅炉水系统进行改造，利用水泵抽取省煤器出口工质或汽包下降管高温工质送入省煤器的入口，提高省煤器内工质的平均温度，减小省煤器内的传热温差，从而提高省煤器出口烟气温度。

优缺点分析：该方法较水侧的其他方法而言对烟气温度的提升幅度大，其系统简单，改造投资小。考虑到压力等因素的影响，该升温系统仅适用于亚临界和超高压的汽包锅炉，包括自然循环汽包炉和强制循环汽包炉。另外该方案对所增加的泵的可靠性要求比较高，同时机组的经济性会有所下降。

1.3 省煤器烟气旁路

省煤器烟气旁路见图3。在省煤器进口位置的烟道上开孔设置烟气旁路，通过控制烟气挡板来控制旁路烟气流量。在高负荷时，烟气挡板全关，将旁路隔离；而在低负荷时，通过调整烟气挡板开度，从而引出省煤器入口部分烟气与出口烟气混合，提高省煤器出口烟温。

优缺点分析：该方案提升烟气温度效果好，但控制难度大，同时机组的经济性会有所下降。另外，机组高负荷时，撤出旁路，由于省煤器入口烟温能达到500 ℃以上，旁路调节挡板在高温下极易变形，产生内漏，同样会使排烟温度升高，影响锅炉经济性；而低负荷时，挡板若内漏量大，可能会使省煤器出口烟温超过400 ℃，从而使催化剂烧结失活。

1.4 分级省煤器

分级省煤器见图4。

重新布置省煤器管组，如拆除原有省煤器下半部分管组，在SCR出口烟道内增设一定量的省煤器受热面，通过减少SCR反应器前省煤器的吸热量，提高SCR反应器的入口烟温。烟气通过SCR脱硝后，进一步通过SCR反应器后的省煤器来吸收烟气中的热量，以保证空气预热器进出口烟温基本保持不变。

优缺点分析：在不影响锅炉整体效率的情况下，提高SCR入口烟温，同时还能降低排烟温度，提高锅炉效率。但该方案投资成本相对较高，且不能调节，在满负荷时SCR入口烟温可能会超过400 ℃，从而使催化剂烧结失活。另外受空间位置限制，具体布置方案需要根据实际情况进行设计。

1.5 设置零号高压加热器

设置零号高压加热器见图5。在1号高压加热器出口与省煤器间增加一级加热器，利用主汽或者三抽高温蒸汽加热给水，提高省煤器进口给水温度，从而缩小传热温差，使省煤器出口烟温提高。在负荷降低时，通过调节门可控制该加热器的入口压力基本不变，从而能维持给水温度基本不变。

优缺点分析：通过实施该技术，低负荷下省煤器入口水温得以提高，使其出口烟温相应上升，可确保SCR在全负荷范围内处于催化剂的高效运行区间。但该方案在提升SCR入口烟温的同时也使排烟温度有所升高，机组经济性下降，且投资成本较大，控制难度较高。

在低负荷下，几种改进方案对比见表1。

表1　机组低负荷脱硝方案对比

2技术改进

以上几种方案都是从烟气侧或给水侧两个角度进行改造，且都能实现提升省煤器出口烟温，使其满足SCR催化剂反应温度区间的要求。然而在实际操作过程中都存在各自的问题，一方面部分方案较难控制，另一方面排烟温度的提高使机组的经济性下降。而以下方案，又在之前的基础上做了进一步改进。

2.1 SCR循环加热回路

SCR循环加热回路见图6。外加一套带有换热装置的循环回路系统，通过循环介质将热量传递给SCR入口烟气，或直接加热催化剂，将反应温度维持在期望值附近。将催化剂覆盖在换热原件的表面(即该原件由催化剂载体组成)，这样在机组运行过程中催化剂便可始终维持在最优反应温度范围内。换热元件是一个闭合管路，介质在管路内流动，管外设置鳍片，而催化剂便覆盖在鳍片上，一方面加强传热，另一方面增加催化剂的接触表面积。

优缺点分析：该方案能很好地维持催化剂表面温度在指定温度范围内，同时所述的循环回路独立于系统以外，对整个系统的影响较小，并且便于控制。但该方案经过介质换热，造成热量损失，且同样会造成排烟温度升高。

2.2 限流式

限流式方法见图7。在SCR反应器出口与空气预热器之间烟道内安装低温加热器，利用管道，将低温加热器与省煤器实现并联或串联连接。当机组处于中低负荷工况运行时，一方面通过省煤器烟气旁路调节省煤器出口烟温，另一方面控制进入低温加热器的给水流量，配合控制省煤器出口烟温，同时起到降低排烟温度的作用，锅炉效率得以提高[8]。

优缺点分析：以增加低温换热器并改变省煤器内给水流通方式为依据，不改变烟道结构，对烟气流场也无影响，但已建机组进行此方法改造时需对原省煤器材质重新进行热力计算和校核，防止出现爆管现象。

在不影响锅炉效率的前提下使脱硝装置在机组低负荷下正常投运，同时还满足脱硝装置稳定在较高温度下运行的要求。对于排烟温度较高的锅炉，采用该方法，在高负荷下串联使用省煤器和低温换热器，能够有效降低锅炉排烟温度，提高锅炉效率。

3结语

通过合理的途径提高省煤器出口烟气温度，使烟温满足SCR反应装置最低投运温度要求，是解决电站锅炉低负荷脱硝的主要措施。笔者认为，加装省煤器烟气旁路以及省煤器分级布置效果较好；然而这些方案中有的难于控制，且大部分方案都提高了排烟温度，对锅炉效率造成一定的影响。而在原有方案的基础上进行一些改造，如第2.2节的限流法，则可在一定程度上解决上述问题。因此，采用何种方法提高省煤器出口烟温，需根据电站锅炉情况及尾部烟道空间等因素综合考虑。

参考文献：

[1] 陈进生.火电厂烟气脱硝技术-选择性催化还原法[M]. 北京：中国电力出版社，2008：10-22.

[2] 梁红亮，郭宾彬．SCR催化剂的研究应用状况和发展方向[J]．科技情报开发与经济，2008(14)：120-121.

[3] 陈海林，宋新南，江海斌,等. SCR脱硝性能影响因素及维护[J]. 山东建筑大学学报，2008(2)：145-149.

[4] 王洁，滕农，张文杰，等．机组负荷对SCR系统影响研究[J]．电力科技与环保，2011，27(3)：16-18.

[5] 周宏宝．火电机组宽负荷脱硝技术探讨[J]．电力世界，2014(14)：261-262.

[6] 樊立安. 提高SCR反应效率的烟气温度优化调整技术研究[D].浙江：浙江大学，2014.

[7] 张强. 燃煤电站SCR烟气脱硝技术及工程应用[M]. 北京：化学工业出版社，2011.

[8] 杨青山，廖永进. 降低SCR脱硝装置最低投运负荷的策略研究[J]. 中国电力，2014，47(9)：153-155.

Study on SCR Denitrification Technology of Power Plant Boilers in Low-load Operation Process

Zhang Feiran, Yao Yushan, Xu Qi

(School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China)

Abstract：During the practical application of SCR ( selective catalytic reduction ) technology in domestic coal-fired power plants, the economizer outlet flue gas temperature is always lower than the normal reaction temperature range of SCR catalyst in low-load operation process. To solve the problem, several methods for improving the inlet temperature of SCR reactor were studied, with focus on both the advantages and disadvantages of each method, which may serve as a reference for relevant engineering designs.

Keywords：boiler; denitrification; low-load operation; SCR

中图分类号：TK223.73

文献标志码：A

文章编号：1671-086X(2016)02-0106-04

作者简介：章斐然(1988—)，男，在读硕士研究生，研究方向为电站锅炉低负荷脱硝技术。E-mail: 220110322@seu.edu.cn

收稿日期：2015-05-27