燃煤电厂宽温催化剂全负荷脱硝的应用研究

刘海蛟 程纪东 孙 科 李清毅 李文华 潘良金 吴卫红

1 浙江天地环保科技有限公司

2 浙江浙能温州发电有限公司

3 浙江大学

燃煤电厂宽温催化剂全负荷脱硝的应用研究

刘海蛟1程纪东1孙 科1李清毅1李文华2潘良金1吴卫红3

1 浙江天地环保科技有限公司

2 浙江浙能温州发电有限公司

3 浙江大学

研究了宽温催化剂在燃煤电厂的全负荷脱硝应用。该新型SCR宽温催化剂在设计煤种条件下35%～100% BMCR工况时，脱硝效率不小于85%，氨逃逸率不大于3 ppm，SO2/SO3转化率小于1%。研究结果表明，在100%负荷工况下，脱硝效率85.31%，氨逃逸率2.30 ppm，SO2/SO3转化率0.835%。35%负荷工况下，脱硝效率85.05%，氨逃逸率2.51 ppm。在试验工况条件下，各项保证参数均达到保证值。

脱硝；SCR；宽温；催化剂；全负荷

DOI∶10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.02.002

1 前言

我国一次能源消费结构以煤为主，2015年能源消费总量43.0亿t标准煤，煤炭消费量占能源消费总量的64.0%[1]。中国的一次能源结构决定了我国的电力结构是以煤电为主，2015年底全国火电装机容量9.9亿kW[2]。火电厂煤燃烧产生大量的氮氧化物，对环境保护造成不利的影响。为了降低氮氧化物对环境的影响，燃煤电厂多采用以选择性催化还原（SCR）技术为主的氮氧化物控制技术。截至2014年底，已投运火电厂烟气脱硝机组容量约6.87亿kW，占全国火电机组容量的75.0%，占全国煤电机组容量的83.2%[3]。

SCR采用的催化剂对烟气温度有下限要求，当机组负荷较低（烟气温度低于300℃）时，催化剂活性下降，造成脱硝效率下降，氨逃逸率上升，生成硫酸氢铵造成空预器堵塞，影响机组的安全稳定运行。为了避免低负荷下SCR系统对机组的不利影响，发电企业多采取SCR系统低负荷停止运行的策略。针对发电企业在低负荷退出SCR系统投运问题，环境保护部发文要求，火电厂在任何运行负荷时，都必须达标排放。脱硝系统无法运行导致的氮氧化物排放浓度高于排放限值要求的，应认定为超标排放,并依法予以处罚[4]。使烟温满足SCR全负荷脱硝的常规措施是对锅炉/汽轮机进行改造，包括省煤器水侧旁路改造、省煤器烟气侧旁路改造、省煤器分级改造、汽轮机高压缸抽汽回热等技术[5～8]。上述措施费用较高，工期长、对机组的热效率和稳定运行有一定的影响。研究SCR催化剂在低负荷低烟温下的适用性，对于解决燃煤电厂全负荷脱硝有重要意义，本文对新型宽温催化剂在燃煤电厂的全负荷脱硝应用进行研究。

2 燃煤电厂概况

该电厂锅炉系引进国外技术，由上海锅炉厂制造的SG-1025/17.5-M869 型亚临界中间一次再热控制循环汽包炉，配用中速磨直吹式制粉系统，固态排渣，π型布置、单炉膛、平衡通风、炉膛四角正反切圆燃烧。喷嘴摆动可调，燃用易结渣性烟煤。炉前布置五台HP-863型中速磨煤机，每台磨煤机出口4根煤粉管道接一层燃烧器。在脱硝改造期间同时进行了取消旁路改造、锅炉低氮燃烧器改造、汽轮机节能增容改造、干式静电除尘器高频电源改造，改造后过热蒸汽流量由1 025 t/h扩容到1087 t/h。

该机组在2012年进行了脱硝改造，每台锅炉安装两台SCR脱硝反应器，每个反应器安装了两层催化剂。机组在2015年进行了超低排放改造，结合锅炉低氮燃烧器燃烧调整，每台反应器安装两层新的宽温催化剂替换原有旧催化剂的方式进行全负荷脱硝应用示范。设计脱硝入口氮氧化物浓度300 mg/Nm³（6%O2），SO2/SO3转化率不超过1%，氨逃逸率不超过3 ppm。

3.测量方法

3.1 氮氧化物

在SCR反应器的入口和出口烟道截面，分别采用等截面网格法布置烟气取样点。对SCR脱硝反应器的进出口各测点逐点测试，主要测试烟气中的NO浓度和O2含量。将各网格点NOx浓度折成同一氧量下的浓度再进行算术平均，其结果为该截面NOx浓度值。

脱硝效率按如下公式计算：

式中：η—脱硝装置的脱硝效率，%；c1—折算到标准状态、6%O2下的进口烟气NOx浓度，mg/ Nm3；c2—折算到标准状态、6%O2下的出口烟气NOx浓度，mg/Nm3。

3.2 氨逃逸

在SCR反应器出口测点位置测试，每个测量面的测点数不少于3点。测试方法参照《燃煤电厂烟气脱硝装置性能验收试验规范》DL/T260-2012附录B。采样装置如图1所示。

通过化学分析，按照如下公式得出烟气中氨逃逸浓度，氨逃逸按如下公式计算：

式中：C—氨逃逸浓度，ppm；1.318—氨体积折算系数，L/g；MNH3—SCR出口烟气中氨含量（标态、干基、6%O2），μg；VNH3—抽取烟气体积（标态、干基、6%O2），L。

图1 氨逃逸浓度采集装置

图2 SO3采样系统

3.3 SO3浓度

每个测量面的测点数不少于3点。测试方法参照《石灰石-石膏湿法烟气脱硫装置性能验收试验规范》DL/T998-2006附录A。采样装置如图2所示。

通过化学分析，按照如下公式得出烟气中SO3的浓度：

式中：CSO3—三氧化硫浓度（标态、干基、6%O2），mg/m3；0.833—硫酸根对三氧化硫的折算系数；L—洗液的容积，0.1L；X—洗液中硫酸根离子的含量，mg/L；V—抽取的烟气体积（标态、干基、6%O2），m3。

3.4 SO2/SO3转化率

烟气中SO2的采样方法执行GB/T 16157和HJ/T 47的规定，烟气中SO3的采样方法参照执行DL/T 998 附录A的规定。通过测量SCR进口的SO2、SO3和出口的SO3浓度，通过计算得到。

SO2/SO3转化率按如下公式计算：

式中：X —烟气脱硝系统SO2/SO3转化率，%；MSO2—SO2的摩尔质量，g/mol；MSO3—SO3的摩尔质量，g/mol；CSO3out—SCR反应器出口烟气中SO3浓度（标态、干基、6%O2），mg/m3；CSO3in—SCR反应器入口烟气中SO3浓度（标态、干基、6%O2），mg/m3；CSO2in—SCR反应器入口烟气中SO2浓度（标态、干基、6%O2），mg/m3。

4 研究内容

4.1 满负荷工况脱硝性能

对满负荷工况下，按照3.1节的测试方法对SCR反应器进出口氮氧化物浓度和氧量进行测量，从而计算出SCR的脱硝效率；按照3.2节的测试方法对多个测量点的氨逃逸率进行测量，从而计算出SCR的氨逃逸率；按照3.3和3.4节的测试方法对多个测量点的二氧化硫和三氧化硫的浓度进行测量，从而计算出SCR的SO2/SO3转化率。具体测量结果如图3所示。

图3是满负荷工况下SCR入口氮氧化物浓度分布情况，从图中可以看出入口的氮氧化物浓度分布较为均匀，相对标准表差只有3.86%。图4是满负荷工况下SCR出口氮氧化物浓度分布情况，从图中可以看出，由于烟道的翻转和偏斜，喷氨区域的速度场有一定的偏差，在入口的氮氧化物浓度较为均匀情况下，出口的氮氧化物浓度分布相对标准偏差有所增加。脱硝效率85.31%。

表1是满负荷工况下SO2/SO3转化率测试结果，在满负荷工况下（入口烟气温度375℃），宽温催化剂的SO2/SO3转化率满足不超过1%的要求。

表2是满负荷工况下氨逃逸率测试数据，从结果中可以看出氨逃逸率满足不超过3 ppm的要求。

4.2 最低稳燃负荷工况脱硝性能

SO2/SO3的化率对温度变化敏感，温度越高，转化率越高。由于满负荷工况下SO2/SO3转化率不超过1%，因此在最低稳燃负荷工况下，烟温较低，SO2/SO3转化率不是关注的重点。最低稳燃负荷主要考量脱硝效率和氨逃逸率。

图4是最低稳燃负荷工况下SCR入口氮氧化物浓度分布情况，图4是最低稳燃负荷工况下SCR出口氮氧化物浓度分布情况。从图中可以看出，在低负荷情况下入口的氮氧化物分布浓度有所变化，在喷氨格栅没有随之调整的情况下，出口的氮氧化物浓度分布波动较大。脱硝效率85.05%。

图3 满负荷入口NOx浓度分布

图4 满负荷出口NOx浓度分布

表1 SO2/SO3转化率测试数据

表2 氨逃逸率测试数据

图5 最低稳燃负荷入口NOx浓度分布

图6 最低稳燃负荷出口NOx浓度分布

表3 氨逃逸率测试数据

表3是最低稳燃负荷工况下（烟气温度275℃）氨逃逸率测试数据，从结果中可以看出氨逃逸率满足不超过3 ppm的要求。

5 结论

（1）宽温催化剂能够满足锅炉在全负荷工况运行下的脱硝效率、氨逃逸率、SO2/SO3转化率的要求，是解决当前SCR脱硝系统难以适应负荷变化的有效途径。

（2）为了进一步提升负荷变化时喷氨量的精确控制，脱硝改造应结合喷氨格栅细调进行相应的优化。

[1] 国家统计局 《中华人民共和国2015 年国民经济和社会发展统计公报》 2016 年 2 月 29 日

[2]国家能源局 《2015年全国6000千瓦及以上电厂发电设备平均利用小时情况》 2016年1月29日

[3]中国电力企业联合会 《中电联发布2014年度火电厂环保产业信息》2015年5月7日

[4]环境保护部 《关于火电厂SCR脱硝系统在锅炉低负荷运行情况下NOx排放超标有关问题的复函》环函[2015]143号 2015年6月19日

[5]闫超，张兰华 1000MW机组全负荷低NOx排放优化 电力科学与工程 第31卷第12期 2015年12月 61-65

[6]罗江勇，吕新乐，边鹏飞，韩琪 600MW超临界锅炉全负荷工况脱硝改造方案探讨 山东电力技术 第42卷（总第214期） 2015年第10期61-66

[7]高伟，宋宝军 1000MW超超临界锅炉全负荷投运SCR技术方案探讨 锅炉制造 第1期 2015年1月 37-39

[8]黄文静，戴苏峰，艾春美，康志宏 电站燃煤锅炉全负荷SCR脱硝控制技术探讨 节能技术 第2期 第33卷(总第190期) 2015年3月 189-192

Study on Wide Temperature Catalyst
Full Load Denitrification Application at Coal-Fired Power Plant

Liu Haijiao1, Cheng Jidong1, Sun Ke1, Li Qingyi1, Li Wenhua2, Pan Liangjin1, Wu weihong3

1 Zhejiang Province Tiandi Environment Protection Technology Co.,Ltd
2 Zhejiang Province Zhe Energy Wenzhou Power Generation Co.,Ltd
3 Zhejiang University

∶The author studies wide temperature catalyst full load application at coal-fired power plant. The brand new SCR wide temperature denitrification rate is above 85%, ammonia escaping rate is under 3ppm and SO2/SO3conversion rate is under 1% when design condition of coal variety is between 35%～100%. The experiment result shows that denitrification efficiency is 85.31%, ammonia escaping rate is 2.3 ppm and SO2/SO3conversion rate is 0.835% when load condition is 100%. The experiment result also shows that denitrification efficiency is 85.05%, ammonia escaping rate is 2.51 ppm when load condition is 35%. All parameters are guaranteed under test conditions.

∶Denitrification, SCR, Wide Temperature, Catalyst, Full Load

刘海蛟：（1978.02-），男，工程师，主要从事电厂环保技术研究和设计工作。