宽负荷脱硝技术研究及应用

（新疆天富能源股份有限公司，石河子市，832000） 李红跃 黄超

我国的能源结构当前仍以化石燃料火力发电为主，燃煤发电过程中释放出大量的污染物，其中氮氧化物（NOx）是燃煤火力发电厂的主要排放大气污染物之一。针对火力发电行业的节能环保是“十三五”规划重点关注的部分，其中脱硝改造是规划中的重中之重。其中，我国国内火电机组普遍负荷率不高，机组长期处于低负荷运行。当机组负荷较低时，脱硝装置入口烟气温度可能低于催化剂的正常使用温度，导致SCR 脱硝系统无法运行，造成氮氧化物排放超标等环保问题。如何优化启停炉阶段的脱硝系统运行方式，拓宽脱硝系统的宽负荷运行能力，是目前研究的重点。

1 概述

1.1 设备简介

石河子市国能能源投资有限公司开发区分公司为2×135MW 热电联产机组（简称东热电厂），其中3 号锅炉为四川川锅有限责任公司生产的SGCG-450/9.81-M型高温、高压蒸汽锅炉，采用四角切圆燃烧、单锅筒自然循环、π型布置、一次中间再热、紧身封闭，平衡通风，固态排渣，采用管式空气预热器，全钢构架双排柱悬吊结构锅炉，燃用烟煤。

锅炉脱硝系统采用SNCR+SCR耦合脱硝技术，还原剂采用尿素溶液，SNCR 区域采用38 支尿素溶液喷枪向炉膛喷入尿素溶液，喷枪设置在炉内高、低温区域，布置4层喷枪，按喷枪标高从高到低分别命名为A、B、C、D层，其中A层标高42m，10支喷枪；B层标高39m，8支喷枪；C层标高35.6m，10支喷枪；D 层标高32.5m，10 支喷枪，，以满足各负荷工况SNCR反应温度区间。尿素热解后生成的氨气在高温区产生SNCR还原反应，将NOx还原成氮气，未反应完的NH3流向尾部SCR催化剂内，继续与剩余的NOx 进行反应，从而实现脱硝的目的。SCR 采用“2+1”布置的方式，目前安装两层催化剂。表1 为SCR脱硝装置的主要技术参数。

表1 SCR脱硝装置的主要技术参数

1.2 启停炉时脱硝系统的不足

锅炉机组正常运行中，锅炉尾部烟道内SCR装置入口烟气温度能运行在290～420°C，脱硝投入条件满足，脱硝可以正常投入。在启停炉过程或锅炉需要低负荷运行时，尾部烟气可能降至290°C以下，对污染物脱除工作影响很大。由于炉膛烟气温度场不能满足脱硝设备的投运，脱硝设备无法投入从而造成NOx超标。

而SCR 装置系统中反应器催化剂工作温度区间为290～420°C，脱离这一温度区域工作，一方面由于SCR反应器入口温度较低导致催化剂活性降低，另一方面，还原剂氨气与烟气中的SO3反应生成硫酸氢铵会沉积在催化剂上，进一步降低催化剂活性，甚至失效，最终将导致脱硝效率严重降低或完全不能脱硝[9]。因此，SCR 系统设置最低运行温度目的是使进入SCR 反应器的烟气温度维持在氨盐沉积温度上，以防止生成硫酸氢铵堵塞催化剂孔隙，降低催化剂活性。

表3 检测数据对照表

要实现脱硝装置宽负荷运行，技术路线有2条：一是使烟温适应脱硝系统，需要改造锅炉热力系统或烟气系统对烟温进行控制；主要技术有省煤器烟气旁路改造、省煤器给水旁路改造、零号高加等技术。二是使催化剂适应烟温，采用低温催化剂同时脱除烟气SO3。目前低温催化剂及SO3脱除技术尚处于研发阶段，没有相关应用实例[10]。以上2 条技术路线对于东热电厂锅炉机组宽负荷脱硝的实现并不具有实际意义，因此提出优化启停炉阶段的脱硝系统运行方式，验证脱硝系统的宽负荷运行能力，这有利于改善启停炉阶段脱硝系统的投入时间，能够减少该阶段排放的高浓度氮氧化物。

2 试验方法

2.1 优化方案

在启停炉阶段的脱硝系统运行方式优化方案：根据SNCR 高温区域的烟气温度情况协调投入SNCR 尿素喷枪，调节尿素溶液流量，以适应SNCR反应温度（850～1 100°C），最终得到启停炉时满足SNCR装置的投入条件，保证SNCR装置的投用。为验证脱硝系统的宽负荷脱硝能力，对东热电厂3 号锅炉进行了启停炉阶段宽负荷脱硝试验。

2.2 仪器设备

在试验前锅炉各段烟温测点更换为经过校验合格的热电偶，锅炉正常运行期间采用现场人工测试，应用烟气分析仪测试脱硝反应器入口及脱硫出口的O2、NOx，同时记录现场仪表的O2、NOX，比对现场仪表的测量准确性，试验过程所用试验仪器见表2。

现场人工测量与现场仪表测试数据如表3 所示，根据脱硝反应器入口及脱硫出口的O2、NO比对结果发现现场仪表与试验仪表测试数据偏差不大，可以采用现场仪表进行试验。

表2 试验仪器

2.3 实施过程

脱硝系统能否投入主要取决于：（1）炉膛温度；（2）脱硝反应器进口烟道温度；（3）当前投入层数喷枪处的炉膛温度。只有保证尿素溶液进入炉膛后能够进行热解脱硝，才能投入脱硝系统。刚点炉时炉膛温度较低，脱硝反应器进口烟道温度也低，只运行单个磨煤机，出粉管在最低层，火焰中心位置偏低，这时可以通过调整二次风使火焰中心上移。

脱硝投入步骤按照D、C、B、A 层依次投入。尿素喷枪层距离火焰中心最近的是D层，能够达到热解温度的首先是D 层，所以最先投入运行的是D 层尿素喷枪模块，随着炉膛温度的提高，热解温度不适合D 层模块运行时切换至C 尿素模块运行，依次从下往上投入尿素喷枪模块。热解温度是否达到以投入尿素溶液后氮氧化物指标降低为准，热解温度是否合适以当前锅炉给煤量、氧量值和投入尿素量三者之间的关系来看。给煤量少、尿素用量大表示尿素喷枪需要切换运行，如果投入尿素溶液后发现氮氧化物未降低说明热解温度未达到，尿素溶液未进行反应，此时应退出脱硝装置运行，以免尿素溶液未反应造成后面烟道堵塞，特别是锅炉空预器的堵塞。

在锅炉启动期间进行脱硝投运试验，在启动期间根据低温过热器后烟温、SCR 入口烟温及炉膛25m 标高处烟温择机投入SNCR 下层喷枪，观察脱硝效果。在锅炉停运期间脱硝投运试验，根据负荷变化，投入SNCR下层喷枪，观察停炉过程中NOX变化，当NOX明显提高时退出SNCR喷枪。

表4 锅炉启动后三个阶段的脱硝效果

表5 锅炉停机期间三个阶段的脱硝效果（同等还原剂投入量）

3 试验结果

3.1 启动期间脱硝投运试验

根据锅炉启动期间脱硝投运试验结果，可以区分为三个阶段，三个阶段的试验数据见表4。从试验结果可以看出锅炉启炉3h 后，投入D 层喷枪，锅炉NOX排放小于200mg/Nm3，锅炉启炉4h后，脱硝系统脱硝效果达到正常运行时的效果，锅炉NOX排放小于90mg/Nm3。

3.2 停运期间脱硝投运试验

锅炉停运期间脱硝投运试验结果数据见表5。从表5 中可以看出，由于负荷降低脱硝效果有所下降，在同等数量还原剂投运的情况下，排放NOX有升高的趋势，但低于100mg/Nm3，满足现阶段环保要求。

经试验验证锅炉脱硝系统可在锅炉投油启动3小时后投入，4h 达到正常运行的水平，停运期间锅炉脱硝系统可保持正常运行至停炉。锅炉脱硝系统达到了全负荷运行的技术要求。

4 结论

对于机组负荷较低时SCR 脱硝系统无法运行造成氮氧化物排放超标的问题，通过优化启停炉阶段的脱硝系统运行方式，拓宽了脱硝系统的宽负荷运行能力。对东热电厂3号锅炉进行了启停阶段宽负荷脱硝试验，试验中根据SNCR 高温区域的烟气温度情况协调投入SNCR 尿素喷枪，调节尿素溶液流量，以适应SNCR反应温度，最终得到启停炉时满足SNCR装置的投入条件，保证SNCR装置的投用。