燃煤电厂脱硝设施运行绩效提升技术研究

燃煤电厂脱硝设施运行绩效提升技术研究通常机组选型和煤种确定，NOx产生的强度基本定型。随着2015年脱硝超低排放改造提速推进，对脱硝设施运行绩效提升提出了更高的要求。围绕低氮燃烧、SCR反应器和催化剂三个方面，开展脱硝设施运行绩效提升技术研究，为燃煤电厂脱硝设施运行提供技术参考。火电行业的氮氧化物排放绩效，是指发电机组平均每发一度电烟囱排口所排放出的NOx(以NO2计)的数量，用来综合反映发电机组的发电效率和NOx排放强度水平。氮氧化物排放绩效标准有力地促进电力行业清洁化发展，有利于提高电厂的发电效率，推动NOx污染物的治理和总量减排。随着脱硝超低排放要求及改造工程的推进，如何提高脱硝设施运行水平，满足超低排放要求成为研究的难点。为此，本文从脱硝设施运行角度出发，开展燃煤电厂脱硝绩效提升技术研究，实现脱硝设施运行绩效最优化，探索在最佳可行技术条件下，实现火电机组脱硝设施最低排放限值。1提升排放限值超低排放要求对氮氧化物GPS提升是非常明显的，排放标准值提高，发电量不变的情况下，排放绩效下降明显。大部分电厂氮氧化物GPS都有提升潜力，但这个潜力取决于排放限值的设定。表1为测算氮氧化物排放限值与GPS的关系，发电煤耗按300g/(kW•h)评估。表1氮氧化物排放限值与GPS的关系从表可见，只要能满足超低排放，其绩效是成倍提高，50mg/m3的排放标准比200mg/m3的排放标准绩效提高了304%。对于燃煤电厂脱硝设施来说，满足超低排放改造的手段和方法主要两种:低氮燃烧改造和增加催化剂体积/层数。1.1低氮燃烧器改造低氮燃烧器改造主要目的是NOx脱硝装置入口浓度低于300～350mg/m3，脱硝效率控制在85%～92%为最佳效率。过高的效率对氨氮流场匹配度要求非常高，若偏差较大，则势必造成氨逃逸浓度增加，对尾部设备(如空预器)造成影响。进行低氮改造是以不牺牲锅炉热效率为前提，与锅炉相匹配，并结合燃煤特性优化运行。需要注意的是，在低氮燃烧改造过程中，密切关注锅炉炉膛结渣和水冷壁高温腐蚀问题。1.2增加运行脱硝催化剂体积用量/层数新建机组的脱硝设施催化剂可以按3+1或者3+2方式预留，现役机组脱硝设施可新增1层催化剂备用层，形成3+0的布置方式。催化剂形式可以根据煤质和烟气条件选择。增加催化剂备用层需考虑催化剂与烟气的空速比在合理范围内，通常商业催化剂的空速范围在3000～5000h-1，过低的空速会是的催化剂产生浪费，过高的空速会造成烟气停留时间短，不利于NO和NH3在催化剂表面吸附和脱附。满足100mg/m3氮氧化物排放浓度燃煤机组实施超低排放能使得排放绩效提高。新增催化剂选型时需注意两方面的问题，一是根据煤质情况，控制入炉煤硫分，重点关注催化剂碱金属中毒和砷中毒问题;二是增加一层催化剂后，将提高SO2/SO3的转化率，硫酸氢铵的生成几率大大增加，对后续设备如空预器、布袋除尘器(若有)等造成堵塞腐蚀。2全时段/全负荷脱硝环保部《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)指出，《火电厂大气污染物排放标准》是国家强制标准，火电厂在任何运行负荷时，都必须达标排放，这对脱硝设施符合超低限值的时间比率提出了更高要求。表2为锅炉低负荷脱硝装置退出影响NOx排放绩效情况。从表2可以看出，40%和50%低负荷持续时间对全年NOx排放绩效影响分别为155%和194%。表2锅炉低负荷脱硝装置退出影响NOx排放绩效的情况全实现时段全负荷率脱硝目前可行的技术主要有省煤器分级、高温烟气旁路、省煤器给水旁路及弹性回热技术等方式，提高SCR入口烟气温度，确保在催化剂活性温度以内运行SCR反应器。其中，省煤器分级技术因不影响锅炉效率，可提高低负荷条件下脱硝设施投运时间而倍受青睐。3运行工况及参数优化脱硝设施运行优化是在合理的烟气条件和氨氮摩尔比条件下，结合脱硝反应器内的实际工况，使得脱硝装置设计参数满足速度、温度和浓度分布均匀要求。这种调整主要可以从三个方向入手，一是煤的燃烧控制;二是流场不均匀性调整;三是保持适合的氨氮摩尔比。3.1煤的燃烧控制煤的燃烧控制包括配煤掺烧和燃烧器调整，以往配煤掺烧注意的是热值和硫分，在控制NOx的要求下应该加入挥发分指标。(1)进行配煤掺烧。在低负荷时，配烧低挥发分、低热量的煤种，能起到提高排烟温度的效果。燃料挥发分降低时，煤粉着火推迟，燃烧的时间增加，造成炉膛出口温度增加，排烟温度升高。另外，燃料的性质影响着锅炉的排烟温度，燃料低位发热量降低，在锅炉出力维持不变时，将直接导致燃料量的增加，烟气量和流速升高，结果使排烟温度升高。(2)优化燃烧控制。优化燃烧调整可从从两个方面着手:一是抬高燃烧器摆角，使火焰中心上移，从而使炉膛出口烟温升高;二是在低负荷时，在保证燃烧安全的情况下，相对增加上层的燃料量、减小下层的燃料量，这样也能达到火焰中心的位置上移的效果，进而提高烟温。3.2流场均布调整脱硝流场不均会造成一侧通流阻力大、压损高，氨氮混合不均、烟道积灰、加速内构件磨损;催化剂局部积灰严重，加速催化剂磨损;氨逃逸超标，加速空预器堵塞和腐蚀性。(1)流场均布调整。在机组启动前(风机试转期间，锅炉冷态通风条件)下，对SCR各层催化剂进口流场(以上层为主)进行多点风速测试，了解SCR设备的积灰、磨损及烟道内部具体结构状况和流场分布的基本情况，可判断进口流场是否均匀、烟道设计是否合理，并为后期可能进行的数值模拟及烟道整流改造提供基础数据。(2)喷氨格栅优化。根据不同的负荷下烟气的流速情况对该区域的喷氨手动调整阀进行调节，根据测试结果适当调整喷氨系统以及相关系统。在SCR进口流场、NOx浓度相对均匀的条件下，通过预测试、氨空调节总阀调整、氨空调节分阀调整、故障排除后喷氨装置调整等试验内容，以达到SCR出口NOx及氨逃逸相对均匀，缓解空预器堵灰的目的。同时，可对比分析氨空调节前后的效果。(3)运行中保持合适的氨氮摩尔比。当氨氮摩尔比由0.7缓慢增加时，脱硝效率是线性增加的，而此时氨的逃逸率是缓慢增加的。氨氮摩尔比达到1.05时脱硝效率达到最大值;随后随着氨氮摩尔比的增加，脱硝效率是减小的，NH3超量的话NH3氧化等副反应会增大。当氨氮摩尔比超过1时氨气逃逸率会呈抛物线状急剧增大，从而造成对环境的二次污染，也影响脱硝设施运行的经济绩效。4定期催化剂性能检测近几年脱硝催化剂市场竞争激烈，催化剂检测中发现存在主要问题有:降低催化剂生产成本、钛白粉质量不达标、成型催化剂单元体存在长度方向的形变、催化剂成型后质地不均匀、催化剂比表面积和微观孔隙率显著偏低、活性低等。这些问题都直接或间接影响催化剂寿命、脱硝效率和脱硝装置运行可靠性。因此有必要对催化剂性能和状态进行定期检测评估，科学制定催化剂全寿命管理措施，确保SCR脱硝装置核心部件运行稳定可靠。运行中的催化剂通过分阶段的定期性能检测，可以充分掌握催化剂状态，对催化剂惰化时间进行评估;并且通过检测数据可以指导运行优化，结合催化剂性能状况和工况条件优化运行控制，确保脱硝催化剂可靠稳定运行，同时确保脱硝系统的绩效。5脱硝自动化逻辑优化脱硝系统对供氨量的控制通常采用基本控制方式，即固定摩尔比控制或者固定效率控制方式。在该控制方式下系统按照固定的NH3/NOx摩尔比脱除烟气中NOx。该喷氨系统的主调节器调节对象为脱硝反应器出口烟气NOx的含量，副调节器的调节对象为脱硝系统氨空混合器前氨气流量。此控制策略投运以来，当入口NOx浓度稳定时，脱硝效果显著，但是在入口NOx浓度出现较大波动时，往往会出现调节响应迟缓，从而影响还原剂喷入过少或喷入过多的现象，这样就造成了喷氨系统自动回路投入不稳定，长久下来会严重影响脱硝系统的长期稳定运行。提高脱硝控制逻辑的稳定性也能提升脱硝运行绩效，可以采用主控回路取出口NOx浓度作为过程值进行调节，辅控回路取供氨流量作为过程值进行调节。同时，在串级控制框架的基础上，增加多个消除干扰因素或者多种参考变量值的控制措施，使之能够快速响应、消除干扰，最终达到精确控制的目的，逻辑优化结果是能在入口NOx浓度有较大波动时，优化后的喷氨系统向氨气流量调节机构迅速发出指令，对烟气出口NOx浓度进行调节，使之在短时间内趋向设定值。(1)超低排放标准的执行，50mg/m3的排放要求比200mg/m3的排放