火电厂脱硝超低排放运行优化
发布时间：2020-06-03
摘要：2018年，全国两会将生态文明写入中国宪法，环境保护问题进一步上升到全局性高度，通过不断加大生态环境治理力度，谋求更好的生态环境治理与经济协同发展也得到了宪法的保障。火力发电作为现阶段我国社会生产生活中的主要发电方式之一，面临的环保压力十分严峻，引进新工艺、新技术，推行超低排放技术改造势在必行。由此，本文主要分析火电行业脱硝超低排放技术在燃煤火电厂中的应用，以促进火电厂更好地落实氮氧化物减排降耗工作，切实做到履行企业环保主体责任。
关键词：火电厂;脱硝超低排放;操作优化
1脱硝超低排放提效改造背景
为积极响应《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014—2020)》，自2015年以来，全国范围内燃煤电厂都在积极推行烟气超低排放改造。现有燃煤机组烟气脱硝改造方案从装置实际运行情况出发，遵循“改造技术成熟、可靠、先进;改造措施经济、合理、有效;改造后设备运行稳定、安全;整机使用寿命周期长，达到超低排放标准”的原则，针对存在的实际问题提出建设性的改造措施，做到“范围明确、重点突出、便于实施、缩短工期”[1,2]。
2技术方案确定
2.1脱硝工艺路线的确定
根据《火电厂烟气脱硝技术导则》(DL/T296—2011)，新建火电机组加装脱硝系统时，设计工况宜采用BMCR工况下的烟气量、NOx和烟尘浓度为设计值时的烟气参数;校核工况宜采用BECR工况下烟气量、NOx和烟尘浓度为最大值时的烟气参数。已建机组改造加装脱硝系统时，其设计工况和校核工况应根据脱硝入口实测烟气参数确定，并考虑燃料的变化趋势。新建或改建机组，应首先考虑加装或改造低氮燃烧技术，新建、扩建燃煤锅炉宜采用SCR工艺，小容量锅炉实施低氮改造后仍无法稳定达标，可以实施SNCR脱硝工艺，特别情况下，可以根据实际燃煤条件及脱硝入口NOx浓度情况，进一步实施低氮燃烧+SNCR-SCR联合脱硝技术。还原剂可根据需求采用液氨或尿素。燃煤电厂具体工艺路线需要结合燃煤情况、锅炉设计情况及相关测试数据进行深度研究，确定满足稳定达标排放的最佳工艺路线。
2.2氮氧化物超低排放技术
①炉内使用先进的低氮燃烧器燃烧技术，可以有效控制氮氧化物的产生;当锅炉高负荷或低负荷运转时，燃烧器可以优化气流分布，以确保燃烧器的面积是处在低过量空气系数，有效控制在低负载的NOx排放;长时间的燃烧试验，可以提高锅炉使用效率和操作的安全性，降低NOx的浓度。
②使用SCR脱硝技术。在超低排放的要求下，增加催化剂的量，进一步提高脱硝效率，降低NOx排放，以满足锅炉的稳定运行要求。在NOx满足超低排放的情况下，提高脱硝系统自动控制水平，优化脱硝系统烟气流场，确保还原剂和烟气充分均匀混合反应，进一步提升脱硝系统性能。
③当锅炉负荷启停或深调峰等处于低负荷状态，脱硝系统入口烟气温度不能满足还原剂喷射最低温度要求时，可增加省煤器烟气旁路或采用低温催化剂，以提高锅炉给水的温度，或是旁路部分的省煤器给水等措施满足脱硝投运最低温度要求，确保投运率达标，实现宽负荷脱硝。
④脱硝系统为满足稳定达标，存在过量喷射还原剂导致空气预热器受氨逃逸带来的硫酸氢铵积灰堵塞。在实际操作中，可通过增加实时数据监测设施，采用多点分区测量，提高测量精度，达到精准高效喷氨效果;合理掺配煤种，控制煤中的硫分，降低烟气中三氧化硫转化率，对SCR脱硝还要注意催化剂的全寿命管理，一旦达到使用寿命，就要及早更换或再生恢复其性能指标。另外，要特别注意在低负荷较低烟温时段SCR用脱硝系统不能连续运行过久，会导致脱硝运行工况持续恶化甚至达不到排放限值要求。
2.3增强脱硝侧氮氧化物控制效果
SCR脱硝系统是当前广泛运用的脱硝系统，也是大型火电厂机组脱硝改造的首选系统。然而，长期以来，对SCR脱硝系统的研究主要集中在基础操作上，而对自动脱硝控制策略缺少深层次的研究。在当前执行超低排放成为强制标准后，脱硝系统的自动控制品质愈发重要，控制品质优劣直接关系到指标的稳定性和运行经济性。当前情况下，脱硝喷氨控制主要采取串级控制，但由于测量和响应延迟，控制策略无法有效应对燃烧条件变化引起的入口NOx快速变化。针对SCR脱硝氨气喷射系统的滞后问题，有必要对原有的脱硝氨气喷射循环进行优化和改进，在原有反馈串级反馈控制的基础上，提出智能预测反馈控制方案，通过智能控制策略，可以有效控制精准度，从而满足机组负荷、煤种多变的工况需求。
在分析负荷、总风量、总进气量、SCR进气处NOx浓度等因素的基础上，进行趋势预测，并计算后续NOx变化所需的还原剂总量。根据预测结果提前注入还原剂，并用PID控制对比图，与前期PID控制进行对比，仅能根据入口NOx改变所需还原剂总量，然后调整该偏差来控制NOx排放，进而达到增强脱硝侧氮氧化物控制的目的。
3超低排放改造工程应用
3.1600MW煤粉锅炉超低排放应用效果
超低排放改造技术推广应用以来，火力发电厂脱硝系统目前最典型的脱硝工艺多选择性催化还原法(SCR)。催化反应系统是SCR工艺的核心，在催化剂的作用下，利用还原剂(NH3)来有选择性地与烟气中的NOx反应并生成无毒无污染的N2和H2O，达到除去氮氧化物的目的。脱硝系统通常布置在省煤器出口及空预器入口中间。
某600MW机组锅炉为单炉膛、∏型布置、固态排渣、全钢架结构、平衡通风、亚临界压力一次中间再热控制循环汽包锅炉。锅炉燃煤品质接近贫煤煤种，燃烧系统采用摆动式燃烧器调温，四角布置、切向燃烧，正压直吹式制粉系统。锅炉原燃烧器采用四角布置，共24只切向燃烧摆动式，顶部燃烧器上方各设一层燃尽风和辅助风喷口。煤粉喷口、二次风喷口、燃尽风喷口均可上下摆动，用以调节再热汽温。正常运行时，锅炉SCR入口NOx排放浓度在500～650mg/m3，该排放浓度无法实现通过脱硝SCR系统达到稳定超低排放目标要求想，需要进行低氮燃烧器改造和燃烧优化调整，同时对脱硝催化剂进行更换、增补和烟气流畅进行优化改造，实现稳定超低排放目标。
3.2某电厂2×300M等级循环及硫化床锅炉超低排放应用效果
某电厂1、2号机组(2×300MW)采用2台循环流化床锅炉。脱硝系统后期建设，采用选择性非催化还原技术(SNCR)工艺，以尿素为脱硝还原剂，于2013年12月完成投运。该系统设计脱硝效率≥50%，出口NOx排放浓度≤100mg/m3。目前NOx排放浓度不能满足超低排放小于50mg/Nm3的要求，因此需要进行超低排放改造。本方案采用组合脱硝(即低氮燃烧+SNCR+SCR)的方式来降低NOx的排放。首先通过炉内低氮燃烧改造将锅炉出口NOx降至1800mg/m3，然后通过优化改造现有SNCR系统，将烟气中NOx进一步降至65mg/m3，最后通过加装SCR系统，达到超低排放烟NOx含量≯40mg/m3的要求。
4超低排放改造后优化运行分析
随着大面积实施超低排放改造机组投运，如何实现环保达标条件下运行成本最优控制，适当降低环保物料单耗，成为重要的研究课题。在指标稳定达标条件下降低脱硝还原剂喷射量，既有助于降低成本，还可以降低氨逃逸，降低二次污染，提高下游设备长周期运行的可靠性。
4.1通过燃烧优化，提升低氮燃烧性能，做好源头管控
①低氮燃烧器的主要手段就是降低主燃烧区的温度和低氧燃烧，可通过降低二次风和关小燃尽风的方法降低NOx的含量;②下层燃烧区的作用是降低火焰中心，使炉膛中心温度下降，从而利于减少氮化物的产生;③保持燃烧稳定，方可减少二次风的出力，达到低氧燃烧目的，防止灭火事件发生。
4.2优化流场分布，实现精准测量和精准喷氨
①解决流场混合均匀性的问题。脱硝系统运行效果不仅取决于催化剂的性能，还与脱硝反应器内的流场优劣和氨气与烟气中氮氧化物的混合均匀性关系密切，建议定期进行脱硝系统喷氨优化调整试验,将脱硝喷氨量调整至最佳值，避免SCR反应器出口截面局部氨逃逸量过高,从而提高脱硝系统运行的经济性。②采用精准喷氨控制措施。通过对粗放式的喷氨控制逻辑，改进为分区多点测量模式，通过精准的测量手段，实现以SCR反应器入口氮氧化物质量浓度及烟气流量为前馈,以SCR反应器出口氮氧化物质量浓度为反馈,计算出理论喷氨流量,通过PID控制氨流量调节阀开度，从而实现脱硝喷氨量与机组负荷、入口氮氧化物质量浓度的自动协调。③采用低温催化剂辅助锅炉优化调整措施，满足深调峰低负荷时段及机组启停时段低负荷工况下的脱硝稳定投运，降低低烟温对脱硝效率的影响。④加强运行人员操作技能培训和日常管理。通过对每个班组脱硝还原剂用量进行量化分析，寻找最佳调节工况参数，作为经验数据建立优化调节模型，鼓励人员优先调节燃烧，合理控制氮氧化物产量，同时在脱硝控制有扰动时，积极干预调节，做好超前调节和精细调节，避免大幅度调节总量，甚至过量喷氨情况的发生。
5结语
火力发电作为我国主要发电方式之一，应引进先进的技术，并实时更新，推行超低排放技术改造。超低排放技术在燃煤火电厂中的应用可以帮助其节能减排环保工作的持续推进。——论文作者：鲍天恩
火电厂脱硝超低排放运行优化相关期刊推荐：《河南科技》杂志是河南省科学技术厅主办、面向全国公开发行的综合性、权威性科技期刊。设有：本刊特稿、综述、封面人物、科技与社会、科学前沿、科技动态、高校科研与技术、技术教育、学术论坛、科学技术应用、科技与经济、环保科技、农业科技等。
