隨著國家環保的日益嚴格，國華公司提出污染物“近零排放”的要求，為了滿足低負荷時氮氧化物排放滿足環保要求，需要對現有SCR脫硝進行全負荷SCR脫硝改造。本文首先對脫硝原理和低負荷時SCR脫硝系統由于煙溫低不能投運進行解釋，接著分別對SCR脫硝進行全負荷SCR改造的四種方案（增加省煤器煙氣旁路、增加省煤器工質旁路、省煤器采取分組布置、低負荷時提高給水溫度）進行闡述和對比，給出每種方案的優、劣，為全負荷SCR改造提供依據。


全負荷SCR脫硝技術;省煤器煙氣旁路;省煤器工質旁路;省煤器分組布置;給水溫度

隨著我國經濟的飛速發展，能源消耗逐年增加，隨之而來環境問題日益凸顯。國家對污染物的排放日趨嚴格，以氮氧化為為例，2003年國家排放限值為450mg/m3，到2011年排放限值下降至100mg/m3。國華公司積極響應國家號召，在各電廠開展“高品質綠色發電計劃”，要求2017年前現役機組污染物排放濃度要全部優于國家特別排放標準，平均排放濃度要達到限值的60%，達到“近零排放”，其中氮氧化物排放濃度要達到50mg/m3。

我廠現采用SCR脫硝技術進行脫硝，但現有SCR脫硝技術在鍋爐低負荷時不能投運，不能滿足國華環保要求，這就需要把現有SCR脫硝改造成全負荷SCR脫硝。

1 脫硝原理

煙氣中的氮氧化物被氨氣還原成氮氣和水，氮氧化物被脫除的化學式為：

4NO + 4NH3 + O2 →4N2 + 6H2O

6NO + 4NH3 →5N2 + 6H2O

2NO2 + 4NH3 + O2 →3N2 + 6H2O

6NO2 + 8NH3 →7N2 + 12H2O

NO + NO2 + 2NH3 →2N2 + 3H2

除上述催化還原反應外，當溫度等條件改變時，還可能發生以下副反應：

4NH3 + 3O2 →2N2 + 6H2O

4NH3 + 5O2 →4NO + 6H2O

2NH3 →N2 + 3H2

SO3 + 2NH3 + H2O →(NH4) 2SO4

SO3 + NH3 + H2O →NH4HSO4

SCR反應器中的煙氣溫度一般設計要求為320℃～420℃之間，因為當煙氣溫度位于340℃～380℃之間時，催化劑活性物的活性最高，催化還原反應效率最高。省煤器后空預器前的煙氣溫度正好滿足此區間，這也是SCR布置于此的原因。

當煙氣溫度低于320℃時，用于反應的氨氣會和煙氣中的SO3反應生成硫酸銨和硫酸氫銨，此時銨鹽會對催化劑活性物微孔進行堵塞和加速對催化劑的磨損，降低催化劑的活性;對于火電廠燃煤機組而言，由于煙氣中飛灰的含量比較高，此時硫酸氫銨會在147℃～207℃溫度范圍內時呈現為液態，液態的硫酸氫銨是一種“鼻涕狀”粘性、強腐蝕性的物質，空預器冷端的溫度正好在此溫度區間，硫酸氫銨會粘附在空預器的冷端并且會粘住大量煙氣中的飛灰造成空預器堵塞，一般脫硝改造時要同時改造空預器，空預器的冷端一般采用搪瓷組件，搪瓷組件可以有效防止低溫腐蝕，并且搪瓷表面比較順滑，不易粘污其他物質，即使粘污也易于吹灰器清掃。

綜上所述，當進入SCR反應器中的煙氣溫度低于320℃時，SCR脫硝必須退出運行，禁止噴氨。當溫度高于420℃，特別是煙氣溫度高于450℃時，副反應會發生，NH3會被氧化成NO，造成還原反應無法進行，并且高溫煙氣還會對催化劑造成燒結，大大降低催化劑的壽命。

2 全負荷SCR脫硝技術

SCR反應器中的煙氣溫度一般設計要求為320℃～420℃之間，這就有一定的局限性，當機組在低負荷運行時，SCR反應器中的煙氣溫度很難達到320℃，這就導致脫硝系統不能投運。但隨著環保要求的日益提高，需要全天候的脫硝，此時就需要對SCR脫硝技術進行升級，全負荷SCR技術應運而生。

全負荷SCR脫硝技術一般分為兩類：(1)催化劑改造為低溫催化劑，使得催化劑能夠滿足低負荷時煙氣溫度的運行要求。(2)提高進入SCR煙氣的溫度，控制機組在任意負荷下反應器中煙氣溫度均在320℃～420℃之間。現在低溫催化劑技術尚在實驗室階段，未能工程應用，只能采用低負荷時提高煙氣溫度的方法，采取的改造方案主要有以下幾種：(1)增加省煤器煙氣旁路(2)增加省煤器工質旁路(3)省煤器采取分組布置(4)低負荷時提高給水的溫度。

2.1 增加省煤器煙氣旁路

增加省煤器煙氣旁路技術主要是采用減少經過省煤器用于給水加熱的煙氣，通過旁路直接進入SCR裝置的方法，提高進入SCR反應區煙氣的溫度。在省煤器旁路煙道出口處設置旁路煙氣擋板，通過調節旁路擋板的開度可以控制直接進入SCR反應區的煙氣量，進而可以控制煙氣溫度(圖1)。


圖1 增加省煤器煙氣旁路SCR技術

增加省煤器煙氣旁路帶來的問題如下：(1)由于煙氣從省煤器旁路流走，不能給給水加熱，必然會降低鍋爐的熱效率(0.5%～1%)，增加煤耗。(2)省煤器旁路煙道擋板經過長期運行可能造成堵灰，影響系統穩定運行。(3)通過省煤器煙氣旁路進入SCR反應區的煙氣會擾亂煙氣流場，干擾脫硝系統運行。(4)由于減少了給水加熱量，要對鍋爐熱平衡及鍋爐性能進行充分計算后實施改造。(5)此種改造對旁路煙道擋板的性能要求較高，如果旁路擋板打開后無法關閉，將會造成高負荷時進入SCR反應器的煙氣溫度超溫，容易造成催化劑燒結。

2.2 增加省煤器工質旁路

增加省煤器工質旁路技術主要是給通過省煤器換熱的給水增加一旁路，減少給水在省煤器處的換熱，進而減少經過省煤器時煙氣的熱損失，最終提高進入SCR反應器的煙氣溫度。該方法可以通過調節給水旁路調節門的開度，調節煙氣溫度(圖2)。

 增加省煤器工質旁路帶來的問題如下：(1)由于給水的換熱系數為煙氣換熱系數的1/83，遠遠小于煙氣的換熱系數，通過給水旁路能夠提高進入SCR反應器的煙氣溫度，但是效果不明顯，要明顯差于省煤器煙氣旁路。(2)由于進入省煤器的給水量減少，會導致省煤器出口處給水溫度升高，極端情況會造成省煤器出口處給水氣化，燒壞省煤器。(3)由于省煤器給水旁路的存在，導致給水換熱效果降低，增加排煙熱損失，降低鍋爐的熱效率(0.5%～1.5%)。


圖2 增加省煤器工質旁路SCR技術

2.3 省煤器采取分組布置

省煤器采取分組布置技術主要是減少原省煤器的換熱面，進而減少進入SCR反應區前的煙氣熱損失，提高進入SCR反應區的煙氣溫度。同時在SCR后增加二級省煤器，對給水進一步進行加熱(圖3)。

采用此種方法能夠使得空預器前的煙氣溫度基本保持不變，省煤器出口的給水溫度也能基本保持不變，能夠保證鍋爐的經濟性，使鍋爐的熱效率基本不變，可以維持鍋爐運行方式不變，鍋爐安全性高。

此種方法帶來的問題是改造投資成本高，SCR反應區的煙氣溫度會整體提升，不具備煙溫調節功能，高負荷時存在煙氣超溫的風險。


圖3 省煤器采取分組布置SCR技術

2.4 低負荷時提高給水溫度

低負荷時提高給水溫度的方法主要是通過提高在進入省煤器前給水的溫度以達到減少給水在省煤器處的吸熱量，從而減少煙氣在省煤器處的熱量損失，最終達到提高SCR反應器中煙氣溫度的目的。提高給水溫度的措施主要有增加單級低壓省煤器，增加高、低壓旁路省煤器和增加旁路高加(零號高加)三種措施。

2.4.1 單級低壓省煤器

增加單級低壓省煤器技術就是在空預器后電除塵前增加一低壓省煤器，利用煙氣余熱加熱給水，提高進入省煤器的給水溫度，減少煙氣換熱，提高進入SCR反應器的煙氣溫度(圖4)，此種方法不但能夠提高進入SCR的煙氣溫度還能通過利用煙氣余熱換熱提高機組的熱效率，同時由于降低了進入除塵器前的煙氣溫度，增加了除塵器的除塵效果。


圖4 單級低壓省煤器

2.4.2 高、低壓旁路省煤器

高、低壓旁路省煤器技術是在單級低壓省煤器的基礎上發展來的，除增加低壓省煤器外，在空預器處設置煙氣旁路，增加一高壓省煤器，在不影響空預器效率的前提下，使部分煙氣流經空預器旁路，利用進入旁路的煙氣加熱給水，達到提升給水溫度的目的(圖5)，此種方法能夠進一步增加進入SCR的煙氣溫度和機組的熱效率。


圖5 高、低壓旁路省煤器

2.4.3 旁路高加

旁路高加技術就是在1號高加前增加一旁路高加，用高壓缸抽氣加熱給水，一般在低負荷時投運，可以提升進入省煤器的給水溫度，減少給水在省煤器的換熱，提高進入SCR反應器的煙氣溫度(圖6)，此種方法不但能夠提高進入SCR反應器的煙氣溫度，還能進一步提高機組熱效率(約1%)，減少煤耗。


脫硝技術圖6 旁路高加

提高給水溫度的方法投資成本高，溫度提升幅度一般，但是能夠提升機組的熱效率，在保證環保的同時能夠節能，同時還可以通過高、低壓省煤器，旁路高加的投運與否來調節進入SCR反應器的溫度，機組安全可靠性高。

通過以上闡述，幾種改造均能滿足全負荷SCR在鍋爐低負荷運行時的煙氣溫度要求，對幾種改造方案的對比如表1所示。

表1 幾種全負荷SCR改造方案對比


3 結論

隨著環保標準的日益嚴格，全負荷脫硝勢在必行。本文對SCR脫硝技術進行全負荷SCR脫硝改造的幾種方案進行闡述、比較，給出每種方案的優、劣，對要進行全負荷SCR脫硝改造的機組提供改造依據。

【參考文獻】

[1]譚青.汽包鍋爐實現低負荷脫硝的煙氣升溫系統[J].節能工程，2013，10：40-44.

[2]曹麗紅.火電行業大氣污染集成控制技術研究[J].環境保護，2013，24：58-61.

《科技視界》 作者：蘇暉