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        關于超臨界火電機組全工況脫硝技術改造的探討

        關于超臨界火電機組全工況脫硝技術改造的探討

        原創  張大川 任登敏

        0  引言

        2015年6月,國家環保部對福建若干長期處于低負荷運行工況而無法投運脫硝系統的發電廠的復函,復函中明確了火電機組要進行低負荷工況下投運脫硝改造,實現低負荷運行排放不超標。對于低負荷脫硝改造,近兩年來已有一些電廠進行了相關的改造,甚至個別發電廠可通過技改實現點火初期至并網前的全時段脫硝,眾多發電企業、電科院及環保廠商目前均對此項技術仍處在研究和觀望階段。投運脫硝的最基本條件是煙溫要達到催化劑的最低工作溫度,即使是使用低溫催化劑,也需要一個提高煙氣溫度的過程,如果單從燃料點火加熱角度,無論如何是不可能實現的。目前大多數的改造方案也僅針對并網前后的低負荷段的投運方式,如前不久,國投姚孟電廠宣布,他們通過優化運行調整,完成了并網前投運脫硝的技術改造。

        現在對于低負荷投脫硝,也就是煙溫低于催化劑工作溫度的時候投入,主要從兩大方向進行改進,第一是選用低溫催化劑,但由于目前低溫催化劑(可低至120℃工作溫度)尚處于研究階段,具體投入商用的時間不確定,所以對用戶和電科院來說也不作為技術改造的研究重點;第二就是提高脫硝系統入口溫度,這是目前研究的主流方向,目前在此領域的專家及機構推薦的主流改造方案由以下幾種:

        1  增加省煤器煙氣旁路 

        方案描述:在省煤器進口位置的煙道上開孔,抽一部分煙氣通過旁路至SCR接口處,設置煙氣擋板,增加部分鋼結構,在低負荷時減少經過省煤器用于給水加熱的煙氣,提高進入SCR反應區的煙氣溫度。 

        優點: 

        投資成本較低,實施簡單,增加設備少。 

        缺點: 

        提高了鍋爐排煙溫度,降低鍋爐熱效率(0.5%~1.5%) ; 

        旁路煙氣擋板門處容易發生積灰、卡澀,還可能導致煙氣內漏,在關閉狀態也會影響鍋爐熱效率; 

        在滿負荷時內漏煙氣可能會使反應器內煙溫超過400℃,有可能因催化劑的燒結而導致活性降低。 

        如果機組長期運行在低負荷區間,該方法有一定優勢。

        2  增加省煤器工質旁路

        方案描述:給水旁路在低負荷時通過調節閥調節旁路給水流量,是省煤器進水量減少來降低省煤器的吸熱,使省煤器出口煙溫提高。 

        優點: 

        n 改造相對簡單,煙溫調節區間要求不高(10℃以內)時可適當考慮。 

        缺點: 

        n 由于省煤器給水的換熱系數遠小于煙氣,所以給水旁路調節煙溫的效果不明顯; 

        n 由于進入省煤器的給水量減少,會導致省煤器出口超溫; 

        n 省煤器給水旁路的存在降低了給水與煙氣的換熱效果,使得排煙溫度升高,降低了鍋爐熱效率(0.5%~1.5%)。 

        3 省煤器采取分組布置

        方案描述:將原有省煤器靠煙氣下游部分受熱面拆除,在SCR反應器后增設一定的省煤器受熱面。給水先通過位于SCR反應器后面的省煤器,再引至位于SCR反應器前面的省煤器。這樣通過減少煙氣在SCR之前的傳熱面實現提高煙溫的目的。

        優點: 

        n 鍋爐的總的熱量分配和排煙溫度與改造前相比基本保持不變,保證了鍋爐熱效率不受影響; 

        n SCR入口煙溫可提升范圍大。 

        缺點: 

        n 省煤器改造量大,投資成本相對較高; 

        n 改造后脫硝催化劑的運行溫度整體提高,可能偏離催化劑的最佳反應溫度,有催化劑燒結的風險; 

        n 增設的SCR后省煤器需要一定空間安裝,場地要求更高。 

        4  低負荷時提高給水溫度

        方案描述:低負荷時通過提高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爐水給水混合提溫、增加低壓省煤器、彈性回熱技術(可調式抽汽補充加熱鍋爐給水)。 

        (1)爐水給水混合提溫系統(GRS) 

        方案描述:利用爐水泵或是增加循環泵,將省煤器出口或汽包下降管的部分高溫熱水送入省煤器進口混合,從而提高和控制省煤器入口水溫,減小省煤器傳熱溫差,間接提高省煤器出口煙溫。但此方案在增加省煤器旁路的方案基礎之上,增加了一套省煤器再循環系統,包括:再循環泵,壓力容器罐,調節閥,截止閥,止回閥,以及相應的疏水系統。

        (2)增加低壓省煤器 

        方案描述:在空預器后電除塵前增加低壓省煤器,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。 

        優點: 

        n 利用鍋爐煙氣余熱,降低了鍋爐整體排煙溫度,提升了鍋爐熱效率。 

        缺點: 

        n 低壓省煤器積灰、含塵煙氣沖刷、低溫腐蝕的風險比較大; 

          使用技術先進的低壓省煤器可以提高鍋爐熱利用率,結合其他提升SCR入口煙溫的方法同時使用可以彌補其他方法增加排煙溫度的缺點。目前部分電廠已進行了增加低溫省煤器的改造,如果進一步稍加改進,可實現低壓省煤器功能。  

        (3)彈性回熱技術(可調式抽汽補充加熱鍋爐給水) 

        方案描述:在高壓缸處選擇一個合適的抽汽點,并相應增加一個抽汽可調式的給水加熱器。在負荷降低時通過調門控制加熱器入口壓力,從而維持給水溫度基本不變。使得低負荷下省煤器入口水溫提高,出口煙溫相應上升。 

        優點: 

        n 增加了低負荷下的抽汽量,提高了熱力系統的循環效率; 

        n 提高了機組的調頻能力和調頻經濟性,確保了機組調頻運行的安全性; 

        n 減少了水冷壁前給水的欠焓,提升了鍋爐的水動力安全性。 

        缺點: 

        n 減少了省煤器的傳熱溫差,提高了排煙溫度; 

        彈性回熱技術具有很好的應用案例(上海外高橋三廠),同時其結合鍋爐、汽機各系統的應用難度也比較高。 

        以上幾條方案如果單獨使用都會對機組效率造成影響,通過對各種技術方案的分析和比較,再考慮各種方案的結合效果,專家給出了以下推薦方案: 

        n 方案1:彈性回熱技術+低壓省煤器 

        n 方案2:煙氣旁路+給水低溫換熱器 

        方案一分析:用彈性回熱技術提高煙溫,也會提高排煙溫度,通過低壓省煤器增加了鍋爐熱效率,將排煙溫度又降下去,同時保證改造的性能的經濟指標。

        目前已實現的脫硝投入最短時間的,就只有上海外高橋三廠1000MW機組使用的彈性會熱技術提高鍋爐給水溫度,以此減小煙氣經過省煤器的焓降,同時使用鄰機蒸汽加熱尾部受熱面、一次風及二次風,以提高點火前爐內的空氣溫度,從多角度快速提高點火后的尾部煙溫,這種改造技術設計面廣,難度較大,但獲得機組效率最高。

        方案二改造內容:本方案是在省煤器煙氣旁路改造方案的基礎上進行了一些改進,在SCR反應器和空預器之間增加了少部分與低壓省煤器類似的低溫換熱器,通過管道和閥門將低溫換熱器和原有的省煤器進行了連接。 

        方案二運行方式: 

        高負荷下煙氣旁路關閉,水路通過閥門控制使低溫換熱器與省煤器串聯運行。 

        低負荷下煙氣旁路開啟,水路通過閥門控制低溫換熱器與省煤器并聯運行,分流水量可以調節。 

        5  結語

        雖然從專業角度上看,點火即投脫硝在目前是很難實現的,但是既然已經出現了這樣一個概念,而且很多研究單位和發電企業在這方面也已經開始研究甚至嘗試,相信用不了太久,類似更嚴厲的減排規定會相繼出臺,所以,不論從社會效益還是企業自身效益的角度,爭取做出一個超前的方案,不管從公司利益還是從社會責任的角度出發,都應該在這方面投入更多精力,深入調研,在環保事業上盡自己的一份力。

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