全时段脱硝补燃技术应用分析

刘恩生

摘 要：在深度调峰大背景下，火电厂脱硝系统需采取措施，满足不同工况下的环保要求。本文对全时段脱硝技术采用烟气补燃方式、技术路线、主要设备及重点技术问题进行了论述和分析，提供借鉴和参考。

关键词：脱硝 全时段 补燃 热风系统

1.引言

火电厂排放的烟气中，氮氧化物是重要的大气污染物之一。为减少大气污染，脱硝反应以一氧化氮、氨气还有氧气为反应物，生成氮气和水。SCR脱硝技术即选择性催化还原技术，液态纯氨通过喷氨格栅喷入SCR反应器上游的烟气中，利用催化剂在合适温度下，氨和稀释空气、烟气混合，将烟气中的NOx转化为氮气和水。

脱硝效率与催化剂质量、反应温度、停留时间、氨氮比、氨气与烟气混合均匀程度、烟气在SCR反应器内分布均匀程度因素有关。催化剂在300到420℃温度区间内保持良好的脱硝活性。当温度低于催化剂合适温度时，催化剂会产生副反应，脱硝效率下降。烟气温度高于催化剂设计温度，会容易造成催化剂内活性物质失活，降低催化效率。因此，选择最合适的温度，对于延长催化剂的使用寿命具有重要作用。

2.技术路线

受电网负荷峰谷差较大影响，各火电厂降出力、超过基本调峰范围进行深调成为常态[1] 。在机组启动阶段及低负荷运行阶段，脱硝系统入口烟温通常会保持在150到300℃，不能满足脱硝系统的正常投运的要求，导致环保指标不达标。为保证污染物排放浓度均值不超标，实现宽负荷脱硝，一般从两大方向考虑解决，第一是选用中低温催化剂，中温催化剂温度范围为260℃～380℃，低温催化剂温度范围为80℃～300℃。由于目前中低温催化剂尚处于发展阶段，经济性和环保性有待进一步验证。第二是提高脱硝系统入口烟气温度，主流改造技术包括省煤器分级、高温烟气旁路、省煤器给水旁路及弹性回热技术等[2]。为满足低负荷和启停机脱硝系统投运条件要求，全时段脱硝技术路线一般采用引入外部热源，提高SCR入口烟温，适应各种工况温升需求。锅炉启动阶段，随炉内温度的升高，锅炉风烟系统温度升高，SCR入口温度也逐渐升高，此时补充燃料消耗量会逐渐降低。锅炉停运过程中，锅炉负荷降低到一定程度，烟气旁路或其他手段不能满足SCR入口烟气温度要求，启动补燃系统，然后根据烟气温度逐渐增加燃料量，保证锅炉SCR入口温度一直处于合理范围内，确保NOx排放量符合规定。

为脱硝系统提高温度，引入外部热源有不同的可选方式，例如，烟道电加热、烟道补燃加烟道旁路外加热、烟道旁路系统、冷一次风掺混系统、邻炉烟气加热系统等。外来燃料燃烧加热技术方案主要包括两种不同的技术路线。第一种技术路线为高温烟气直接掺混提温技术，优点为系统简单，投资小，能耗低。设置热风炉，选用天然气、柴油等燃料，燃烧产生高温烟气直接送入主烟道，通过传热传质加热SCR入口烟气。启停阶段，由于炉内温度较低，锅炉投粉后大量的煤粉和油滴可能不完全燃烧，随烟气进入尾部烟道，存在可燃物二次燃烧甚至爆炸的风险。第二种技术路线为高温烟气间接掺混提温技术，燃气在热风炉内完成燃烧，通过掺配低温烟气，降低烟温至安全温度，然后再混入主烟道内与主烟道内烟气完成混合。冷介质掺混应控制烟温，满足设备、烟道耐温限值。选择不同的冷却工质，会对应不同的系统方案设计。旁路烟气冷却介质选取方面，一般选取省煤器入口甚至更上游烟气作为冷却介质，与热风炉产生高温烟气混合至设计温度后送入主烟道。该方案的优点是燃料燃烧产生的热量完全用于提高主烟道内烟气温度，加热系统所需要的燃料量小。低负荷运行可无需投运热风炉，仅通过锅炉内部热量转移，就可以满足脱硝投运温度，避免低负荷阶段燃烧器频繁投停。通过调节省煤器出口挡板开度，增加主烟道阻力来分配主旁路烟气比例，不需要额外加装循环风机。另外，也可采用热一次风或者热二次风进行掺冷。由于热一次风道或者热二次风道与省煤器出口烟道存在压差，只需通过调门就可进行冷却风量的调节。但热风与主烟道烟气存在换热温差，系统耗能相对较多。

3.典型燃烧系统

烟道补燃技术主要技术关键为必须综合考虑燃烧类型、配风型式、燃烧的安全及稳定性等问题，设计选用合适的燃烧系统。某机组燃烧系统较为典型，可供参考。系统主要包括烟气旁路系统、热风炉加热装置系统、油及吹扫风系统、助燃冷却一次风系统、控制系统等。

热风炉主要由外壳体、内衬耐热材料、中心点火油枪、油燃烧筒、火检、配风调节机构、壳体固定装置、保温材料等组成。热风炉加热装置外壳材质为碳钢，本体外型为封闭圆筒形整体结构，采用耐高温纤维模块内衬。热风炉入口轴向设置燃烧筒，采用不锈钢材质制作。燃料采用0号柴油，燃烧筒出口设计有旋流稳燃叶片，强化空气和燃料混合，卷吸高温烟气，使燃油燃烧更加充分。

热风炉加热装置投入阶段分三阶段进行，每阶段都可满足SCR入口烟温要求。点火初期维持阶段，炉内投入燃料相对稳定但燃料量较少，烟气温度较低，故热风炉加热装置需提供热量较多，四台热风炉加热装置均投入运行，基本维持最大出力。锅炉升温升压阶段，燃料量逐步提高，热风炉加热装置提高热量相对减少，以满足SCR最低入口烟温为基点，控制热风炉最大出力，在维持SCR入口烟温的同时，逐步降低热风炉出力，再通过调温冷却风机，调节保持热风炉出口温度。暖机阶段，主烟道烟气温度略低于SCR入口所需烟温，旁路烟气温度接近SCR入口所需烟温，热风炉提供热量最低，热风炉加热装置维持两台运行。热风炉控制系统包括点火、吹扫、燃料、助燃风和火检、壁温监测等系统，按照工作流程要求实现点火操作，实现热风炉和设备安全保护与联锁，根据负荷情况自动控制热风炉的投运数量及出力参数，在保证脱硝入口烟温的情况下，最大程度节约燃料消耗量。

4.关键技术分析

全时段脱硝补燃关键在于确保安全性和环保性，应注意通过流场分析主烟道内混合流场的均匀性，认真分析高温烟气对烟道造成的影响，烟道内应不存在局部超过烟道材质耐温极限的高温区。混合烟气到达喷氨点时，不应存在局部高温，超过喷氨温度极限。混合烟气在SCR入口应均匀，满足催化剂运行温度要求，不应出现较大的温度偏差，造成局部温度过低，影响脱硝效率。

作者简介：

刘恩生，1976年1月，男，硕士，主要从事火电生产技术管理，[e-mail]。

参考文献

[1] 凌晓定陈宝东陈正午，火电机组复合热水再循环深度调峰技术应用与分析，能源研究与利用，2022.6

[2] 丁永三，全负荷脱硝技术在1000MW塔式锅炉的应用研究，超超临界机组技术交流2020年会，2021.3