SCR脱硝对锅炉运行的影响

为适应越来越严格的排放要求，火电机组纷纷进行脱硝改造，其中，催化还原脱硝的SCR装置，以其成熟的技术工艺和稳定的脱硝效率，在国内得到广泛应用，在关注脱硝效率的同时，SCR脱硝装置对锅炉系统的经济性和安全性方面的影响也应引起重视。
机组概况
大唐信阳华豫发电有限责任公司二期2×660MW超超临界燃煤发电#3、#4机组分别于2009年3月、10月投产。锅炉是由某锅炉(集团)股份有限公司生产的DG2000/26.15-II2型一次中间再热，超超临界参数变压运行，带内置式启动旁路系统的本生直流锅炉。形式为单炉膛、尾部双烟道结构、前后墙对冲燃烧方式。锅炉采用中速磨煤机一次风正压直吹式系统，每台炉配6台中速磨煤机。B-MCR工况燃烧设计煤种时，5运1备，煤粉细度R90=16%，煤粉均匀性系数为1.05。每台磨煤机为一层6台燃烧器供应气粉混合物。锅炉前、后墙各布置3层DBC-OPCC-Ⅰ型燃烧器，每层6只，共计36只燃烧器(后墙最下层F层为小油枪燃烧器)。每台炉各安装两台三分仓容克式空气预热器，后期安装SCR脱硝装置，脱硝装置采用尿素热解产生氨气制备还原剂，选择性催化还原法(SCR)的烟气脱销工艺，将氨(NH3)作为还原剂喷入烟气中，使还原剂与烟气中的NOx发生还原反应，生成无害的氮气(N2)和水(H2O)，从而达到脱除氮氧化物的目的，每台脱硝装置的烟气处理能力为相应锅炉ECR工况时的100%烟气量，脱硝装置入口NOx含量≤450mg/Nm3时，保证脱硝效率≥80%;NOx排放浓度不超过100mg/Nm3，能严格满足环保排放标准，但SCR脱硝装置安装后对锅炉安全经济运行产生了较大的影响。
SCR法脱硝对超超临界锅炉运行的影响
烟道阻力的影响
SCR装置安装后增加了锅炉烟气系统的阻力。阻力的增大是与无SCR装置时燃烧系统的最大区别。增加的阻力一般分为增加的烟道阻力、SCR反应器内的阻力和空气预热器增加的阻力三部分。本厂超超临界锅炉增设SCR装置以后，SCR反应器的阻力为500Pa左右，空气预热器增加阻力为200Pa左右。而整个锅炉烟风系统的阻力为2000——3000Pa(BMCR工况，330——660MW)。可见，SCR装置对锅炉的烟道阻力特性会有很大影响，同时，SCR内的催化剂和空气预热器的积灰加重了这一影响。
锅炉SCR装置内催化剂为蜂窝形，孔径为7mm，很容易形成积灰堵塞，SCR装置随着运行时间的增长，压损越来越大。喷氨装置喷入的NH3在与NOx反应后，残余的NH3将与SO3和水蒸气反应生成粘结性强、腐蚀性强的化合物硫酸氢氨(NH4HSO4)。反应方程式如下：
NH3+SO3+H2O—NH4HSO4
硫酸氢氨会附着在飞灰表面，在空气预热器的高温段和低温段表面沉积，使空预器换热元件脏污堵塞，进一步增加烟道的阻力。本厂两台超超临界锅炉在SCR装置投运半年后空气预热器阻力差压均较刚投入时增加30%，约500Pa左右，导致锅炉系统容易出现更大的压力波动。见下图所示。
上图中，横坐标为锅炉的负荷，纵坐标为锅炉烟道的阻力。曲线1为未加装SCR装置的锅炉阻力特性曲线。若某一时刻锅炉从工况A调节到工况B，工作点就从a1调整到b1，则压力调节幅度为△P1。曲线2为加装SCR装置后锅炉阻力特性曲线，由原来的曲线l叠加上加装SCR所增加的阻力得到。此时若同样从工况A调节到工况B，工作点从a2调整到b2.则压力调节幅度为△P2。曲线3为曲线1向上平移的曲线。从图中可看出安装SCR装置比未安装SCR装置多出(△P2一△P1)的压力波动。风机的压力调节幅度有很大增加，锅炉系统更容易出现压力波动。
锅炉系统较大的压力波动将影响炉膛的稳定燃烧、燃烧的经济性，甚至会增大炉膛内爆的可能性。同时引风机压头将会有很大提高.不利于锅炉的安全稳定运行。
对锅炉热效率的影响
安装SCR脱硝装置后降低了锅炉热效率。SCR脱硝装置安装了反应器及其连接烟道，使烟道加长增大了锅炉的散热面积，从而使锅炉的散热损失增大，烟气通过超超临界锅炉脱硝系统后烟温降低了5℃左右，对锅炉效率将会产生一定影响。
空预器换热元件堵塞使空预器排烟温度升高。氨气和三氧化硫反应生成硫酸氢氨。硫酸氢氨在温度180——200℃的环境中呈“鼻涕”状的黏性物，因此，在空预器高温段和低温段，烟气中的灰尘在该处和硫酸氢氨一块极易粘附于空预器换热面上，使空预器换热元件脏污，降低空预器的换热效果，从而使排烟温度升高，锅炉效率降低。
空预器漏风率增大。本厂超超临界锅炉烟气通过SCR装置后压降增加了500Pa左右，因安装SCR装置后空预器堵塞，烟气通过空预器增加阻力500Pa左右，整个烟气侧阻力增加了1kPa左右，为了使炉膛内部压力平衡，引风机的出力将增加，从而导致空预器内部烟气压力降低，空预器风侧和烟气侧压差增大，导致空预器漏风率增加，锅炉效率降低。
对空预器的影响
相对来说，SCR脱硝装置对空预器的影响更为突出。主要原因是硫酸氢氨的腐蚀性和粘结性。硫酸氢氨和灰尘一起粘附在空预器的换热元件上，不仅降低换热效果，还将会在空预器的低温段产生低温腐蚀，同时造成空预器的积灰。本厂SCR脱硝装置氨逃逸率设计为≤2.5mg/Nm3，逃逸率超过设计值时将会造成大量的硫酸氢氨生成，致使空预器严重堵塞，这将造成吸风机电耗增加，一次风机母管压力波动大等情况。
另外，锅炉排放的烟气中含有一定量的水分，同时氨气和NOx反应产物为氮气和水，燃用高硫煤时，烟气中SO3含量较高，只要烟气中有0.005%的SO3，烟气的露点即可提高到150℃以上，此时空预器的低温段就可能有硫酸溶液凝结在换热元件上，造成空预器的低温腐蚀。
SCR脱硝系统在运行过程中，催化剂和空预器堵塞是在所难免，防止催化剂和空预器堵塞应采取以下措施：一是加强省煤器输灰系统综合治理，省煤器疏灰系统不能正常工作，将会使大量的灰尘带入脱硝上层催化剂，即便加强脱硝系统吹灰仍不能避免蜂窝状催化剂的堵塞。二是加强SCR反应器区域和空预器的吹灰，尤其应加强空预器低温段的吹灰，当发现空预器进、出口差压增大时应及时减少喷氨量，增加空预器低温段的吹灰次数。用于脱硝装置的吹灰器有声波和蒸汽吹灰两种方式，声波吹灰器在灰量较小时效果较为明显，并能对彻底吹除边角的积灰。但灰量较大时蒸汽吹灰器能起到很好的作用。当在投入蒸汽吹灰时，一定要充分疏水，否则会造成灰尘结块堵塞催化剂或对催化剂造成水蚀，影响催化剂的使用寿命。三是控制氨逃逸率，严格控制氨的喷入量，防止氨气过量而造成氨逃逸，正常情况下应控制氨逃逸率不超过3ppm。四是控制机组负荷，提高负荷可以使排烟温度得到适当的上升，另外冬天应及时投运二次风暖风器以提高排烟温度，可有效降低空预器低温区露点温度以下腐蚀情况的程度。五是启动和运行中加强对燃油控制，优化制粉系统的启动条件，尽量使用热值高、挥发份较高的煤种，同时提高一二次风温，以减少启动初期大量不完全燃烧产物的生成，从而抑止空预器堵灰的发生。六是降低入炉煤硫份，控制入炉煤硫份尽量在锅炉设计值以下，降低烟气酸露点温度，减少NH4HSO4生成，减少空预器的腐蚀及堵塞。
对低负荷稳定燃烧的影响
SCR装置对锅炉系统的影响在低负荷时表现尤为明显，会在很大程度上影响锅炉的稳定燃烧。锅炉压力波动如上图所示，增设SCR装置后，当出现锅炉负荷变动等情况时，风机将产生比未安装SCR装置多(△P2一△P1)的压力波动。而且随着锅炉运行时间的增加，硫酸氢氨和灰尘粘附在空预器上导致空预器堵塞，引起空预器阻力逐渐增大，这将增大炉膛压力调整的要求，使炉膛更容易出现压力的波动。
低负荷时.炉膛平均烟温降低.燃烧器区域的烟温也降低，对煤粉气流的着火不利，不易维持稳定的燃烧。在额定负荷下某一大小的扰动不致破坏燃烧过程，但在低负荷时则可能导致熄火。增设SCR装置后锅炉压力波动的增大将使锅炉在低负荷或煤质较差等恶劣的燃烧条件下，更容易出现燃烧的不稳定，甚至引起熄火。本厂#4锅炉增设SCR装置连续运行一年时，在50%负荷工况下炉膛负压波动增大至±400Pa，锅炉燃烧不稳，需对空预器进行连续吹灰可降低负压波动范围在±250Pa。
对锅炉内爆的影响
锅炉内爆是指当平衡通风锅炉由于主燃料跳闸或者风机误操作后，使得炉膛负压非正常增大，致使炉膛或者烟道系统由外向内的压差骤增而产生压塌的事故现象。锅炉内爆的原因主要有两点：一是调节锅炉气体流量的设备(送风机、一次风机、引风机)误动作，导致炉膛承受过大的引风压头。二是因燃料输入快速减少或锅炉MFT。此时炉膛温度急剧下降，由理想气体公式PV=nRT，炉膛容积V不变，温度的下降将会导致压力的急剧下降，形成炉内的瞬间高负压。
装设SCR系统的锅炉因为管路阻力增大，采用大容量的引风机，使锅炉处在引风机高压头下，容易产生很高的负压。尤其是在负荷调节时，风机的动作幅度更大，误操作时会使炉膛出现更大的负压，增大内爆的可能性。本厂#3锅炉装设SCR系统后，在一次灭火时因为锅炉内爆导致电除尘内部及出口喇叭严重损坏，原因是空预器堵塞差压增大，导致机组高负荷运行时，引风机入口负压一直保持较高负压，当时引风机入口负压在-6000Pa以上(引风机入口烟道设计压力为±5800Pa)，此时遇到炉膛灭火，炉膛内负压急剧下降，在炉膛负压和引风机入口负压的叠加之下，引风机入口段烟道承受负压远大于设计瞬爆压力值，造成烟道薄弱之处承受力过大损坏，电除尘出口的槽板、框架、极板、极线受到严重的撞击，遭受严重破坏。
因此，今后锅炉在设计或增设SCR装置时要充分考虑加装SCR对内爆的影响：一是要增大炉膛及烟道支撑结构的强度，使其有充分的裕度，避免内爆的破坏性影响。二是完善引风机入口负压的监控和保护：引风机入口的负压是产生炉膛内负压的源动力，是风道系统中负压最大的地方，加强对此位置的监控，掌握系统中负压的变化情况，可有效跟踪烟风道系统中的运行情况。可增加引风机入口烟气压力测点，并根据引风机入口负压值增设报警提醒运行人员及增设闭锁引风机加负荷的保护，当锅炉MFT后，引风机入口负压达到危险值时，可增设联跳引风机的保护。三是优化锅炉MFT后炉膛压力控制策略：增加MFT后引风机超驰动作条件，及修改MFT后炉膛压力低三值联跳引风机的定值。四是在运行中应注意风机的运行，并尽量避免出现燃料的快速切断。如炉膛压力急剧下降，应迅速关小引风机，增加送风机的送风量，减小炉膛内的负压，避免出现“内爆”现象造成炉内设备的损坏。五是由于引风机在锅炉的负荷调节中对内爆的引发起着关键性作用，在选用风机时需特别注意，要选用合适的风机，使其高效区处于锅炉的正常负荷区间，要有足够高的扬程，以满足增加的阻力的要求，同时尽量使运行点远离喘振区。
SCR的加装，不可避免地会对锅炉系统带来一些负面的影响，如锅炉的经济性下降，安全性降低等。在锅炉脱硝装置设计时，应充分考虑该装置对锅炉运行的影响，使其达到安全设计的规范，并使经济性尽可能的少降低。