火电机组深度调峰下的宽负荷脱硝
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摘 要：本文从已经商用的成熟技术以及正在研发、但尚未规模化商用的先进技术两方面，对火电机组进行深度调峰改造的一个重要掣肘因素——宽负荷脱硝的技术路线和技术趋势，进行了详细深入地分析介绍。新能源的消纳是当下制约我国新能源产业发展的一个关键因素。破解消纳问题，一般可以从提升电源调峰能力，调整风电、光伏布局、加强电网互济和强化负荷侧管理等多个方面采取措施，其中提升电源调峰能力至关重要。
关键词：火电 深度调峰 脱硝 催化
中图分类号：TM623.3 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）10（c）-0015-02
新能源的消纳是当下制约我国新能源产业发展的一个关键因素。破解消纳问题，一般可以从提升电源调峰能力，调整风电、光伏布局、加强电网互济和强化负荷侧管理等多个方面采取措施，其中提升电源调峰能力至关重要。对于火电机组来说，目前制约其进行深度调峰的一个主要困难就是如何确保机组在低负荷时，满足正常脱硝的最低温度，即机组的宽负荷脱硝问题。
1 宽负荷SCR脫硝技术
烟气温度是选择性催化还原法（Selective Catalytic Reduction，SCR）脱除烟气氮氧化物的重要影响因素[1-2]，当催化剂处于300℃～400℃温度窗口下，催化剂具有选择催化活性，而深度调峰工况下的烟气温度条件往往不能满足该窗口温度[3]，这是催化剂在调峰工况下脱硝难以稳定投入的根本矛盾。化解上述矛盾需从两方面着手：其一，综合利用各种调节控制手段，提高深度调峰工况下SCR入口（即省煤器出口）的烟气温度;其二，研发新的低温催化剂或者利用污染物协同多脱工艺，来降低NOx的脱除反应温度。
1.1 提高SCR入口处烟气温度
提高SCR入口处的烟气温度，是当前全负荷脱硝的一个主要应用方向[3]。具体来说：第一，在深度调峰时尽量提高炉膛出口处烟温;第二，减少烟气在到达SCR入口过程中向其它介质进行热量传递;第三，引入如高温烟气和高温蒸汽等外加热源。
1.1.1 提高炉膛出口处的烟气温度
深度调峰时，掺烧低热值、高水分的煤种，增加一、二次风供应，可以降低高温烟气对炉膛换热面的辐射及对流换热强度，提高SCR的入口烟气温度[4]。除此之外，其它手段，如停运底层磨煤机、增加上层磨煤机运行台数，调整燃烧器摆角提高炉膛火焰中心，适当提高氧量，调整SOFA风摆角等，都有助于提高炉膛出口的烟气温度，一定程度上提高SCR入口处的烟气温度[5]。
1.1.2 减少炉膛出口至SCR入口烟气的热量传递
高温烟气从炉膛出口流出后，经过过热器、再热器、省煤器等换热设备后到达SCR入口。烟气在此流动过程中，适当减少过热器、再热器、省煤器等设备的换热量可以有效提高SCR催化剂入口处的烟气温度，也是现阶段火电企业最多应用的全负荷脱硝改造手段。具体地，这些改造手段包括省煤器旁路改造、省煤器分级改造、省煤器给水改造等路线方法。
省煤器旁路改造，是将锅炉省煤器前的部分高温烟气，通过旁路烟道直接送入SCR系统前端，该烟气与原有烟气在SCR前端的喷氨格栅和静态混合器中均匀混合升温后进入SCR反应系统。省煤器分级是将原有省煤器切分为前后两级，将SCR系统接入两级省煤器之间。这种方式也能减少烟气与省煤器的热量交换，提高SCR入口处的烟气温度。该技术工程上运用较多，已比较成熟。省煤器给水改造其实质是引入了外热源来提高省煤器给水温度，减少省煤器换热温差来提高烟气的温度，详情请见下节。
1.1.3 引入外加热源
通过引入外加热源提高SCR入口侧烟温，分为从烟气侧引入和从给水侧引入两类。烟气侧引入外热源时，设置外置燃油或者燃气烟道，通过燃油与燃气产生的高温烟气，混合原有烟气加入到SCR反应器，提高反应器中的烟气温度。给水侧引入外热源方面，主要是通过对省煤器给水进行加热，减少给水在省煤器中的吸热量，以提高锅炉省煤器出口的烟气温度。现阶段应用较多的具体方案是，在电厂汽机房增设0号高加，在深度调峰时，投入0号高加加热省煤器给水，提高SCR反应的烟气温度。对于亚临界汽包锅炉，利用炉水循环泵，将部分高温水送至省煤器水侧进口联箱，也能够提高进入省煤器的给水温度。
1.2 先进脱硝技术
目前，不少的科研机构正在研发新的催化剂配方及制备工艺，或者利用先进的污染物协同多脱工艺，来降低NOx的脱除反应温度，实现宽负荷脱硝。但目前这些技术受制于当前的原材料、设备工艺以及应用成本等因素还难以规模化商用。
1.2.1 低温脱硝催化剂
低温脱硝催化剂的研发是两个主要方向，一是催化剂活性组分调整，目前国内外正在研发的低温脱硝催化剂多为锰基、铈基以及钒基催化剂。前两者在温度较低时催化活性高但容易失活。钒基催化剂活性温度难以有效拓宽，反应温度较低时脱硝效率低。二是对现有SCR催化剂进行优化，既包括催化剂制备过程中对前驱物、对负载量的控制以及对制备方法的择优改进;也包括在常规催化剂基础上，通过引入其它金属氧化物（MnOx， CeOx）或者非金属物质（C， F， SiO2， SO42-），对催化剂载体和活性组分进行改性[2]，提高催化剂性能。
1.2.2 多种污染物的协同脱除——过氧化氢（H2O2）和臭氧（O3）
燃煤锅炉烟气中的大部分氮氧化物（>95%）都以水溶性较差的气相NO形式存在，利用强氧化剂将其氧化为水溶性较好的高价态氮氧化物，结合后部的脱硫塔等设备与SO2进行协同脱除，是目前较为先进的技术思路。现阶段，研究者主要关注和重视的氧化剂有H2O2和O3，这两种氧化剂均可在低温区间（90℃～280℃），在催化剂表面分解产生强氧化性自由基（如·OH，·O等），对NO进行有效的氧化。此外，该方法还对烟气中的SO2以及汞单质（Hg0）有一定的协同脱除能力。
1.2.3 富氧燃烧技术
富氧燃烧是将含氧量高于21%的空气送入锅炉参与燃烧，该技术使锅炉燃烧具有较高的燃烧温度和燃尽度，减少了CO和NOx的排放。在进行深度调峰时，进行富氧燃烧，对低负荷稳燃以及提高炉膛出口烟气温度进而提高SCR反应温度都有作用。但该技术目前囿于空分系统的大型化等系统难题而并未得到规模化商用。
2 结语
本文对机组进行深度调峰改造的一个重要掣肘因素——宽负荷脱硝，从已经有所应用的提高SCR入口烟温技术，以及正在研发、但尚未规模化商用的先进低温脱硝科技两方面进行了分析介绍。文中涉及多种技术路线的宽负荷脱硝技术，这也凸显出了进行宽负荷脱硝改造的复杂性和艰巨性。各火电机组需要最大程度地选择适用于本机组的改造技术，才能不断挖掘机组调峰潜力，实现经济效益与社会效益的共利共赢。
参考文献
[1] 甘丽娜.低温V2O5-WO3/TiO2脱硝催化剂开发与应用研究[D].中国科学院大学，2016.
[2] 陈华桂，何育生，戴兴干.现役燃煤机组全工况脱硝技术比较[J].电力工程技术，2017，36（5）：160-163.
[3] 王军民.600MW超临界机组锅炉宽负荷脱硝技术的探索及实践[J].浙江电力，2017，36（7）：24-28.
[4] 章义发，陆明智，彭万生，等.哈尔滨600 MW超临界锅炉低负荷期间脱硝运行研究[J].发电技术，2014（4）：36-38.
[5] 马强.烟气中多种污染物超低排放的活性分子氧化及一体化脱除机理研究[D].浙江大学，2016.
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