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燃煤电厂深度调峰下宽负荷脱硝技术研究进展

周会成 ,  王峰 ,  武洁 ,  梅文

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (3) : 45 -49.

PDF (1433KB)
现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (3) : 45-49. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.03.009
技术进展

燃煤电厂深度调峰下宽负荷脱硝技术研究进展

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A review on wide-load denitrification technology under deep peak shaving in coal-fired power plants

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摘要

综述了宽负荷脱销技术2个主要研究方向的进展,在催化剂改性方面探讨了宽温钒基和宽温锰基催化剂的研究进展;在结构改造技术方面,对比了6种结构改造技术的经济性、烟温提升能力及对锅炉效率的影响程度。研究发现,金属氧化物的掺杂可以有效改善催化剂的低温特性,并有效抑制硫酸氢铵的沉积;对机组采用烟气旁路技术进行改造后,烟气温度提升显著,对锅炉效率影响较小,更适合工业化应用。未来对催化剂的研发主要集中在继续拓宽适用温度范围、不同载体对适用温度的影响方面;结合具体实际条件,通过模拟与实验结合,开发灵活性高、成本低的改造技术,为燃煤电厂深度调峰后烟气处理问题提供参考依据。

Abstract

The research progress in two main directions of wide-load denitrification technology is reviewed.As for catalyst modification,the research progress in wide-temperature vanadium-based catalyst and wide-temperature manganese-based catalyst is expounded.Six kinds of structural modification technology are compared in their economics,their ability in enhancing flue gas temperature,and their impact degree on boiler efficiency.It is found that the doping of metal oxides can effectively improve the low-temperature characteristics of the catalyst and effectively inhibit the deposition of ammonium bisulfate.After the plant unit is modified with the flue gas bypass technology,the temperature of flue gas increases significantly,and the boiler efficiency receives less impact,which is more suitable for industrialized application.In the future,the R&D of catalysts will mainly focus on continuing to broaden the applicable temperature range and studying the influence of different carriers on the applicable temperature;According to specific actual conditions,it is suggested to develop the modification technologies with high flexibility and low cost through combining simulation with experiment,providing a certain reference for solving the problems in flue gas treatment after the wide promotion of deep peak shaving technology in coal-fired plants in the future.

Graphical abstract

关键词

深度调峰 / 烟气温度 / 宽负荷脱硝 / SCR / 燃煤电厂

Key words

deep peak shaving / flue gas temperature / wide-load denitrification / SCR / coal-fired power plant

Author summay

周会成(2000-),男,硕士生。

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周会成,王峰,武洁,梅文. 燃煤电厂深度调峰下宽负荷脱硝技术研究进展[J]. , 2025, 45(3): 45-49 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.03.009

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我国是世界上最大的煤炭生产消费国,2023年我国煤炭消费量占到能源消费总量的55.3%,由于新能源为主体的电力系统的不稳定性,一段时间内我国能源结构将仍以煤炭为主[1]。在燃煤电厂减排系统中,传统选择性催化还原(selective catalytic reduction,SCR)脱硝装置的催化剂对温度敏感。机组调峰运行时,脱硝系统入口烟温会降低到240~304℃,低于催化剂的适宜运行温度(310~420℃),导致SCR脱硝装置无法正常投运[2]。近年来,我国大力构建新型电力系统,为解决高比例可再生能源发电的波动性、不可预测性和间歇性,必须对火电机组进行灵活性改造[3]。
燃煤电厂主要产生的氮氧化物(NOx)主要包括一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)和少量一氧化二氮(N2O)。其中,NO占到90%以上,NO2只占不到10%。煤燃烧产生的NOx可分为热力型NOx、燃料型NOx和快速型NOx[3]。热力型NOx主要受到温度影响,机组低负荷运行时,热力型NOx生成量极少[4]。调峰时,为保证炉膛内燃烧稳定性,可以通过增加总风量达到稳燃效果,而空气过剩系数与燃料型NOx产生浓度正线性相[5],从而导致排放烟气中燃料型NOx浓度增大。这是由于燃烧O2通过总风量控制,总风量的变化不会给锅炉内各级燃烧的空气比例带来影响,燃烧O2增加的同时也使燃烧区域和还原区的氧浓度升高,导致NOx生成量增加。
本文主要综述了在深度调峰期间,宽负荷脱硝的2个主要研究方向:①研发新型催化剂,使低温烟气可在装置内反应;②对机组进行结构性改造,提高深度调峰条件下SCR脱硝系统入口烟温。文中对不同技术进行了对比和归纳,为提高调峰运行期间SCR脱硝系统入口烟温提供了研究思路。

1 宽温SCR脱硝催化剂的研究进展

SCR技术具有成熟、效率高等优势,广泛应用于燃煤电厂烟气脱硝处理。Topsoe等[6]最先提出了Dual Eley-Rideal Langmuir-Hinshelwood(ER-LH)反应机制(图1),在低温时NH3吸附在Lewis酸性位点上,NO主要吸附在活性位上并生成 N O 3 -。高温时,NH3吸附在催化剂表面并与气态NO发生反应,生成NHx-NOx中间体,随后分解为N2和H2O。SCR催化剂易在低温下失去活性,影响脱硝效率及系统安全运行,解决催化剂在低温条件下的活性问题是SCR宽温催化剂改造的关键。通常可通过掺杂金属氧化物对钒基或锰基催化剂进行改性,从而提升低温活性。

1.1 钒系脱硝催化剂研究进展

研究表明,TiO2具有较强的抗SO2性能及抗硫酸氢铵(ammonium bisulfate,ABS)沉积性能,且在高温煅烧后具有较好的低温特性,广泛应用于宽温脱硝催化剂的研发中[7]。由于V2O5WO3(MoO3)/TiO2催化剂具有90%以上的脱硝效率,但由于工作温度范围为300~400℃,难以在机组低负荷运行时投运,而V2O5具有毒性,所以有必要开发新型低温钒基NH3-SCR催化剂[8]。
钒系催化剂的改性主要通过在V2O5(WO3)/TiO2催化剂的基础上掺杂其他元素,从而提高催化剂的低温活性。NH3-SCR的脱硝速率由催化剂表面V4+(3+)/V5+比率决定,比率上升使Brønsted酸性位点数量增加,氧迁移率增加,从而提升催化剂活性。同时,晶体表面的氧空位也可以促进NO氧化活性,从而提升SCR反应速率[9]。WO3是一种催化添加剂,可以提高催化剂高温稳定性,同时,WO3增加了催化剂表面的酸性位点,提高了对NH3的吸附能力,提升了脱硝效率,常用于商业中。Min等[10]向V2O5-WO3/TiO2中投入Sb、La、Ce和Mo,发现Sb、La和Ce的加入使V4+(3+)比率上升、氧迁移率增加、Lewis酸性位点及Brønsted酸性位点增加,当催化剂处于270℃时仍可表现出较高反应速率与催化剂活性。Liu等[11]采用Ce和Ta共混改性V2O5-WO3/TiO2形成新型催化剂V-Ce/TaTi,研究发现,当该催化剂在250~400℃温度窗内脱硝效率仍可达98.4%;低活性优于单一元素改性,且在低温条件下表现出较强的抗SO2和H2O特性。
钒基催化剂的改性特性比较如表1所示[12-13],可以看出,对钒基催化剂的改性可以有效提升催化剂在低温条件下的活性,但部分催化剂的改性虽提升了低温特性,但降低了脱硝效率或抗SO2性能。为使催化剂能够适应深度调峰工况,还需在催化剂材料和技术研发上继续投入。

1.2 锰基脱硝催化剂研究进展

锰基催化剂具有煅烧温度低、种类繁多等优点,且由于锰基催化剂上具有丰富的Lewis酸性位点,具有良好的低温特性,故而受到广泛关注。由于常见锰基催化剂在氧化性能、水蒸气耐受性上表现差,难以满足深度调峰工况,因此需要对锰基催化剂适用温度范围小、抗SO2和H2O性能差等问题进行改善。
纯MnOx催化剂具有优越的低温活性,但在实际应用中易受到SO2影响而导致低温失活,所以对锰基催化剂的改性主要聚焦于提高催化剂的抗SO2性能,防止ABS沉积占据Lewis酸性位点从而影响脱硝效率。Eleonora等[14]通过溶胶-凝胶法制备了CeMnOx并掺杂钇元素,结果发现CeMnOx在75~200℃间实现了NOx的完全转化,掺杂钇虽未能提高转化率但拓宽了催化剂的选择性范围。
表2为锰基催化剂改性特性比较[15-16],通过增加过渡金属或稀有金属可以有效改善锰基催化剂在低温条件下的抗SO2特性,在有效减少ABS沉积的同时保证脱硝效率。

2 烟气侧结构改造

为实现火电机组在最低负荷及以上全负荷、全时段的稳定脱硝,除研发低温催化剂使其能够在低温条件下正常投运以外,还可对燃煤机组脱硝系统进行升级改造,使机组在任意负荷条件下烟气温度都可以达到300~400℃。当前工程中常见的改造技术主要有省煤器给水旁路技术、省煤器分级技术、省煤器烟气旁路技术、热水再循环技术、尾部烟气补燃技术和零号高加技术。

2.1 省煤器给水旁路技术

省煤器给水旁路主要通过在省煤器进水管路上接出旁路管道,使一部分给水能绕过省煤器与省煤器出口给水混合,从而减少省煤器的吸热量,达到提高出口烟温的目的,提升热效率。该技术具有改造工程量小、投资费用低等优点。据某630 MW超临界机组给水旁路改造结果显示[17],该方案可保证当机组负荷为50%~35% BMCR(boiler maximum continuous rating)时,SCR系统可以入口烟温达到320℃以上,但此时锅炉效率有所降低。关键等[18]对一台300 MW机组进行改造结果显示,当机组负荷降至120 MW时,通过旁路34%的给水量可以将脱硝系统进口烟温提高10℃,达到了脱硝系统投运的温度要求,且空预器出口烟温升高幅度小,效率降低幅度小,未对锅炉经济性产生影响。
对锅炉给水管道进行改造减少了省煤器的给水量,导致省煤器换热量减少、工质过冷度低,可能发生汽蚀影响系统安全。并且水侧流量对烟温的调节范围有限[19],因此该技术仅适用于烟气温度提升幅度小(小于10℃)的机组。

2.2 省煤器分级技术

省煤器分级技术主要通过舍弃部分换热面提升脱硝系统前烟气温度,并在脱硝系统后增加新一级省煤器,用以对完成脱硝的烟气余温进行回收。该技术系统运行稳定,经济性较好,且在维持空预器入口烟温的基础上保证了锅炉的燃烧效率。
邹祥波等[20]对某700 MW燃煤机组进行了省煤器分级改造,割除原省煤器44.2%受热面(7 652 m2),并在脱硝装置后增设H型鳍片管受热面(8 122 m2)。当机组负荷在250 MW时,脱硝系统入口烟温从273.6℃提升至316℃,达到SCR脱硝系统正常投运基本要求;有效降低全负荷段NOx排放浓度,综合脱硝效率由76.7%提升至87.4%。
在该技术中,合理分配两级省煤器换热量是改造的重点,在分级布置时还需注意锅炉尾部脱硝烟道布置。单烟道用于炉宽较窄的锅炉;双烟道布置用于炉宽较宽的锅炉,由于膨胀中心位于低温省煤器左右2个集箱的中心点,与给水管道膨胀中心点不一致,需要优化给水管道布置来消除管路膨胀差,同时还要防止吹灰器损坏吊挂装置。分级省煤器首先需保证SCR脱硝系统的正常工作,还需要满足省煤器入口、出口烟温及锅炉效率等指标。该技术存在催化剂高温烧结风险,且投资成本高、改造难度大、灵活性差,是否采用需根据电厂实际空间情况而定。

2.3 省煤器烟气旁路技术

省煤器烟气旁路技术指在锅炉后包墙等部位开孔,通过旁路烟道抽取高温烟气与省煤器出口处的烟气进行混合,从而达到提升SCR脱硝系统入口烟温的效果。同时,可根据旁路烟道上的挡板来控制旁路烟气流量;当机组负荷升高后可关闭挡板,以保证在不同负荷下SCR脱硝系统烟温需求。
周晓韡等[21]对某1 000 MW机组进行了改造,当机组处于150 MW低负荷运行时,通过调节挡板开度,可使全负荷脱硝系统入口烟温达到300℃以上。张楚城等[22]提出了一种在空间受限条件下的烟气旁路设计,将一段主烟道内分隔出旁路烟道,再布置引流板将旁路烟气分割为多股错位的气流,从而实现烟气的均匀混合。模拟结果显示,优化后的脱硝系统内部烟气流场分布更加均匀,大幅度改善催化剂入口速度分布,内部温度偏差由-21.6~51.5℃减小为-13.8~9.5℃。
烟气旁路技术可以有效降低煤耗率,提升系统节能效果[23],但该技术也会造成排烟温度高,从而导致锅炉效率降低,因此该技术在经济效益上还尚待优化。

2.4 热水再循环技术

热水再循环技术是指将锅炉下降管中的炉水引至省煤器入口处,从而减少省煤器吸热,使脱硝系统入口烟温满足脱硝要求。
徐嘉叶等[23]对某600 MW亚临界机组进行热水再循环改造。改造结果显示,当机组处于30%负荷条件下,省煤器出口温度由278.3℃提升至309.1℃,满足脱硝需求;排烟温度由104.7℃升高到115.3℃,锅炉效率由92.6%降至92.0%。但该技术升温能力较差[20],无法满足全负荷脱硝要求。雷斐等[24]对某1 000 MW超超临界机组进行给水旁路复合热水再循环改造,当机组处于300 MW时,若省煤器给水旁路流量达到300 t/h可将脱硝系统入口烟温提升到314℃,为保证可长时间调峰则需加入热水再循环,抑制ABS生成。若给水旁路流量不变,将热水再循环流量开至200~300 t/h,SCR入口烟温可提升至321~323℃,脱硝效率可达98%以上。

2.5 尾部烟气补燃技术

尾部烟气补燃技术通过在省煤器出口处增加燃气燃烧器,利用燃料燃烧产生的热量加热尾部烟气,从而提高脱硝装置入口烟温。
王廷燚等[25]用焦炉煤气作为补燃燃料对烟道补燃提升烟温,调整煤气量和助燃空气量,使机组在50%负荷下,过量空气系数为1.21时,最佳补燃温度为313℃,NO排放浓度最低为413 mg/m3达到超低排放要求。田舜尧等[26]以某350 MW超临界直流炉为研究对象,增设以玉米秸秆为气化原料的气化炉并用于尾部烟道补燃。当机组处于50%负荷下,SCR前补燃1 360 m3/h的秸秆气可将脱硝系统入口烟温提升至320℃,达到正常投运要求。
通过采用尾部烟道补燃技术极大提高了机组的灵活性且温度调节范围更大,但该技术对燃料的需求量较大,成本过高,且应用场景较为受限。

2.6 零号高加技术

零号高加式宽负荷脱硝技术通过在回热系统与省煤器间,增设零号高压加热器来提高给水温度,进而提升省煤器出口烟温,使脱硝系统可以正常投运。
以某660 MW超超临界机组为例[27],对其增设零号高加解决脱硝系统入口烟温问题,经改造后脱硝系统入口烟温明显升高,在40% THA(turbine heat acceptance)超低负荷下,脱硝系统入口烟温仍能够达到317℃,可使脱硝系统正常运行。但该技术会引起排烟温度上升,导致锅炉效率低,经济性较差。该技术只适用于带有补汽阀的高压缸汽轮机组;低负荷运行时还会使节流损失增大、煤耗上升,且会显著增加锅炉入口给水温度,存在省煤器给水饱和气化风险[28]。
烟气侧宽负荷脱销技术的机构改造技术如表3所示[19,29],对烟气侧的结构改造主要通过对省煤器进行改造,回收过程中散失的热量,并用于烟气加热,从而使烟气达到SCR脱硝系统正常投运温度。省煤器给水旁路技术与热水再循环技术都是通过调整锅炉中的给水,从而提升烟气温度。虽然给水旁路技术投资较少,却易影响省煤器安全运行。热水再循环技术改造成本较高,难以广泛推行。省煤器分级改造通过减少省煤器换热达到提升烟温效果,虽该技术不影响锅炉效率、具有较强的烟温提升能力,但改造难度大、投资成本高,不适合大范围使用。省煤器烟气旁路通过减少烟温散热使烟气满足SCR投运条件,虽该技术同样影响锅炉效率,但改造简单、投资小、烟温提升能力强,更适合大规模使用。尾部烟气补燃与零号高加技术都通过增加新装置提升烟气温度,虽提升烟温能力较强,但受到使用场景限制且经济性较差,需综合考虑机组的实际情况与要求。

3 总结与展望

总结分析了宽负荷脱销技术2个主要研究方向,即宽温催化剂改性和烟气侧结构性改造。通过向V2O5/TiO2催化剂中掺杂CeOx、γ-Fe2O3等材料可以显著改善催化剂的低温活性、提升脱硝效率;Mo、P等元素的添加虽然对脱硝效率产生了一定影响,但减少了ABS的生成,抑制了催化剂的低温中毒。向锰基催化剂中添加Ti、Ni等元素拓宽了催化剂适用温度范围,但易受到SO2影响,脱硝效率下降明显;通过添加Ce或更换载体后添加金属元素提升了在SO2影响后的脱硝效率,且在低温条件下仍可正常投运。由于催化剂的研发受到实验室条件影响,且在经济性上还亟待进一步研究,故难以广泛推广。当前,主要围绕对省煤器的结构优化达到提升SCR系统入口烟温的目的,或通过增加装置对烟气进行加热,从而使烟温达到投运标准。经对比发现,烟气旁路技术改造简单、温度提升能力强、对锅炉效率影响较小且改造成本较低,更适合广泛推广;由于受到应用场地限制、经济性较差,尾部烟道补燃技术与零号高加技术难以广泛应用。
目前关于深度调峰烟气侧宽负荷脱硝技术的研究还存在适用温度范围小、烟温提升能力弱和改造成本高等缺点,在未来的研究中应关注以下方面。
(1)针对新能源并网后波动不稳定,研究适合更宽温度范围的催化剂。探究不同制备方法、煅造方式、金属氧化物掺杂配比及不同载体对催化剂适用温度范围的影响并分析反应机理。
(2)针对实际条件,充分考虑烟气中SO2和H2O等杂质对结构的影响。在模拟实验过程中考虑实际因素影响,开发改造成本低、灵活性高的改造技术,为不同工况调节提供技术支撑。

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