现代化工

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (12) : 219-223. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.12.038

工业技术

中低负荷下300 MW燃煤机组SCR入口烟温提升方案设计

梅文 ¹^,² ,
王峰 ¹ ,
武洁 ¹^,³^,^* ,
周会成 ¹^,² ,
唐忠锋 ¹^,²

作者信息 +

Design of SCR inlet flue temperature enhancement program for 300 MW coal-fired units under low and medium loads

MEI Wen ¹^,² ,
WANG Feng ¹ ,
WU Jie ¹^,³^,^* ,
ZHOU Hui-cheng ¹^,² ,
TANG Zhong-feng ¹^,²

Author information +

文章历史 +

Received		Published
2025-03-14		2025-12-20
Issue Date	Revised Date
2025-12-15	2025-03-14

PDF (2123K)

摘要

针对燃煤机组在中低负荷运行时,选择性催化还原脱硝反应系统(SCR)入口烟温低而无法投运的问题,以某电厂300 MW燃煤机组为研究对象,采用给水旁路和烟气旁路联合设计方案,分析SCR入口烟气温度变化。利用Aspen Plus建立宽负荷脱硝模型,根据温升要求调节流量提升SCR入口烟气温度。结果表明,在锅炉最大连续蒸发量为20%~86%负荷区间内,联合设计方案投入后对机组热效率影响范围为0.1%~1.19%,流量调节对比单独投入调节总量减少3%~8%,入口烟气温度最高提升50℃,脱硝效率最高提升31.5%,NO_x的排放浓度低于36.8 mg/m³。该方案可实现锅炉最大连续蒸发量的20%负荷以上SCR的稳定运行,满足排放要求。为深度调峰下燃煤机组变负荷运行引起的SCR入口烟温低导致NO_x浓度超标等提供解决方案。

Abstract

The selective catalytic reduction denitrification reaction (SCR) system cannot operate due to a low inlet flue gas temperature when the coal-fired units in thermal power plant operate at low and medium loads.To address this issue,a 300 MW coal-fired unit of a power plant is taken as the research object,a joint design scheme combining feedwater bypass with flue gas bypass is employed to analyze the change of the inlet flue gas temperature of the SCR.Aspen Plus software is utilized to establish a wide-load denitrification model,and the flow rate is adjusted to raise the SCR inlet flue gas temperature according to the temperature rise requirement.Study results show that as the maximum continuous evaporation of the boiler stays at the load range of 20%-86%,the joint design scheme has a 0.1%-1.19% impact on the thermal efficiency of the unit,the flow regulation amount is 3%-8% lower than the total regulation amount by separated input,the temperature of the inlet flue gas is increased by up to 50℃,the denitrification efficiency is increased by up to 31.5%,and the emission concentration of NO_x is lower than 36.8 mg/m³.This scheme can help SCR realize the stable operation when the maximum continuous evaporation amount of the boiler exceeds 20% load,and meet the emission requirements.This study provides solutions for the problem that NO_x concentration surpasses the emission standard due to low SCR inlet flue temperature caused by variable load operation of coal-fired units under deeply peak shaving.

Graphical abstract

关键词

深度调峰 / 燃煤机组 / 火电厂 / 温度 / SCR / NO_x

Key words

deeply peak shaving / coal fired unit / thermal power plant / temperature / SCR / NO_x

Author summay

梅文(2000-),男,硕士,研究方向为燃烧污染物控制,20221100204@imut.edu.cn

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梅文,王峰,武洁,周会成,唐忠锋. 中低负荷下300 MW燃煤机组SCR入口烟温提升方案设计[J]. 现代化工, 2025, 45(12): 219-223 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.12.038

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“双碳”战略下,可再生能源并网的比例逐渐增加,燃煤机组在电源侧保供调峰作用使得中低负荷运行逐渐成为常态^[1-2]。当燃煤机组负荷较低时,选择性催化还原脱硝反应系统(SCR)的入口烟气温度将脱离其设计运行温度范围,导致烟气中NO_x含量远高于50.0 mg/m³的环保限值,必须开展SCR入口烟温提升方案设计^[3-4]。目前提高SCR入口烟温技术主要包括烟气旁路、省煤器分级、给水旁路以及热水再循环4种方案^[5-7]。

董陈等^[8]以600 MW机组SCR系统为例,通过数值模拟的方法对机组进行旁路烟道改造,在60%热耗率验收工况下使SCR入口烟气温度从295℃提升到319℃,满足喷氨温度要求。张楚城等^[9]将主、旁路烟气之间的混合距离延长到20 m,使高温烟气加热氨气的同时与低温烟气均匀混合,减小催化剂上层截面温度偏差,实现了SCR宽负荷运行。王煜伟^[10]以某超超临界1 000 MW机组塔式锅炉为研究对象,利用给水旁路改造后,在30%锅炉最大蒸发量(BMCR)负荷以上运行,SCR入口烟温能提升 10~15℃。李守磊等^[11]以680 MW超临界机组为研究对象,研究发现投运给水旁路系统,每增加给水旁路流量100 t/h,SCR装置入口烟温可升高约5℃。王憧北^[12]利用热水再循环技术对600 MW锅炉进行改造,改造后35% BMCR工况下出口烟温能从293℃提升到315℃。徐嘉叶等^[13]对某600 MW亚临界机组进行热水再循环改造,在机组30% BMCR负荷下,省煤器出口烟气温度达到309.1℃,增幅为30.8℃,但需要精准调节再循环水量^[14]。邹祥波等^[15]对700 MW燃煤机组省煤器分级改造工程案例进行分析,发现改造后的机组在36%热耗率验收负荷以上工段SCR入口烟气温度能提高40℃左右。省煤器分级对锅炉影响较小,但有烧结SCR脱硝系统催化剂的风险,并且改造难度较大^[16-17]。综上所述,已有中低负荷下SCR入口烟温的提升方案,方案可在30%~50% BMCR负荷区间将SCR入口的烟温提升至所需工作温度范围。上述方案对低于30% BMCR中低负荷区深度调峰下,SCR入口烟温远低于工作温度,现有方案无法解决SCR入口烟温低的问题,亟需开展SCR入口烟温提升方案设计分析。

本文中以某电厂300 MW燃煤机组为研究对象,采用给水旁路和烟气旁路联合投入的设计方案。以最低20% BMCR负荷以上投用SCR脱硝系统为目标,将SCR入口烟气温度由270.2℃提升到320℃以上,同时保证锅炉总体性能基本维持原状,以此作为判断灵活性脱硝设计方案成功与否的标准^[18]。以某电厂300 MW燃煤机组实际运行数据对模拟结果进行验证,提出一种适用燃煤机组20% BMCR负荷以上SCR稳定运行的设计方案,实现燃煤机组宽负荷运行,为燃煤机组深调运行提供理论依据。

1 模型的建立与计算

1.1 机组概况

以蒙西地区某电厂300 MW超临界参数直流煤粉炉为案例,SCR脱硝反应器布置在出口与空气预热器之间,反应器催化剂为钒系催化剂,规定使用温度为320~400℃^[19]。该锅炉在运行期间20%~100% BMCR负荷区间下SCR脱硝入口烟气温度与脱硝效率基本呈线性关系。

该锅炉在运行期间(20%~100% BMCR),当负荷低于86% BMCR时,SCR装置入口烟温降到320℃以下,低于催化剂设计运行温度,导致脱硝效率低,反应器内会生成硫酸氢铵,覆盖催化剂活性位点,产生不可逆损失并导致催化剂失活,同时会堵塞空气预热器^[20]。若要确保机组深度调峰至20% BMCR以上脱硝装置全程投入,必须设计提高SCR脱硝入口烟气温度的方案。

1.2 方案设计

本设计旨在实现机组的宽负荷运行,为解决该机组在20%~86% BMCR负荷区间内SCR入口烟气温度低、脱硝效率低的问题提供方案。现有宽负荷脱硝技术方案详见表1,烟气旁路设计方案最高能提升烟温40℃,但实际运行存在漏烟问题。给水旁路方案简易且成本低,但对烟温提升有限。热水再循环方案调节性能好,但系统复杂、排烟温度高对锅炉热效率影响大。省煤器分级方案对锅炉效率影响小,但改造难度大且难以调节烟温,高负荷时可能导致SCR脱硝系统超温。

考虑到本文中案例工况,20% BMCR负荷下机组SCR入口烟气温度仅有270.2℃,单独采取一种技术方案无法将烟温提升到320℃以上,不能满足脱硝装置长时间安全稳定投入运行的要求。而烟气旁路联合给水旁路技术方案对锅炉影响小且能满足温升要求;烟气旁路联合省煤器分级方案满足温升要求,但对机组改造空间要求较高;热水再循环联合省煤器分级方案也满足温升要求,但对锅炉影响较大、对改造空间要求高。因此以烟气旁路和给水旁路联合设计方案,满足SCR脱硝装置中低负荷区间的投运温度要求。

1.3 宽负荷脱硝模型建立

1.3.1 宽负荷脱硝设计模型

基于燃煤机组原有的煤燃烧系统、烟气换热系统和SCR脱硝系统,利用Aspen Plus建立给水旁路和烟气旁路联合设计模型,如图1所示。

模型运行方式分为2种:①机组负荷在86% BMCR以上,燃煤从WET-COAL流股进入,干燥后在DECOMP模块热解,在BURN模块燃烧产生高温烟气。烟气通过HOT-PROD流股进入烟气换热系统,与通过WATER流股进入的循环水换热,最后和FLASH模块分离的NH₃进入SCR脱硝系统,发生脱硝反应,最后烟气从PY流股流出。②机组负荷在20%~86% BMCR负荷区间,根据负荷判断温升要求,以调节烟气旁路和给水旁路单独或联合投入,通过改变W1流股的循环水流量,减少主路烟气换热和改变FG-PL流股烟气流量,进入MIXER模块与低温烟气均匀混合,以提升SCR脱硝入口烟气温度。

1.3.2 旁路流量调节计算流程

本文中提出的适用于低负荷运行下负荷频繁变化时,实时控制旁路流量的方案,技术路线如图2所示。根据燃烧条件计算燃煤机组负荷,以实际运行数据为参考依据,同时预测省煤器出口的烟气温度。若温度低于320℃,通过单独或同时调节给水旁路和旁路烟道流量,以提升SCR脱硝系统入口烟温,达到SCR反应器设计运行温度要求,实现燃煤机组宽负荷运行。

2 结果与讨论

2.1 模型验证

基于Aspen Plus建立300 MW燃煤机组宽负荷脱硝设计模型,模拟结果与机组运行实测数据对比如表2所示,实测数据通过烟气排放连续监测系统测得。

在机组满负荷工况下,由于燃煤机组存在漏气和测量设备老化等问题产生误差,而模拟过程忽略环境因素影响,导致实测和模拟数据有一定的偏差。CO₂浓度偏差最大是由于测位点受到飞灰沉积影响,而NO在烟气中相对稳定,受飞灰沉积、漏气等因素影响小,测量准确性较高。表2数据可知,烟气组分摩尔分数的实测值与模拟值偏差控制在0.01%~0.35%之间,属于可接受范围内,同时说明模型的准确性、可靠性。

2.2 锅炉热效率

为讨论方案是否能成功投入使用,将原模型、给水旁路投入、烟气旁路投入和2种设计方案联合投入,这4种方案分别命名为方案一、方案二、方案三和方案四,利用反平衡法计算锅炉热效率。燃煤机组在20%~86% BMCR负荷区间,不同设计方案投入对锅炉热效率的影响如表3所示。

随着负荷的降低,排烟热损失降低,热负荷有所上升,同时设计方案调节流量增大,对锅炉热效率影响更大。方案二投入后减少循环水与烟气的换热量,导致有效热效率降低,排烟热损失增加,对锅炉热效率的影响为0.03%~0.7%;方案三投入后减少与循环水换热的烟气量,由于烟气量远大于循环水产生的蒸气量,导致有效热效率减少得更多,同时烟气旁路对烟气温度影响更大,排烟热损失更多,相比方案二投入对锅炉热效率的影响更大,影响范围为0.43%~1.97%;而联合投入2种设计方案后,给水旁路、烟气旁路流量占比减少,对锅炉热效率影响介于二者之间,影响范围为0.1%~1.19%。3种设计方案投入对锅炉热效率影响低于5%^[21],皆能投入使用。

2.3 入口烟气温度的调节性能研究

在锅炉20%~86% BMCR负荷区间,不同设计方案流量调节比例如表4所示。随着机组负荷的降低,给水旁路流量占比由19%增加到40%,烟气旁路流量占比由13%增加到40%,这是由于随着机组负荷减小,烟气温度降低,为满足温升要求,需增大调节流量。方案四调节流量占比由27%增加到72%,相比方案二和方案三单独投入的流量总和,联合投入2种设计方案流量调节总量减少3%~8%,进一步说明当2种设计方案联合投入时,调节流量相应减少,对锅炉热效率的影响降低。

不同设计方案投入对SCR脱硝系统入口烟温的影响如表5所示。随着负荷的降低,SCR脱硝系统入口烟气温度由319℃降低到270.2℃。方案一投入后提升烟温较少,全量调节最高提升烟温15℃,在75%~86% BMCR负荷区间满足SCR脱硝系统运行要求;方案二投入后提升烟温较高,最高能提升40℃,在35%~86% BMCR负荷区间满足要求,适用于常规调峰机组;方案四投入后在20%~86% BMCR负荷区间满足运行要求,适用于深度调峰机组,若是全量调节调峰深度可以适当加大。

2.4 脱硝效率的调节性能研究

不同设计方案投入对脱硝效率的影响如表6所示。随着机组负荷的降低,由于烟气温度逐渐降低导致脱硝效率呈下降趋势,未投入设计方案前,脱硝效率由89%降低到60%,不满足SCR脱硝系统的运行要求;方案二投入后小幅度提升烟温,脱硝效率最高提升10%,SCR脱硝系统运行区间扩大到72% BMCR负荷以上;方案三投入后烟气温度提升幅度高,脱硝效率最高提升25%,SCR脱硝系统能在35% BMCR负荷以上运行;方案四投入后烟气温度提升幅度最大,脱硝效率最高提升30%,在20% BMCR负荷以上都能满足SCR脱硝系统运行。

在20%~86% BMCR负荷区间,变负荷下各设计方案投入对出口NO_x排放浓度的影响如表7所示。随着负荷的降低,烟温低于SCR脱硝系统设计运行温度,导致脱硝效率低,NO_x排放浓度由49.5 mg/m³上升到173 mg/m³,不满足排放要求;方案二投入后,NO_x排放浓度由36 mg/m³上升到138.4 mg/m³,72% BMCR负荷以上满足排放要求;方案三投入后,NO_x排放浓度由31.5 mg/m³上升到62.28 mg/m³,运行区间再一次扩大,35% BMCR负荷以上满足排放要求;方案四投入后,NO_x排放浓度最高为36.76 mg/m³,20% BMCR负荷以上都满足排放要求。

根据以上研究内容,本文中提出的变工况下不同设计方案投入负荷区间如表8所示。在72%~86% BMCR负荷区间,选取方案二能满足小幅度的温升要求,对锅炉热效率影响最小;在35%~72% BMCR负荷区间,改为方案三投入能大幅度提升烟温,但对锅炉热效率影响较大;在20%~35% BMCR负荷区间,方案三单独投入无法满足温升要求,需方案二联合投入,减少烟气旁路的调节量,同时能减小对锅炉热效率的影响。

3 结论

针对深度调峰下燃煤机组SCR脱硝系统入口烟温低无法投运问题,设计给水旁路与烟气旁路联合方案提升SCR入口烟温的方案。以某300 MW燃煤机组为对象,用Aspen Plus建模型分析该方案在20%~86% BMCR负荷区间对锅炉热效率、烟气温升和脱硝效果的影响,得出以下结论。

(1)方案二对锅炉热效率的影响范围为0.03%~0.7%,方案三影响范围为0.43%~1.97%,方案四影响范围为0.1%~1.19%,3种设计方案投入对锅炉热效率影响小于5%,皆能投入使用。

(2)单独投入方案二或方案三,全量调节流量只能满足35%~86% BMCR负荷区间温升要求,方案四投入后烟气温度最高提升50℃,能满足20% BMCR负荷以上的温升要求,相比单独投入时调节流量的总量,方案四投入能减少3%~8%的调节量。

(3)方案二、方案三单独投入后脱硝效率分别能提升10%和25%,满足72% BMCR和35% BMCR负荷以上的脱硝要求;方案四投入能满足20% BMCR负荷以上的脱硝要求,脱硝效率最高能提升30%左右。在不同设计方案投入对应的负荷区间内,NO_x排放浓度都能降低到50 mg/m³以下。

(4)模拟结果表明,72%~86% BMCR负荷区间应投入方案二,在35%~72% BMCR负荷区间应投入方案三,在20%~35% BMCR负荷区间投入方案四。在烟气旁路投入负荷区间可用给水旁路辅助温升,减小锅炉热效率的影响。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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