高-低溫脫硝技術在寶鋼湛江鋼鐵電廠2臺350MW機組上的成功應用

北極星大氣網訊:1、 行業背景

氮氧化物(NOx)控制是國家經濟可持續發展和環境保護的緊迫強制性要求，根據國家統計局數據顯示，經過多年的減排，我國氮氧化物排放總量已有明顯下降，但在2017年排放量仍然達到1259萬噸左右（該數據源自國家統計局官網資料庫「國家數據」），即96.85億m3氮氧化物，其中電力行業與鋼鐵行業排放量最大，分別達到114萬噸和104萬噸。電力、冶金、化工等行業的氮氧化物控制技術已列入國家重點研究課題，選擇性催化還原法脫硝技術(SCR)是主流的脫硝技術，以氨作為還原劑在催化劑作用下將煙氣中的NOx還原成無害的N₂和H₂O，其中催化劑是SCR脫硝技術的核心。

常見的燃煤火電機組超低排放改造技術如圖1-1所示。超低排放技術路線主要有：脫硝系統(SCR)+煙氣冷卻器(FGC)+低低溫電除塵(ESP)+溼法脫硫系統(FGD)+溼式電除塵(WESP)+煙氣再熱器(FGR)+煙囪。

SCR脫硝技術經過近幾年的大量應用，中高溫SCR脫硝催化劑技術已相當成熟，但催化劑要求反應溫度在300~420℃範圍，當煙氣溫度低於300℃時，催化劑極易發生不可逆的中毒現象，其使用壽命會大幅降低甚至短時間失效報廢。所以，高水平的抗硫、抗水中毒的新型高-低溫脫硝催化劑及低溫脫硝催化劑是脫硝技術發展的關鍵及「全負荷」運行NOx超低排放的根本保證。同時，只有通過不斷的創新技術才能確保發電機組不斷降低煤耗和汙染物排放濃度(含碳排放)。

隨著我國電力行業煙氣脫硫脫硝改造工程的基本完成，要求發電機組必須適應全負荷的運行達標排放。國家能源局提出了火電靈活性改造工作要求，熱電機組增加20%額定容量調峰能力，最小技術出力達到40%~50%額定容量；純凝機組增加15%~20%額定容量調峰能力，最小技術出力達到30%~35%額定容量；部分具備改造條件機組最小技術出力達到20%~25%額定容量。更進一步調峰目標是力爭實現80%~90%的調峰能力，即不投油穩燃時純凝工況最小技術出力達到10%~20%額定容量，其中的重點、難點就是鍋爐SCR裝置的全負荷運行。

電力行業發電機組超低排放改造中，鍋爐SCR脫硝系統的催化劑均為中高溫型催化劑，適用溫度窗口為300~420℃，噴氨溫度不得低於300℃。當煙溫過低時，生成的硫銨會堵塞催化劑微孔，降低催化劑活性，使催化劑中毒而失效報廢。發電機組啟停、低負荷及大幅度調峰時，SCR裝置入口煙溫會下降到260℃，甚至更低。此時，為確保催化劑不中毒，絕對不能噴氨運行，否則，將直接導致催化劑失效報廢。除了上海瀚昱環保，國內外尚未發現有成熟的適應從低溫到高溫全覆蓋的新型高效SCR催化劑，面對巨大的NOx減排壓力，需要進行複雜的鍋爐換熱系統技術改造，但即便如此也無法達到「全負荷、全工況」的NOx超低排放達標運行。

現階段，除了上海瀚昱環保與寶鋼湛江鋼鐵電廠合作在350MW機組實施的成功案例外，在國內外的其他電廠鍋爐脫硝中，尚未出現應用「全負荷」脫硝的新型高效催化劑的成功案例，也沒有發現通過其他諸如低氮燃燒法、省煤器分級改造法、抽取旁路高溫煙氣法、0號高加加熱煙氣法等達到「全負荷、全工況」NOx達標排放要求。為此，有必要及時總結各種改造方法的經驗教訓，加快實施力度，推廣新型高效的「高-低溫SCR脫硝催化劑」的工程應用，將鍋爐原來的普通中高溫催化劑替換成此類新型催化劑，為真正實現火電鍋爐「全負荷、全工況」的NOx超低排放達標運行做出貢獻，讓我國的火電鍋爐煙氣NOx治理水平提升到新的高度，引領世界發展。

2、高-低溫SCR脫硝催化劑的研製與應用

2.1 寶鋼湛江鋼鐵有限公司電廠概況

寶鋼湛江鋼鐵有限公司自備電廠建有2臺350MW亞臨界燃煤發電機組，配套東方鍋爐廠設計製造的可摻燒低熱值煤氣的燃煤鍋爐，鍋爐採用亞臨界參數、一次中間再熱、單爐膛、平衡通風、固態排渣，燃燒採用改進型低NOx燃燒器和分級送風燃燒系統。設計煤種為神府煤，校核煤種為山西大同混煤、山東兗州煤和印尼煤，根據燃料情況，混燒高爐煤氣、焦爐煤氣、轉爐煤氣。配套上海電氣電站設備有限公司的N350-16.7/538/538型亞臨界、一次中間再熱、單軸、兩缸兩排汽、抽凝式汽輪機，QFS2-350-2型雙水內冷發電機。

2.2 350MW機組的原中高溫SCR脫硝狀況

最初鍋爐設計配套了中高溫的SCR脫硝裝置，SCR催化劑採用「2+1」布置方式。2015年安裝兩層中高溫型蜂窩式SCR催化劑，催化劑單體高度為1060 mm，節距為7.6 mm。為達到超低排放要求，在2016年加裝了備用層中高溫型蜂窩式催化劑。機組SCR裝置投用三層後的性能試驗情況如下：

當某一時段，機組負荷在350MW、280MW時，實測SCR入口NOx濃度分別約為304mg/Nm³、244mg/Nm³，脫硝效率分別約為92.1%、94.7%，出口氨逃逸濃度分別約為1.82ppm、0.84ppm，出口NOx排放濃度分別約為24mg/Nm³、13mg/Nm³。當機組355 MW負荷時，煙氣經過三層催化劑後SO₂/SO₃轉化率為0.88%，脫硝裝置整體阻力975Pa，氨耗量為123.5kg/h。當機組負荷低於230MW時，受到SCR裝置入口溫度低於300℃的限制，SCR裝置只能退出運行，造成鍋爐NOx排放超標。

2.3 高-低溫SCR催化劑的研製與應用

2.3.1 高-低溫SCR催化劑的研製

為實現國家提出的機組全負荷、全工況的環保達標運行，實現機組啟、停和低負荷範圍內脫硝裝置正常投運。在環保部領導的關心與鼓勵下，在廣東省政府、省環保廳、湛江市政府及市環保局領導的大力支持下，寶鋼湛江鋼鐵領導以勇於創新、敢於創新的精神大膽決策，寶鋼湛江電廠創新性地採用上海瀚昱環保材料有限公司劉教授團隊研發的SCR高-低溫脫硝催化劑，通過大量的實驗室研究工作和現場中試，進行多組合的特性分析、技術論證及應用驗證，成功研製出了適用煙氣溫度為180~420℃的大寬幅度的高-低溫SCR催化劑。

2.3.2 高-低溫SCR催化劑的應用

上海瀚昱環保材料有限公司成立於2007年，國家高新企業，主要從事煙氣淨化環保催化劑、脫硫設備及材料、表面防護材料的研發、生產與應用的專業化企業。研發團隊在SCR高-低溫脫硝催化劑十多年研發工作的基礎上，通過與寶鋼科技部、寶鋼中央研究院、寶鋼湛江鋼鐵等通力合作，成功地實現了「高-低溫催化劑」在發電廠煙氣超低排放上的應用。到目前為止，在世界範圍內還未發現真正做到「全負荷、全工況」NOx超低排放要求的火電機組，更未發現「180~420℃高-低溫SCR催化劑」在火電鍋爐煙氣上的成功應用案例。寶鋼湛江電廠2臺350MW燃煤機組實現工業化應用「150~420℃高-低溫SCR催化劑」並真正達到「全負荷」NOx超低排放要求。

兩臺機組分別於2019年1月17日和3月20日投運。其中2U機組於2019年1月19日併網發電，實現併網前從150℃低溫下的NOx超低排放達標（技術協議要求在180~420℃達到超低排放要求）。1U機組於2019年3月21日併網發電，同樣實現併網前低溫下的NOx超低排放達標，再一次驗證了「全負荷」脫硝的成功，超目標完成項目任務與技術要求。兩臺機組都是併網前就達到了NOx超低排放要求，真正實現從「0負荷至滿負荷」的達標排放，投運至今已超過一年半時間，NOx全部達到超低排放要求，並經歷過30多次啟、停爐及大幅度調峰的考驗以及在各種燃料工況與運行工況下NOx的排放均達到超低排放要求，運行非常穩定，氨逃逸率低，解決了多年存在的空預器堵塞與腐蝕問題。真正實現火電機組「全負荷、全工況」NOx超低排放的重要目標與環保願望。

1）寶鋼湛江電廠2#（350MW）機組高-低溫SCR脫硝投運情況

2019年1月17日啟爐投運，做了多個溫度段脫硝性能考核試驗。在煙溫180~420℃條件下，全部指標符合技術協議要求，達到NOx超低排放要求。額外追加150℃煙溫下的性能考核與抗中毒性能試驗。2019年1月19日，#2機組併網，真正實現從「0→滿負荷」的NOx超低排放達標——「全負荷」NOx超低排放。後續的運行過程中又經歷了各種工況條件的考核，NOx全部達到超低排放要求。

（1） 脫硝煙溫150℃時，NOx排放僅為36mg/Nm³（實測為5mg/Nm³），優於50mg/Nm³的超低排放標準。氨逃逸率接近0ppm。

（2） 220℃併網，NOx排放為0.92mg/Nm³（NOx入口濃度355mg/Nm³，SO₂濃度550mg/Nm³），脫硝效率達到99.7%。氨逃逸率接近0ppm。

2）寶鋼湛江電廠1#（350MW）機組高-低溫SCR脫硝投運情況

2019年3月20日啟爐，21日投運脫硝系統，做了多個溫度段脫硝性能試驗。額外追加煙溫110℃時噴氨的催化劑抗中毒性能考驗。真正實現「全負荷」NOx超低排放要求，對啟、停爐及深度調峰做到超低排放全覆蓋。具體如下：

（a）從110℃開始持續噴氨脫硝，證明催化劑具有優異的低溫下抗中毒能力和脫硝穩定性。

（b）NOx滿足超低排放要求（≤50mg/Nm³），最低值5.75mg/Nm³。氨逃逸接近0ppm。

（c）併網後，NOx排放為10~25mg/Nm³（NOx入口最高為635mg/Nm³），脫硝效率達97%。氨逃逸接近0ppm。

（1）#1機組併網前，O₂濃度17.83%，NOx排放為5.76mg/Nm³（實測為1.2 mg/Nm³），達到超低排放要求。

（2）#1機組併網後，O₂濃度18.01%，NOx排放為15mg/Nm³（實測為3.15 mg/Nm³），達到超低排放要求。

（3） #1機組併網後環保脫硝數據曲線（NOx排放為15.51mg/Nm³）

2.3.3高-低溫SCR催化劑的應用總結與說明

寶鋼湛江電廠2臺350MW機組採用了高-低溫SCR脫硝工藝，實現了「全負荷」脫硝超低排放達標，符合生態環境部最嚴格的標準要求。高-低溫SCR脫硝工藝是指採用高-低溫型SCR催化劑進行脫硝的工藝，該催化劑由上海瀚昱環保材料有限公司研發並生產，可適應煙溫從低到高（150~420℃）全範圍的NOx超低排放達標。

通過現場使用驗證，採用新型的高-低溫SCR催化劑後，在機組啟動和低負荷運行時（脫硝入口煙氣溫度180℃甚至更低至150℃時），SCR脫硝系統能實現在線投用，NOx排放濃度能有效控制在35mg/Nm³左右，脫硝效率穩定在90%以上。

高-低溫SCR催化劑具有優異的適用性和實用效果，主要體現在以下幾方面：

（1）高-低溫SCR催化劑的適用範圍廣，併網前即可投氨脫硝，能真正實現從「0負荷—滿負荷」的全負荷脫硝達標需求，能在機組啟停爐和80%~90%深度調峰時（若機組可實現）NOx達標排放。

（2）新型高-低溫SCR脫硝催化劑具有良好的品質特性，可結合鍋爐和SCR裝置優化調整運行，實現有效應用。

（3）可沿用原設計配置的SCR中高溫脫硝設備和系統，不必增加任何設備，只需將高-低溫SCR催化劑替代原來的中高溫催化劑即可。

（4）能避免發生NOx排放超標的環保事件，真正做到「全負荷、全工況」運行條件下的NOx超低達標排放。

（5）具有很高的技術價值與經濟價值，與目前常用的諸如低氮燃燒法、省煤器分級改造法、抽取旁路高溫煙氣法、0號高加加熱煙氣法等方法相比具有較高的性價比。

3、火電廠「全負荷」與「深度調峰」脫硝改造的情況調查與效果分析

火電廠中高溫SCR脫硝工藝是一種要求煙溫達到300~420℃才能噴氨運行的脫硝方法。若煙溫過低，中高溫催化劑很容易中毒導致永久失效而報廢。為了在低負荷下實現NOx排放達標，又要繼續投運中高溫SCR脫硝，不得不通過改造鍋爐設備的方式來提高脫硝煙溫。目前在火電鍋爐常用的改造方法主要有以下幾種：

3.1、省煤器分級改造及效果分析

將部分省煤器挪到SCR脫硝反應器之後，一臺350MW機組改造費用約為2000萬元，中高溫SCR催化劑用量不變，總費用較高。帶來新的問題是：省煤器換熱量減少、鍋爐效率降低、煤耗增加，碳排放量增高，反應器後的省煤器容易被硫銨鹽粘附堵塞及腐蝕爆管，後遺症較大，維護費用較高。而且換熱計算很難準確，不是偏高就是偏低，若改過頭了，則正常運行時煙溫超過420℃，催化劑不能正常使用，同時煙氣中的SO₂/SO₃轉換率高造成尾部結硫銨鹽嚴重；若改得不夠，則低負荷時脫硝煙溫仍然偏低，催化劑還是不能投運。已改造的項目普遍存在這些問題。

3.2、旁路煙氣改造及效果分析

將高省前的高溫煙氣直接引入SCR反應器前端，改造費用約600萬元，中高溫催化劑用量不變。帶來新的問題是：高溫煙氣被抽走後，省煤器處的熱量不足，影響鍋爐給水溫度與給水量，鍋爐效率下降，而空預器的熱量過高，與鍋爐工況不匹配，而且排煙溫度偏高，能耗增加，碳排放量增高。並且，省煤器的煙氣量被人為減少後，其煙氣流速明顯下降，容易造成省煤器積灰與堵塞。高溫煙氣若抽得偏少，則反應器升溫效果不明顯；若抽得偏多，則影響鍋爐正常運行。

3.3、0號高加改造及效果分析

從汽機中壓缸抽取中高溫蒸汽用於加熱一股省煤器前的煙氣，希望提高煙氣溫度來滿足中高溫催化劑的工作溫度需要，改造費用約1000萬元，中高溫催化劑用量不變。產生的問題是，這種方法只能提高煙氣溫度10℃左右，且不穩定，難以對SCR全負荷脫硝運行產生有效幫助，而且還影響高加的熱效率，鍋爐的效率進一步降低。

實際應用效果表明，以上三種方法改造鍋爐設備的效果不好，對「全負荷、全工況」NOx超低達標排放幫助有限，無法達到「深度調峰」的脫硝排放要求，反而造成鍋爐效率下降，能耗增加，是典型的「不治標亦不治根」的方法。電廠花費了較高的改造經費與時間成本，沒有取得應有的成效，也難以從改造中得到環保效益與經濟效益回報。

4、高-低溫SCR脫硝技術的優勢與社會效益

高-低溫SCR脫硝工藝是一種新型的、先進的脫硝工藝，高-低溫SCR催化劑是具有突破性的科技成果，節能減排效益顯著，將推動我國的脫硝技術變革與環保技術水平提升。高-低溫SCR脫硝技術可使發電機組實現「全負荷、全工況」脫硝，對環保部提出的全負荷NOx達標排放要求是很好的技術支持。由於實現了「全負荷」脫硝，可在任何負荷下進行持續脫硝，減少氮氧化物排放量，減少環境汙染。在機組低負荷時，由於不需要將煙氣加熱到300℃以上即可脫硝，避免了額外的能源消耗，同時，顯著減少加熱燃燒所帶來的額外碳排放，為節約社會資源和保護生態環境做出了到積極有益的貢獻。

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