问题导向型技术比选在发电企业环保改造中的集成应用

摘 要：某发电公司在进行自有配置管式空气预热器锅炉脱硝改造工程中，借鉴已完成同类型改造工程各方面施工及生产经验，以解决目前脱硝改造易出现的问题为导向，确定了全面的目标体系，开展了多领域的技术比选工作，并优选方案后进行了实施，最终，不仅有效解决了相关问题，而且工程从投资收益、人力成本、施工工期等多方面皆得到了进一步优化。

关键词： 问题导向；技术比选；集成应用

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.03.148

1 立项的背景

（1）某发电公司8号机组于1995年投产，为DG670/13.7-8型超高压中间再热自然循环固态排渣煤粉炉，锅炉最后两排柱K、L与锅炉本体脱开布置，在锅炉尾部烟道上布置有管式空气预热器，漏风率达9.335%；。由于机组投运时间较早，未采用烟气脱硝技术，锅炉NOX实际排放值约为800-1000 mg/Nm3 （干基、标态，6%O2，以NO2计）。2014年，为满足《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011）环保排放要求（100 mg/Nm3以下），需进行脱硝综合改造。

（2）自文件下发以后，国内各发电企业陆续完成了相关脱硝环保改造。通过对多家发电企业调研得知：国内发电企业通常在进行脱硝环保改造的技术选型时，皆采用“目标导向”方法（即主要以环保改造达标为目标）制定相关改造方案并实施，虽然脱硝改造后可达到环保排放指标，但机组在节能指标、安全生产方面皆存在部分问题。

（3）因配置管式空预器的锅炉脱硝改造，涉及空气预热器、锅炉钢结构、运行条件选取、土建等多方面的设备改造及技术论证。在每个领域常以单一方案进行工程实践，难以保证所有方面皆能合理和先进。

2 问题及目标的确定

某发电公司为保证自有配置管式空气预热器锅炉脱硝改造工程借鉴已完成脱硝环保改造发电企业各方面施工及生产经验，以目前脱硝改造易出现的问题为导向，成立了解决问题的组织机构，确定了全面的目标体系。

（1）通过对对同类型发电公司脱硝改造工程进行调研，结合自身机组特点，明确相关同类型机组及本工程存在的问题：1）脱硝装置采用常规布置，将烟气脱硝装置加装在空气预热器入口、高温预热器出口等各段烟温进行统计分析，均未在催化剂最佳温度范围内。催化剂寿命低于设计值，管式空预器频繁出现堵塞，难以保证长期安全稳定运行。2）脱硝利用原钢结构，需对其进行补强，并基础加固，核算后存在不满足要求的可能性，炉后施工空间狭小，锅炉钢构架加固难度较大，同时新增钢构架安装及设备安装难度较大。 3）机组排烟温度较高，机组长期低效率运行，严重影响机组运行经济性。

（2）搜集、详细了解与脱硝综合改造各领域有关的相关技术方案：

（3）确定工程预期达到的目标：1）脱硝层安装在催化剂最佳温度范围内（300-400℃）；2）脱硝钢结构减少复杂度，施工工期控制在60日之内；3）排烟温度达到改造预期目标130℃。

3 方案的技术比选及确定

3.1 适用脱硝最佳烟温的方案比选

方案一：将原空预器低温段加大管径，并加高，管道内衬搪瓷防堵；原空预器低温段设置耙式吹灰器，以防止空预器堵塞。同时为保证高温预热器、低温预热器上组的换热效率及漏风率，需进行检修治理。

方案二：空预器改为回转式空预器，冷端采用搪瓷元件防腐处理，防止堵塞，并在热端增加蒸汽吹灰器、冷端增加双介质蒸汽吹灰器。

上述两个方案中，方案一，低温空气预热器下组进行更换后，可在一定程度上缓解预热器腐蚀、积灰问题，同时需对高温预热器及低温预热器上组进行检修，最大限度的利用原有空预器，工程量及节省工程造价相对较低，但脱硝钢结构高度增加约10米，钢结构造价增加，同时空气预热器高度增加后，空獠嘟孛婊增加，空气流速降低，影响换热效果。因管式空气预热器高度较高，采用耙式吹灰器进行吹灰效果不理想。

方案二需将锅炉尾部受热面（管式空预器、省煤器、烟风道等）整体拆除，改造工程量较大，工期较长，投资成本相对较高，脱硝钢结构高度较方案一低10米，但通过空气预热器的重新设计，可以重新选择预热器传热面积，降低排烟温度，增加热风温度，同时采用蒸汽吹灰器亦能保证吹灰效果，有利于锅炉效率保证。

（1）技术性比较.从产品的设计、制造、安装、系统运行、维护、检修、能耗、效率、投资等多方面进行了一系列的比较。可以看到：回转式空预器在设计制造安装方面具有用材量少、整体荷重小、占地面积少、支撑结构简单、烟道连接简易、系统阻力小等优势；在运行方面回转式空预器也具有流通阻力小、排烟温度低、漏风率稳定、SCR适应性强、耐低温腐蚀和耐磨，整体能耗不高、保证锅炉效率、设备可靠性高的优势。

由于回转式空预器冷端采用镀搪瓷元件，高度覆盖整个硫酸氢铵凝结区域，吹灰和清洗介质能深入传热元件内部，吹透全部硫酸氢铵和硫酸凝结区，可以较好的清除沉积物，使得预热器不会堵塞。另外，预热器设置水冲洗系统，可以彻底清洗传热元件内部残留灰分。如果采用管式空预器，SCR的副产物硫酸氢铵在191-150℃时为液态，极易在密封管束内部深处的管子表面凝结并吸附灰分，特别是采用错列管束的管式预热器，吹灰蒸汽无法吹透整个积灰区域。一般半年左右出现内部积灰搭桥而堵塞部分管束通道，导致阻力急剧上升，甚至引起锅炉停机。

（2）经济性比较。1）改造费用比较。管式空预器总费用为819.2万元，回转式空预器总费用为1073万元。2）运行费用比较。排烟温度降低对锅炉运行费用的影响。

加装SCR后，由于喷氨将导致空预器受热面硫酸氢铵沉积风险性加大。对于管式空预器来说，硫酸氢铵极易在管束内部深处的管子表面凝结并吸附灰分，因此排烟温度不宜设计地过低。8号炉原设计排烟温度为140℃，目前运行实测值约为156.5℃。加装SCR后，如采用管式空预器，实际排烟温度不会低于140～150℃；

而对于回转式空预器来说，由于吹灰和清洗介质能深入传热元件内部，吹透全部硫酸氢铵和硫酸凝结区，可以较好的清除沉积物，使得预热器不会堵塞。另外，预热器设置水冲洗系统，可以彻底清洗传热元件内部残留灰分。设计排烟温度可以取得低一些。参考国内类似工程，可取130℃。年节约标煤费用4591.125吨，节约燃煤费用约298.42万元，节煤效果十分可观。

结论：综合技术性和经济性比较结果，方案二虽然投资较高，但对SCR适应性更好，可靠性更高，且可实现降低排烟温度和空预器漏风率，保证锅炉效率，从而得到较好的经济效益，针对预热器改造的投资回收期限较短，因此推荐方案二：空预器改为回转式空预器。

3.2 脱硝装置钢结构的方案比选

方案一：利用原有锅炉钢架，进行加高加固改造。

由于本工程原有空预器为管式，管式空预器管箱及烟风道距离钢结构太近，如果不拆除，则该区域无改造施工空间，同时锅炉K、L列，B0、B8排钢柱为格构柱，该类型钢柱横截面小，承载能力差，在不拆除上部烟风道的前提下进行加固难度大，难以实现。若本次改造仍利用原有锅炉钢架，需通过荷载转移的方式实现该方案，加固加高工作量较大。

（1） 如前所述，由于本工程是老厂改造，受老厂钢结构型式及管式空预器限制，无法对原锅炉钢架进行直接加固，只能采用荷载转移的方式实施。从结构专业的角度看，必须将新增脱硝支架与锅炉本体构架整体建模，并进行详细计算，该项工作必须由锅炉厂负责，核算后存在不满足要求的可能性，不确定性因素较多。

（2）对原有锅炉钢架改造，因设备不拆除，炉后施工空间狭小，锅炉钢构架加固难度较大，同时新增钢构架安装及设备安装难度较大。

（3）因原有结构增加荷载及在炉后区域新增钢架，所以本方案基础改造工程量较大，改造难度较大，同时涉及到补桩，又因场地空间狭小，补桩难度较大。

（4）因空气预热器为管箱式，钢结构整体高度较高，实际使用量大。

方案二：锅炉K、L排柱拆除后新建

将锅炉区域K～L排，B0～B8排钢架拆除，基础保留。根据回转式空预器设备提资，在原锅炉K、L排区域新建脱硝钢构架。通过加设水平钢桁架或支撑形式将新建脱硝钢架K排与原锅炉钢架J排进行连接，使锅炉钢架可分担部分脱硝SCR产生的水平荷载，并对原锅炉钢架进行局部加固。

（1）方案二采取拆除后新建的方案，相对方案一而言，施工有足够的空间，施工相对便捷。

（2）由于回转式空预器高度仅有管式空预器的1/4左右，且省煤器前移，SCR装置与回转式空预器直接对接，因此脱硝支架高度大大降低。另外设计难度也不大，可由具有资质单位承担。

（3）相对方案一而言，方案二工期增加同时土建造价增加。

改造费用比较及结论。通过两项改造费用对比，虽然方案二的改造费用较高（约增加426.8万元），但由于可有效降低排烟温度，降低机组加装SCR后长期运行的空预器漏风率，实际运行费用较低。即使按降低排烟温度10℃计算，所产生的节煤效益每年可以达到209.94万元，约2.0年即可收回投资；如果按降低排烟温度20℃计算，所产生的节煤效益每年可以达到322.55万元，约1.3年即可收回投资，且将在机组寿命期间继续发挥效用。

方案二不足之处是工期较长，但考虑到某发电公司同时将进行脱硫改造，涉及到的烟囱改造难度较大，工期较长。脱硫、脱硝改造工程可同时进行，只要合理安排，即可将由于停炉造成的损失降至最低。

综上所述，推荐方案二：原有钢结构拆除重建+空预器更换为回转式+省煤器改造。

3.3 排烟温度控制的方案比选

为保证排烟温度达到改造预期目标130℃，空气预热器的选型至关重要。空气预热器入口烟气温度为350℃设计，需选型28号回转式空气预热器，因受炉体与电除尘器的空间位置限制，该型号空气预热器无法布置，将空气预热器型号更改为27号，排烟温度将高于预期目标。为保证排烟温度满足改造需要，经计算，在脱硝装置至空气预热器之间增设一级省煤器，与前移省煤器串联，同时增设一级省煤器水侧旁路，便于根据烟气温度时时调整。

因预热器入口烟气温度降低，但热风温度有所降低，从炉膛燃烧角度分析，根据电厂实际煤种当热风温度降低至315℃时可满足锅炉运行安全性要求。按预热器最小端差25℃推算，预热器入口烟温需控制在350℃左右。改造后热风温度较现运行值有所下降、三次风量会增加、二次风量会降低，按上述改造后对煤种适应性无较大影响，但飞灰可燃物可能会略有升高，在燃烧器改造时应该加以注意。

3.4 综述

对治理各领域问题的相关技术方案，从技术可行性、经济性、工期等多方面进行比选，确定适合本项目的最优方案为：

（1）脱硝装置布置方案：采用管式空预器改为回转式。

（2）脱硝装置钢结构方案：利用原有锅炉钢架，进行加高加固改造。

（3）排烟温度控制方案：在脱硝装置至空气预热器之间增设一级省煤器，便于根据烟气温度时时调整。

4 实施效果

4.1 解决的问题

（1）将原管式空预器改造为回转式空预器，解决了原锅炉尾部各段烟气温度均不在催化剂最佳活性温度范围内，且同步进行低氮燃烧器改造，脱硝入口烟气温度存在变量的问题；

（2）通过在脱硝反应器与预热器之间增加一级省煤器，解决了因改造场地空间布置限制，空气预热器选型不满足排烟温度要求的问题，并实现了排烟温度在不同机组负荷下的可控。

4.2 环保及节能指标效果

脱硝系统加装后运行稳定，满负荷工况下，脱硝出口氮氧化物浓度低于88mg/Nm3，空气预热器冷端未l生硫酸氢氨堵塞，尾部设备运行稳定；同时通过空气预热器改造、省煤器改造，机组排烟温度完成134.99℃，保证了机组可长期稳定运行运行经济性。

4.3 经济效益

经计算，此次改造后，从脱硝电价、节能、运行维护成本等多方面综合计算，可增加经济效益1284万元以上。

5 主要创新点

（1）打破了以往发电企业采用“目标导向”的方法（即主要以环保改造达标为目标）制定相关改造方案并实施的惯例，创造性的以解决脱硝改造已出现的问题为导向进行工程建设。降低了工程施工中的技术难度，缩短了施工工期、避免了环保改造后催化剂寿命低于设计值、排烟温度偏高、空预器堵塞导致机组被迫停运等问题的再次出现。

（2）在制定脱硝装置布置、钢结构、锅炉排烟控制、土建施工等多领域方案中，摒弃了以单一方案进行工程实践的做法，通过引入多种方案进行技术经济比选的方式，将各领域方案的合理及最优方案集成到整个脱硝综合改造工程中。工程实施后，在节能指标、设备可靠性、机组安全运行等方面优势明显。在国内同类型机组的环保改造中处于领先地位。

（3）在取得良好的社会和经济效益的同时，提供了一种技术方案比选的方法，形成了一套完善的问题导向技术比选体系，为日后同类型机组环保改造工程管理提供了参考和借鉴。