氮氧化物減排治理改造工程的分析

沈保中

（華能上海石洞口第二電廠，上海 200942）

0 引言

為了應(yīng)對“十二五”國家環(huán)保部對火電行業(yè)的氮氧化物減排要求，為了執(zhí)行即將發(fā)布的新版《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，目前絕大部分燃煤電廠均在加大力度，進(jìn)行氮氧化物減排治理的改造工作。由于是在老機(jī)組上實(shí)施改造，受老設(shè)備原設(shè)計(jì)的約束和現(xiàn)場條件限制，會出現(xiàn)各種各樣的問題，通過梳理2臺600MW超臨界機(jī)組氮氧化物減排治理過程中遇到的問題和總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，提供給需要改造的電廠作為參考。

1 配套低氮燃燒系統(tǒng)改造的必要性

被改造的2臺600MW超臨界機(jī)組的鍋爐，絕大部分設(shè)計(jì)時沒有采用低氮燃燒系統(tǒng)或采用較早的低氮燃燒技術(shù)，鍋爐日常運(yùn)行時氮氧化物的排放濃度較高，平均濃度超過650mg／m3。如果在改造中不進(jìn)行配套低氮燃燒系統(tǒng)的改造，直接采用選擇性催化（SCR）脫硝系統(tǒng)，氮氧化物的排放濃度要達(dá)到新排放標(biāo)準(zhǔn)要求的100mg／m3以下，就需要達(dá)到85%以上的脫硝效率；在催化劑的配置上需要增加催化劑的體積和高度，造成投資增加、運(yùn)行時的壓差增加，引起廠用電增加、還原劑的消耗量增加。如果在改造時同時配套進(jìn)行低氮燃燒系統(tǒng)的改造，通過改造將氮氧化物的排放濃度下降到350mg／m3左右后再采用SCR脫硝系統(tǒng)，脫硝效率只要達(dá)到75%左右就可滿足氮氧化物排放濃度小于100mg／m3的新排放標(biāo)準(zhǔn)要求。此時催化劑配置的體積和高度會明顯減少，相應(yīng)的投資、運(yùn)行成本也會明顯下降。

以1臺600MW超臨界機(jī)組為例，如果每層催化劑的高度從1.3m下降到0.95m左右，那么滿負(fù)荷運(yùn)行時每小時還原劑尿素的消耗量，將從777kg／h下降到436kg／h左右。而依照目前的低氮燃燒技術(shù)，將四角切圓燃燒鍋爐的氮氧化物濃度下降到350mg／m3左右的改造，可以做到基本不影響鍋爐的效率，是非常環(huán)保和經(jīng)濟(jì)的氮氧化物減排措施。所以，從總體上考慮，鍋爐配套低氮燃燒系統(tǒng)改造，是氮氧化物減排治理改造的首選方案，再考慮在尾部增加SCR脫硝技術(shù)，是1條可行、可靠和經(jīng)濟(jì)的技術(shù)改造路線。

部分早期僅僅進(jìn)行SCR脫硝改造的鍋爐，由于沒有同時配套進(jìn)行低氮燃燒系統(tǒng)改造，改造投運(yùn)后發(fā)現(xiàn)運(yùn)行不經(jīng)濟(jì)性、無法達(dá)到新的排放標(biāo)準(zhǔn)等問題，需要進(jìn)行第二次的追加低氮燃燒系統(tǒng)改造，造成了不必要的浪費(fèi)。

對于鍋爐配套進(jìn)行低氮燃燒系統(tǒng)改造的鍋爐，由于燃燒系統(tǒng)進(jìn)行了較大的改動，鍋爐投運(yùn)后應(yīng)該盡快開展鍋爐燃燒優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)，通過優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)將鍋爐的燃燒工況調(diào)整到最優(yōu)化，確保在不影響鍋爐效率的情況下將氮氧化物的排放濃度降到最低，使改造的效果實(shí)現(xiàn)最大化。

2 流場模擬計(jì)算和物模試驗(yàn)的重要性

在老鍋爐上加裝SCR脫硝系統(tǒng)改造時，由于原鍋爐設(shè)計(jì)時沒有考慮到加裝SCR脫硝系統(tǒng)，鍋爐后部鋼架設(shè)計(jì)時沒有預(yù)留足夠的空間來引出和引入脫硝煙道及布置SCR脫硝反應(yīng)塔的位置，鍋爐鋼架承重鋼梁和主要立柱的位置會影響到煙道的布置優(yōu)化，而對鍋爐鋼架承重鋼梁和主要立柱進(jìn)行移位是非常困難的，使得SCR脫硝系統(tǒng)改造時煙道和反應(yīng)塔的布置就很難有較理想的流場。脫硝系統(tǒng)煙道的引出和引入普遍存在不規(guī)則的縮口和擴(kuò)口現(xiàn)象，而且脫硝系統(tǒng)的引出和引入煙道普遍非常短，造成脫硝系統(tǒng)的引出和引入煙道內(nèi)的流場分布非常不均勻。

為此，有必要委托經(jīng)驗(yàn)豐富的單位開展SCR脫硝系統(tǒng)流場模擬計(jì)算和物模試驗(yàn)，通過試驗(yàn)找出解決流場均勻性的措施并在工程實(shí)施時給予落實(shí)，使得煙氣在進(jìn)、出口煙道和整個反應(yīng)塔內(nèi)的流動非常均勻，為脫硝系統(tǒng)的安全正常運(yùn)行創(chuàng)造條件。如果沒有開展SCR脫硝系統(tǒng)流場模擬計(jì)算和物模試驗(yàn)，或委托的試驗(yàn)單位沒有足夠的經(jīng)驗(yàn)找出解決流場均勻性的措施，SCR脫硝系統(tǒng)投運(yùn)后就有可能發(fā)生煙道內(nèi)大量積灰、部分催化劑表面大量積灰和磨損嚴(yán)重，進(jìn)而引起空氣預(yù)熱器表面堵塞等問題，影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3 還原劑的選擇

1）液氨 需要壓力容器進(jìn)行運(yùn)輸和儲存，運(yùn)輸、接卸、儲存時具有較大的危險性；液氨單價較高，但折算到等摩爾的氨氣的單價較低；使用系統(tǒng)簡單、使用方便、調(diào)節(jié)靈活。尿素的運(yùn)輸、接卸、儲存比較方便，沒有任何危險性。

2）尿素 單價較低，但折算到等摩爾的氨氣的單價較高；尿素制造過程中需要消耗更多的能源和水資源；使用系統(tǒng)比較復(fù)雜，改造的初期投資較高；使用時需要消耗電能進(jìn)行高溫裂解，能耗較高、系統(tǒng)調(diào)節(jié)較困難，每次系統(tǒng)啟停比較麻煩，需要經(jīng)過較長的時間才能達(dá)到穩(wěn)定；尿素屬于農(nóng)資產(chǎn)品，價格波動風(fēng)險較高。

3）選擇方案 從電廠的使用方便性、運(yùn)行成本控制、改造投資控制及總體環(huán)保效益最大化出發(fā)，選擇液氨作為還原劑是較合理的。但是，如果改造工程處在大城市邊緣、液氨供應(yīng)源較遠(yuǎn)，需要長距離運(yùn)輸?shù)碾姀S，從考慮社會環(huán)境大安全考慮，建議選擇尿素作為還原劑。

4 調(diào)平衡試驗(yàn)要及時

1）濃度不均勻的原因 雖然在設(shè)計(jì)時經(jīng)過流場模擬計(jì)算和物模試驗(yàn)，使得SCR脫硝反應(yīng)塔內(nèi)的煙氣流場盡量做到均勻，但是由于煙氣本身存在濃度的不均勻性，加上各噴氨系統(tǒng)也存在一定的不均勻性，造成SCR脫硝系統(tǒng)改造投運(yùn)后，反應(yīng)塔內(nèi)氮氧化物濃度與氨氣濃度的比例存在不均勻性，造成SCR脫硝系統(tǒng)反應(yīng)塔出口氮氧化物濃度與氨氣逃逸濃度存在不均勻性，部分出口氮氧化物濃度較低的部位氨氣的逃逸濃度升高。

2）調(diào)平衡試驗(yàn)的重要性 由于煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）和氨逃逸表安裝位置的限制，目前只能測量局部的氮氧化物濃度和氨氣的逃逸濃度，無法做到測量整個反應(yīng)塔內(nèi)的實(shí)際情況。如果反應(yīng)塔內(nèi)有嚴(yán)重的不平衡性存在，投運(yùn)后沒有立即進(jìn)行調(diào)平衡試驗(yàn)，就有可能造成SCR脫硝系統(tǒng)投運(yùn)不久引起空氣預(yù)熱器堵塞、運(yùn)行壓差上升，情況嚴(yán)重的有可能危險到機(jī)組的安全運(yùn)行。為此，需要及時開展調(diào)平衡試驗(yàn)，通過現(xiàn)場進(jìn)行網(wǎng)格法測量脫硝系統(tǒng)出口氮氧化物的濃度，找出不平衡的位置，調(diào)整相對應(yīng)的噴氨門，使反應(yīng)塔出口氮氧化物濃度達(dá)到均勻。

3）調(diào)平衡試驗(yàn)分析 為了方便開展調(diào)平衡試驗(yàn)，建議設(shè)計(jì)時在SCR脫硝系統(tǒng)末層的每1塊催化劑出口安置1根取樣管，形成1個與催化劑模塊相對應(yīng)的網(wǎng)格，使得每塊催化劑均有1個網(wǎng)格坐標(biāo)。調(diào)平衡試驗(yàn)時可以方便地測量每塊催化劑出口的氮氧化物濃度，通過分析測量到的氮氧化物濃度網(wǎng)格數(shù)據(jù)，可以查出反應(yīng)塔內(nèi)部的不平衡性。如果沒有安裝上述取樣管，進(jìn)行調(diào)平衡試驗(yàn)時需要通過大量的人力在脫硝出口煙道上進(jìn)行人工網(wǎng)格法測量，測量的數(shù)據(jù)與噴氨門的對應(yīng)性較差，調(diào)平衡難度就大。例如：某尿素SCR脫硝系統(tǒng)初次投運(yùn)調(diào)平衡前后的反應(yīng)塔A側(cè)出口氮氧化物濃度分布如表1所示。

表1 調(diào)平衡前的反應(yīng)塔A側(cè)出口氮氧化物濃度分布mg／m3

由表1可以看出，氮氧化物濃度最大為115mg／m3，最小為1mg／m3，平均為33.8mg／m3，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為84.7%，說明存在嚴(yán)重的不平衡性。根據(jù)表1所測數(shù)據(jù)，重新調(diào)整了相應(yīng)噴氨門的開度，再次測試的數(shù)據(jù)如表2所示。

由表2得知，氮氧化物濃度最大為60mg／m3，最小為16mg／m3，平均為39.7mg／m3，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為28.5%。說明調(diào)整后，脫硝反應(yīng)塔A側(cè)的平衡度已經(jīng)明顯好轉(zhuǎn)，達(dá)到了基本可以接受的程度。

對于采用尿素作為還原劑的系統(tǒng)，由于兩側(cè)反應(yīng)塔共用一個裂解爐，2個反應(yīng)塔內(nèi)噴氨的均勻性更差，而且受外界的干擾因素更多，出現(xiàn)不平衡的可能性更大。所以，建議每次機(jī)組檢修后要盡快做調(diào)平衡試驗(yàn)，或者當(dāng)SCR脫硝出口氮氧化物濃度與煙囪入口氮氧化物濃度偏差較大時就需要開展調(diào)平衡試驗(yàn)。

表2 調(diào)平衡后的反應(yīng)塔A側(cè)出口氮氧化物濃度分布 mg／m3

5 考核存在不足

目前，部分省市出臺的脫硝電價考核條款中，將氮氧化物排放濃度小于100mg／m3、脫硝效率必須大于70%或更高指標(biāo)作為考核標(biāo)準(zhǔn)，顯然存在不足。

1）不實(shí)施同步配套改造的考核可行 對于不實(shí)施同步配套、單一進(jìn)行低氮燃燒系統(tǒng)改造的機(jī)組，將氮氧化物排放濃度小于100mg／m3、脫硝效率大于70%或更高指標(biāo)作為考核標(biāo)準(zhǔn)是可行的。這是因?yàn)镾CR脫硝系統(tǒng)入口的氮氧化物排放濃度較高，采取降氮氧化物措施是非常必要的。

2）實(shí)施同步配套改造的考核欠妥 對于實(shí)施同步配套進(jìn)行低氮燃燒系統(tǒng)改造的機(jī)組，降氮氧化物的手段是通過低氮燃燒系統(tǒng)和SCR脫硝系統(tǒng)協(xié)同實(shí)現(xiàn)的。在正常情況下，50%左右的氮氧化物下降幅度由非常環(huán)保和經(jīng)濟(jì)的低氮燃燒系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，剩余的30%左右的氮氧化物下降幅度則由運(yùn)行成本相對較高的SCR脫硝系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。

如果將低氮燃燒系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整到最佳，在不影響鍋爐效率的情況下，可以將氮氧化物排放濃度降到最低，此時SCR脫硝系統(tǒng)入口的氮氧化物濃度就可能較低。

如果鍋爐燃燒比設(shè)計(jì)煤種揮發(fā)分更高的煤種時，氮氧化物的濃度可能會更低，SCR脫硝系統(tǒng)入口的氮氧化物濃度會大大低于設(shè)計(jì)濃度。

如果某SCR脫硝系統(tǒng)入口設(shè)計(jì)濃度按照400mg／m3設(shè)計(jì)，實(shí)際運(yùn)行時如果SCR脫硝系統(tǒng)入口濃度在200mg／m3以下或更低，此時要同時滿足上述考核條件，SCR脫硝系統(tǒng)出口氮氧化物濃度就會很低，總的氮氧化物下降幅度較小，對按照較高氮氧化物下降幅度設(shè)計(jì)的反應(yīng)塔需要的氮氧化物和氨氣的摩爾比就要上升、氨逃逸濃度就會升高。同時，過低的SCR脫硝系統(tǒng)出口氮氧化物濃度對反應(yīng)塔內(nèi)的不均勻性敏感度就會提高，局部催化劑出口氨逃逸濃度就會升高，造成潛在的系統(tǒng)堵塞、催化劑中毒的危險性增加。

3）考核標(biāo)準(zhǔn)要合理 鑒于上述兩種情況分析，對實(shí)施同步配套改造工程的機(jī)組，同時考核氮氧化物排放濃度和脫硝效率是非常不科學(xué)的，相關(guān)部門在制定政策時應(yīng)以排放氮氧化物濃度作為絕對考核標(biāo)準(zhǔn)，適度的脫硝效率作為參考標(biāo)準(zhǔn)，鼓勵企業(yè)努力運(yùn)行好低氮燃燒系統(tǒng)，達(dá)到環(huán)保效應(yīng)的最大化。

6 選擇合理的取樣點(diǎn)

由于參與改造的機(jī)組，脫硝系統(tǒng)進(jìn)、出口煙道普遍較短，即使是場地相對寬余的新建工程，脫硝系統(tǒng)進(jìn)、出口煙道上取樣點(diǎn)的布置位置也無法完全符合相關(guān)規(guī)范的要求。為此，需要在現(xiàn)場尋找一個合理的取樣點(diǎn)。

一般SCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)、出口煙道布置采用水平方向較寬、高度較窄的方式，而且鍋爐煙道到省煤器出口存在一定偏差，造成SCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)、出口煙氣氧濃度和氮氧化物濃度存在水平方向偏差，普遍是兩側(cè)偏高、中間偏低。所以，CEMS取樣點(diǎn)建議布置在水平段煙道的上部居中位置，同時盡可能布置在煙道流向的下游位置，人工比對測孔盡量安裝在CEMS測點(diǎn)上游1m左右。對于采用直接測量法的氨逃逸表的安裝位置，由于必須要安裝在煙氣通流處，安裝位置離脫硝系統(tǒng)越遠(yuǎn)越有利于系統(tǒng)混合，建議將氨逃逸表安裝在空氣預(yù)熱器的入口垂直段。

7 結(jié)語

上述分析表明，配套低氮燃燒改造加SCR脫硝改造路線，是最優(yōu)化的老機(jī)組氮氧化物減排治理改造路線；精確的流場模擬計(jì)算和物模試驗(yàn)結(jié)果是SCR脫硝系統(tǒng)改造成功的關(guān)鍵；及時開展調(diào)平衡試驗(yàn)是保障SCR脫硝系統(tǒng)安全運(yùn)行的有效措施。

SCR脫硝系統(tǒng)運(yùn)行是我國近幾年剛開始實(shí)施的減排措施，許多運(yùn)行問題還有待技術(shù)人員在今后的工作中不斷加以總結(jié)，通過總結(jié)、交流用以提高整體的運(yùn)行水平。