1000MW燃煤機(jī)組脫硝裝置CEMS采樣方式的改進(jìn)措施

王衛(wèi)群，賈 濤，華 偉，張恩先 (江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211102)

0 引言

《節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃》要求推進(jìn)電力行業(yè)脫硫脫硝，重點(diǎn)從脫硫轉(zhuǎn)向脫硝。新建燃煤機(jī)組全面實(shí)施脫硫脫硝，實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。加快燃煤機(jī)組低氮燃燒技術(shù)改造和煙氣脫硝設(shè)施建設(shè)，對(duì)單機(jī)容量300MW及以上的燃煤機(jī)組、東部地區(qū)和其他省會(huì)城市單機(jī)容量200MW及以上的燃煤機(jī)組，均要實(shí)行脫硝改造，綜合脫硝效率達(dá)到75%以上。

在這一規(guī)劃的指導(dǎo)下，江蘇省某發(fā)電廠對(duì)該廠2臺(tái)1000MW機(jī)組加裝了煙氣脫硝裝置，改造完后，脫硝裝置運(yùn)行正常，NOx排放濃度滿足環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)要求，但2號(hào)機(jī)組脫硝出口處CEMS顯示的NOx濃度值一直低于煙囪入口處CEMS顯示的NOx濃度值，電廠懷疑可能是脫硝出口NOx濃度分布不均造成的這一現(xiàn)象，于是委托我們對(duì)2號(hào)機(jī)組脫硝出口的NOx濃度進(jìn)行了測(cè)試。經(jīng)測(cè)試分析后得知該機(jī)組脫硝裝置出口NOx濃度的確分布不均，而CEMS測(cè)點(diǎn)正好安裝在NOx濃度低的一側(cè)(靠近省煤器側(cè))，我們對(duì)造成脫硝出口NOx濃度分布不均勻的原因進(jìn)行了分析，并對(duì)脫硝裝置出口的CEMS測(cè)點(diǎn)的安裝提出了一種新的改進(jìn)方法，該方法增加的費(fèi)用較少，能夠更準(zhǔn)確的反應(yīng)出脫硝出口NOx的排放情況，對(duì)大型燃煤機(jī)組的脫硝改造有一定的指導(dǎo)作用，希望能得到廣泛的推廣和實(shí)際應(yīng)用。

1 脫硝裝置概況

1.1 改造情況

該電廠2號(hào)機(jī)組裝機(jī)容量為1000MW，鍋爐為超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行、帶中間混合集箱直流爐、單爐膛、一次中間再熱、采用八角雙火焰切圓燃燒方式、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼懸吊結(jié)構(gòu)Π型鍋爐，最大連續(xù)蒸發(fā)量為2980t/h。

該機(jī)組原沒(méi)有脫硝設(shè)施，2012年3月對(duì)2臺(tái)1000MW燃煤機(jī)組加裝煙氣脫硝裝置，脫硝裝置采用“高含塵布置方式”的選擇性催化還原法(SCR)，還原劑為液氨，氨氣/煙氣混合系統(tǒng)為渦流混合器，清灰方式為聲波吹灰。在設(shè)計(jì)煤種、鍋爐最大工況(BMCR)、處理100%煙氣量條件下，脫硝效率不小于75%，催化劑層數(shù)按“2+1”布置。催化劑型號(hào)為蜂窩式18孔，基材為T(mén)iO2，活性化學(xué)成分為WO3、V2O5，由國(guó)內(nèi)某催化劑公司生產(chǎn)提供。

1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

脫硝裝置主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 脫硝裝置主要設(shè)計(jì)參數(shù)

項(xiàng) 目數(shù) 據(jù)總壓損(含塵運(yùn)行)/Pa750氨氮比/mol·mol-10．771NOx脫除效率/%75SO2/SO3轉(zhuǎn)化率/%<1氨逃逸率/μL·L-1<3脫硝裝置可用率/%>98SCR入口NOx濃度/mg·m-3300SCR入口粉塵濃度/g·m-333SCR出口NOx濃度/mg·m-375SCR出口NH3濃度/μL·L-1<3SCR出口SO2濃度/mg·m-32264SCR出口SO3濃度/mg·m-3～57液氨/kg·h-1262．5電耗/kW45．7+43．3(氨區(qū))儀用壓縮空氣/m3·h-1273．6(聲波)60(CEMS吹掃)反應(yīng)器數(shù)量2反應(yīng)器大小(長(zhǎng)×寬×高)/m13．1×17．65×20．05催化劑型式蜂窩催化劑層數(shù)初裝2層，1層預(yù)留催化劑每層高度/m1．185催化劑活性溫度范圍/℃310～400催化劑孔徑/mm8．2催化劑體積/m3731．624催化劑比表面積/m2·m-3409催化劑模塊數(shù)量/個(gè)468催化劑模塊尺寸/mm1912×974×1185

1.3 煤質(zhì)分析

該電廠燃用煤種煤質(zhì)分析見(jiàn)表2。

表2 燃煤分析

項(xiàng)目設(shè)計(jì)煤種實(shí)際煤種項(xiàng)目設(shè)計(jì)煤種燃用煤種Car/%61．750．62Aar/%8．808．75Har/%3．672．74Aar/%8．808．75Oar%8．5610．10Mt，ar/%15．5526．49Nar/%1．120．63Vdaf/%34．7332．52Sar/%0．600．67Qnet，ar/kJ·kg-12344218739

2 脫硝出口NOx濃度分布及原因分析

2.1 測(cè)點(diǎn)位置

SCR反應(yīng)器出口煙氣測(cè)孔安裝在煙道北側(cè)(遠(yuǎn)離省煤器側(cè))，測(cè)點(diǎn)位置煙道橫斷面長(zhǎng)為15.7m，寬為6.1m，由西向東方向依次為孔1～孔14， CEMS測(cè)點(diǎn)和煙氣測(cè)孔在同一水平高度上，安裝在煙道南側(cè)(靠近省煤器側(cè))，位于煙道中心位置。脫硝裝置示意見(jiàn)圖1，測(cè)點(diǎn)位置示意見(jiàn)圖2。

圖1 脫硝裝置示意

圖2 測(cè)點(diǎn)位置示意

2.2 脫硝出口NOx濃度測(cè)試結(jié)果

機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定在900MW及脫硝裝置正常運(yùn)行的條件下，我們用網(wǎng)格法對(duì)A、B反應(yīng)器出口的NOx濃度進(jìn)行了測(cè)試[1-3]，橫向選取了7個(gè)測(cè)孔(偶數(shù)測(cè)孔)，每個(gè)測(cè)孔縱向深度依次選取5個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)試儀器為紅外煙氣分析儀，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3至表5。

表3 A反應(yīng)器出口測(cè)試結(jié)果 mg/m3

測(cè)點(diǎn)位置由西向東孔2孔4孔6孔8孔10孔12孔14由北向南測(cè)點(diǎn)161．575．969．761．569．747．228．7測(cè)點(diǎn)247．271．875．977．973．839．030．8測(cè)點(diǎn)349．269．773．865．667．741．026．7測(cè)點(diǎn)436．955．459．553．336．928．718．5測(cè)點(diǎn)524．632．834．939．026．714．410．3

表4 B反應(yīng)器出口測(cè)試結(jié)果 mg/m3

測(cè)點(diǎn)位置由西向東孔2孔4孔6孔8孔10孔12孔14由北向南測(cè)點(diǎn)196．484．186．165．665．649．214．4測(cè)點(diǎn)296．477．988．269．773．851．316．4測(cè)點(diǎn)392．380．092．367．765．657．414．4測(cè)點(diǎn)467．755．463．645．141．032．810．3測(cè)點(diǎn)532．826．730．822．618．516．46．2

表5 脫硝出口CEMS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(測(cè)試時(shí)間段平均值)

項(xiàng) 目A側(cè)B側(cè)SCR入口NOx濃度/mg·m-3188．96214．35SCR出口NOx濃度/mg·m-314．4120．15脫硝效率/%91．7288．76加氨流量/kg·h-164．0963．74氨逃逸/μL·L-10．5680．021煙囪入口NOx濃度(6%O2)/mg·m-342．61

從測(cè)試的結(jié)果可以看出，反應(yīng)器A側(cè)出口NOx濃度測(cè)試平均值為48.4mg/m3，反應(yīng)器的B側(cè)出口NOx濃度測(cè)試平均值為53.3mg/m3，而CEMS監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)分別為14.41mg/m3和20.14mg/m3，遠(yuǎn)低于煙囪入口NOx濃度值。脫硝出口煙道存在NOx濃度分布不均勻現(xiàn)象，煙道橫截面由北向南NOx濃度逐漸降低，南側(cè)(靠近省煤器側(cè))NOx濃度遠(yuǎn)低于北側(cè)(遠(yuǎn)離省煤器側(cè))，且CEMS測(cè)點(diǎn)正好位于南側(cè)，從而導(dǎo)致CEMS顯示NOx濃度值低于脫硝出口實(shí)際NOx排放濃度，這就解釋了為什么2號(hào)機(jī)組脫硝出口處CEMS顯示的NOx濃度值遠(yuǎn)低于煙囪入口處CEMS顯示的NOx濃度值(煙囪入口CEMS測(cè)點(diǎn)處NOx濃度場(chǎng)相對(duì)均勻)。

2.3 原因分析

(1)NH3/NOx混合不均勻[4-6]。 如果NH3與NOx在煙道中沒(méi)有充分混合，造成反應(yīng)器入口處NH3的濃度分布不均勻，就可能導(dǎo)致反應(yīng)器出口NOx濃度分布不均勻。該脫硝裝置的NH3/NOx混合系統(tǒng)為渦流混合器，安裝在反應(yīng)器入口垂直煙道的下端，渦流混合器處裝有6個(gè)氨/空氣混合物噴嘴，噴嘴口徑DN125，渦流混合器能確保氨/空氣混合物噴入煙道后，在較短的距離內(nèi)使煙氣中的氨與NOx能充分混合，即頂層催化劑上部煙氣中的氨與NOx均勻分布，且能最大限度地適應(yīng)鍋爐負(fù)荷的變化。運(yùn)行人員通過(guò)調(diào)節(jié)6個(gè)噴嘴的流量，反應(yīng)器出口NOx濃度分布變化不大，所以排除由NH3/NOx混合不均勻造成的脫硝出口NOx濃度分布不均勻。

(2)催化劑失活[7-8]。催化劑模塊的堵灰，催化劑的中毒，或其他原因造成的部分催化劑失活，也可能造成反應(yīng)器出口的NOx濃度分布不均，但由于脫硝裝置剛投運(yùn)不久，所有催化劑也是同一批次購(gòu)買(mǎi)，每層各個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)也基本正常，聲波吹灰正常運(yùn)行，從而排除是由于催化劑失活或模塊堵灰造成的NOx濃度不均。

(3)反應(yīng)器入口煙氣速度分布不均[9-10]。反應(yīng)器入口煙氣流速分布不均勻，煙氣速度高的區(qū)域單位時(shí)間通過(guò)的煙氣量過(guò)大，影響催化還原反應(yīng)，脫硝效率降低，導(dǎo)致NOx的排放濃度升高，反之，煙氣流速低的區(qū)域NOx排放濃度較低。該脫硝裝置反應(yīng)器入口設(shè)置有導(dǎo)流葉片、整流格柵，以保證煙氣在進(jìn)入第一層催化劑時(shí)氣流分布均勻，但是由于在安裝的過(guò)程中可能存在尺寸和位置的偏差，容易造成反應(yīng)器遠(yuǎn)離省煤器端煙氣流速較高，靠近省煤器端煙氣流速較低，從測(cè)試的數(shù)據(jù)也可以看出，遠(yuǎn)離省煤器端NOx濃度遠(yuǎn)高于靠近省煤器端NOx濃度，由北向南NOx濃度逐漸降低，所以我們推測(cè)是反應(yīng)器入口的煙氣流速不均勻而造成的脫硝出口NOx濃度分布不均。

3 CEMS測(cè)點(diǎn)安裝的改進(jìn)方法

大型燃煤機(jī)組在加裝脫硝裝置后，如果CEMS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不能真實(shí)的反應(yīng)脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行情況，給運(yùn)行人員帶來(lái)錯(cuò)誤的信息，產(chǎn)生的影響主要有兩個(gè)方面，一方面若CEMS監(jiān)測(cè)NOx濃度低于實(shí)際排放NOx濃度，這時(shí)CEMS顯示脫硝效率會(huì)很高，運(yùn)行人員會(huì)減少氨的噴入量，這樣會(huì)造成實(shí)際的NOx排放濃度進(jìn)一步升高，還有可能超過(guò)排放限值的要求，會(huì)增加相應(yīng)的排污費(fèi)用；另一方面，若CEMS監(jiān)測(cè)NOx濃度高于實(shí)際排放NOx濃度，這時(shí)CEMS顯示脫硝效率會(huì)很低，運(yùn)行人員會(huì)增加氨的噴入量，不僅增加了氨的消耗量，氨逃逸量會(huì)增大，長(zhǎng)時(shí)間會(huì)造成硫酸氫氨對(duì)空預(yù)器低溫段的腐蝕和堵灰[11]。為了減少CEMS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的誤差造成的影響，我們對(duì)脫硝裝置CEMS的采樣方法進(jìn)行了改進(jìn)[12-13]，增加多個(gè)采樣點(diǎn)，并引入混樣器，具體的煙氣采樣分析系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 CEMS測(cè)點(diǎn)采樣改進(jìn)方法示意

改進(jìn)后的采樣方法主要包括：多根采樣槍，相應(yīng)數(shù)量的伴熱管，恒溫混樣器，數(shù)臺(tái)流量計(jì)等。流量計(jì)主要是監(jiān)測(cè)各個(gè)伴熱管煙氣的流量是否均勻，根據(jù)流量大小判斷采樣系統(tǒng)是否發(fā)生堵塞，以便于日常維護(hù)。煙氣混樣器預(yù)留多個(gè)煙氣入口，均勻的布置在頂端圓盤(pán)上，煙氣出口布置在頂端圓盤(pán)中心位置，混樣器內(nèi)有電加熱裝置以保持恒溫，并有相應(yīng)的攪拌裝置，煙氣進(jìn)入混樣器充分混合后進(jìn)入分析儀器測(cè)量。該采樣方法比原有的CEMS采樣方法有以下優(yōu)點(diǎn)：首先，煙道內(nèi)的采樣點(diǎn)更多，且分布更廣，還可以根據(jù)煙道的橫截面積大小適當(dāng)增減測(cè)點(diǎn)，所采集的點(diǎn)位更有代表性；其次，煙氣混樣器使得各測(cè)點(diǎn)采集的煙氣充分混合，然后再到分析儀器，這樣測(cè)量的數(shù)據(jù)更接近實(shí)際排放的濃度；再次，該方法增加的費(fèi)用低，只需增加相應(yīng)采樣槍、取樣管、流量計(jì)的數(shù)量，一個(gè)混樣器等，不需要增加昂貴的煙氣分析儀器；最后，該系統(tǒng)能夠提供相對(duì)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，讓電廠運(yùn)行人員清楚脫硝裝置的運(yùn)行情況，從而做出正確的指令，為機(jī)組的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供有效的依據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

由于大型燃煤機(jī)組SCR反應(yīng)器體積較大，出口煙道具有橫截面積大，煙氣溫度高，煙塵濃度高等特點(diǎn)，有多種因素容易造成反應(yīng)器出口的NOx濃度場(chǎng)分布不均，而CEMS單測(cè)點(diǎn)方式很難準(zhǔn)確的反應(yīng)脫硝出口NOx的濃度值，無(wú)法準(zhǔn)確的反應(yīng)脫硝裝置的實(shí)際運(yùn)行情況，給運(yùn)行人員帶來(lái)困惑的同時(shí)，也為機(jī)組設(shè)備的安全運(yùn)行埋下隱患。這就需要我們對(duì)CEMS測(cè)點(diǎn)的安裝、取樣方式不斷的改進(jìn)，根據(jù)脫硝裝置的實(shí)際運(yùn)行情況，適當(dāng)增加脫硝出口CEMS監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，并引入煙氣混樣器，使得CEMS監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)更具有代表性，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性提升，為電廠運(yùn)行人員提供重要的參考依據(jù)，改進(jìn)后的CEMS采樣方式可以替代原有的采樣方式，廣泛的應(yīng)用在火力發(fā)電廠在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。

[1]張 巖,吳永存.1000MW超超臨界發(fā)電機(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)性能測(cè)試試驗(yàn)[J].電力科技與環(huán)保,2011,27(2):42-45.

[2]徐 旭,應(yīng) 劍,王新龍.燃煤電廠選擇性催化還原煙氣脫硝系統(tǒng)的性能試驗(yàn)[J].動(dòng)力工程學(xué)報(bào),2010,30(6):440-443.

[3]GB/T16157-1996,固定污染源排氣中顆粒物測(cè)定與氣態(tài)污染物采樣方法[S].

[4]楊 超,張杰群,郭婷婷.SCR煙氣脫硝裝置煙氣流場(chǎng)數(shù)值模擬[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào),2012,32(1):81-83.

[5]張 波,張 偉,牛國(guó)平.300MW機(jī)組鍋爐SCR裝置流場(chǎng)研究[J].熱力發(fā)電,2012,41(7):22-24.

[6]劉曉敏.煙氣脫硝SCR裝置噴氨優(yōu)化研究[J].熱力發(fā)電,2012,41(7):81-83.

[7]商學(xué)松,陳進(jìn)生,趙金平,等.SCR脫硝催化劑失活及其原因分析[J].燃料化學(xué)學(xué)報(bào),2011,39(6):466-470.

[8]汪洋 ,胡永鋒.燃煤電站SCR脫硝系統(tǒng)預(yù)防大顆粒灰堵塞方法[J],電力科技與環(huán)保,2012,28(2):17-19.

[9]毛劍宏,宋 浩,吳衛(wèi)紅,等.電站鍋爐SCR脫硝系統(tǒng)導(dǎo)流板的設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J],浙江大學(xué)學(xué)報(bào),2011,45(6):191-195.

[10]劉小波,陳東林,姜昌偉,等.燃煤鍋爐選擇性催化還原脫硝反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的模擬優(yōu)化[J].動(dòng)力工程學(xué)報(bào),2010,30 (5):385-389.

[11]鐘禮金,宋玉寶.鍋爐SCR煙氣脫硝空預(yù)器堵塞原因及其解決措施[J].熱力發(fā)電,2012,41 (8):45-467.

[12]HJ/T75-2007,固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范(試行)[S].

[13]HJ/76-2007,固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測(cè)方法(試行)[S].