1 036 MW機(jī)組選擇性催化還原系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行及脫硝效率診斷

陳偉武，胡木林，陳敏

(1.華能海門電廠，廣東 汕頭 515132 ；2.西安熱工研究院，西安 710032)

1 問題的提出

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求也日趨嚴(yán)格，采用脫硫脫硝新技術(shù)是環(huán)境保護(hù)的重要舉措。在這樣的背景下，低氮燃燒技術(shù)在大型超超臨界機(jī)組得到了大規(guī)模的應(yīng)用。以華能海門電廠1 036 MW超超臨界發(fā)電機(jī)組為例，爐內(nèi)低氮燃燒(LNB)后，煙氣中NOx排放量通常控制在250 mg/m3以下。

GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(以下稱為新標(biāo)準(zhǔn))2012年1月1日開始執(zhí)行，新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電力行業(yè)氮氧化物的排放提出了更加嚴(yán)格的限制。選擇性催化還原(SCR)煙氣脫硝技術(shù)以其成熟高效的特點(diǎn)成為火電廠控制氮氧化物的必然選擇。

SCR技術(shù)是在金屬催化劑的作用下，通過加氨(NH3)將適宜溫度下(250～420 ℃)煙氣中的NOx轉(zhuǎn)化為天然含有的氮?dú)?N2)和水(H2O)，主要的化學(xué)反應(yīng)如下[1-4]：

(1)

(2)

(3)

液態(tài)硫酸氫氨捕捉飛灰能力極強(qiáng)，它與煙氣中的飛灰粒子相結(jié)合，附著于空氣預(yù)熱器傳熱元件上形成融鹽狀的積灰，會(huì)造成空氣預(yù)熱器的腐蝕和堵塞，進(jìn)而影響空氣預(yù)熱器的換熱效果及機(jī)組的正常運(yùn)行。

控制NH4HSO4副反應(yīng)的發(fā)生需要同時(shí)控制SCR系統(tǒng)出口氨的逃逸和SO3的轉(zhuǎn)化量，后者主要按設(shè)計(jì)加裝催化劑及入爐煤硫分來(lái)考慮，而前者除考慮催化劑的性能和壽命之外，在運(yùn)行中控制局部噴氨量過大造成的氨逃逸率過大。還原劑氨與煙氣的混合均勻程度是影響脫硝效率的關(guān)鍵因素之一。某電廠對(duì)1 036 MW機(jī)組氨噴射系統(tǒng)進(jìn)行了改造，通過噴氨優(yōu)化調(diào)整來(lái)提高SCR出口的NOx均勻性，并進(jìn)行了減少氨逃逸率的試驗(yàn)。

2 機(jī)組概況及脫硝工程參數(shù)

2.1 機(jī)組主要概況

華能海門電廠機(jī)組為1 036 MW超超臨界燃煤汽輪發(fā)電機(jī)組，配套鍋爐由東方鍋爐(集團(tuán))股份有限公司設(shè)計(jì)制造，鍋爐為超超臨界參數(shù)、一次再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、變壓直流爐，采用單爐膛對(duì)沖燃燒方式、露天布置、全鋼懸吊∏形結(jié)構(gòu)。

鍋爐設(shè)計(jì)煤種為神府東勝煙煤，校核煤種1為50%神府東勝煙煤+50%澳大利亞蒙托煤，校核煤種2為山西晉北煙煤。鍋爐采用等離子點(diǎn)火，保留燃油點(diǎn)火系統(tǒng)，燃油采用0號(hào)輕柴油。鍋爐按對(duì)沖方式在前、后墻布置了3層共48臺(tái)HT-NR3型低NOx旋流燃燒器，并在燃燒器上方布置了一層燃盡風(fēng)噴口和4個(gè)側(cè)翼風(fēng)噴口，形成爐內(nèi)空氣分級(jí)燃燒。

2.2 脫硝工程參數(shù)

煙氣脫硝SCR裝置采用高灰型工藝，按“2+1”模式設(shè)計(jì)，每臺(tái)鍋爐設(shè)2臺(tái)SCR反應(yīng)器，布置在鍋爐省煤器和空氣預(yù)熱器之間，SCR脫硝裝置布置情況如圖1所示。

圖1 SCR脫硝裝置布置圖

每臺(tái)反應(yīng)器在入口垂直段煙道沿爐寬方向設(shè)19個(gè)噴氨支管，每根支管設(shè)有手動(dòng)蝶閥調(diào)節(jié)氨噴射流量。

脫硝反應(yīng)器入口煙氣中的NOx質(zhì)量濃度設(shè)計(jì)值為300 mg/m3，煙塵質(zhì)量濃度設(shè)計(jì)值為12 g/m3，脫硝系統(tǒng)省煤器入口煙氣成分見表1，脫硝系統(tǒng)省煤器出口煙氣量和溫度見表2。

表1 脫硝系統(tǒng)省煤器入口煙氣成分 %

表2 脫硝系統(tǒng)省煤器出口煙氣量和溫度

3 試驗(yàn)方法和試驗(yàn)工況

3.1 測(cè)量方法

3.1.1 NO與O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)和NH3逃逸值

在2臺(tái)SCR反應(yīng)器的進(jìn)口和出口煙道截面，分別采用等截面網(wǎng)格法布置煙氣取樣點(diǎn)，煙氣經(jīng)過水洗除塵、除濕、冷卻處理后，接入煙氣分析儀進(jìn)行分析。分析煙氣中的NO與O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)，獲得煙道截面的NOx質(zhì)量濃度，并計(jì)算脫硝效率。

根據(jù)反應(yīng)器出口截面的NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)，每臺(tái)反應(yīng)器選取代表點(diǎn)作為NH3取樣點(diǎn)，采用美國(guó)環(huán)保署(EPA)制定的CTM-027煙氣取樣與分析系列標(biāo)準(zhǔn)采集樣品，分析樣品中的氨濃度后，再計(jì)算各采集點(diǎn)處煙氣中干基NH3質(zhì)量濃度。

3.1.2 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)采用等截面網(wǎng)格法對(duì)SCR進(jìn)出口煙氣成分進(jìn)行測(cè)試，SCR系統(tǒng)入口測(cè)點(diǎn)位于噴氨格柵(AIG)上游，SCR系統(tǒng)垂直煙道后側(cè)，測(cè)點(diǎn)網(wǎng)格分布為8×3(列×行)；SCR系統(tǒng)出口測(cè)點(diǎn)位于空氣預(yù)熱器入口膨脹節(jié)上方，測(cè)點(diǎn)網(wǎng)格分布為15×3(列×行)。試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

3.2 試驗(yàn)工況

根據(jù)試驗(yàn)的測(cè)試方案和電廠的實(shí)際需要及機(jī)組的運(yùn)行狀況，試驗(yàn)分為優(yōu)化前摸底測(cè)試，優(yōu)化調(diào)整測(cè)試以及優(yōu)化后性能測(cè)試3個(gè)部分，一共完成了6個(gè)運(yùn)行測(cè)試工況，每個(gè)工況均對(duì)SCR進(jìn)出口的NO及O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)、氨逃逸以及環(huán)境條件進(jìn)行了測(cè)試記錄，具體工況安排見表3。

表3 工況安排

4 優(yōu)化前后結(jié)果與分析

4.1 AIG噴氨優(yōu)化試驗(yàn)

在高負(fù)荷(900 MW)的工況下，對(duì)每臺(tái)反應(yīng)器入口19個(gè)噴氨手動(dòng)支管進(jìn)行逐個(gè)調(diào)整，同時(shí)對(duì)調(diào)整前、后SCR進(jìn)出口NOx分布及氨逃逸分布進(jìn)行網(wǎng)格法測(cè)量。手動(dòng)蝶閥從全開至全關(guān)行程共分10檔，其中，1表示全開，10表示全關(guān)。

表4給出了噴氨支管調(diào)整前、后的閥門開度值，其中氨支管編號(hào)從1至19分別表示從靠近側(cè)墻的噴氨支管至靠近爐膛中心線的排列順序。

表4 AIG噴氨支管調(diào)整前后開度值

摸底測(cè)試結(jié)果(T-01)表明，鍋爐在正常負(fù)荷下SCR裝置入口的NOx分布均勻性比較好(如圖3所示)，但SCR裝置出口NOx分布呈現(xiàn)出靠近爐膛中心線低(如圖4所示)、而靠近鍋爐側(cè)墻高時(shí)就會(huì)出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象。

圖3 摸底工況T-01的SCR系統(tǒng)入口NOx分布

圖4 摸底工況T-01的SCR系統(tǒng)出口NOx分布

圖5為噴氨格柵調(diào)整后的核準(zhǔn)工況SCR出口兩側(cè)NOx分布，比較圖4和圖5的SCR出口NOx分布圖可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過AIG優(yōu)化調(diào)整，SCR出口NOx分布的相對(duì)偏差基本上控制在10%以內(nèi)，NOx分布的均勻性得到大幅提高。

圖5 校核工況T-06的SCR系統(tǒng)出口NOx分布

SCR系統(tǒng)噴氨設(shè)施中的NOx呈現(xiàn)不均勻性導(dǎo)致出口NOx分布不均勻，會(huì)造成局部的氨逃逸過大，從而影響下游設(shè)備的安全運(yùn)行。表5給出了噴氨裝置調(diào)整前后SCR出口的氨逃逸分布，表明噴氨系統(tǒng)調(diào)整之后氨逃逸的均勻性增加。

表5 調(diào)整前、后SCR出口氨逃逸值 μL/L

表6給出了噴氨支管調(diào)整前后該參數(shù)的變化值，通過調(diào)整前后的標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)比，優(yōu)化后SCR出口NOx的質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)偏差從調(diào)整優(yōu)化前的13%～21%降低到5%左右，出口均勻性得到顯著提高。

表6 噴氨支管調(diào)整前、后SCR出口NOx質(zhì)量濃度分布標(biāo)準(zhǔn)偏差

4.2 脫硝效率和氨逃逸

為了解脫硝裝置的脫硝效率和氨逃逸特性，在噴氨調(diào)整優(yōu)化試驗(yàn)完成之后，再進(jìn)行脫硝裝置的效率試驗(yàn)，記錄和比較了不同工況下脫硝裝置的噴氨流量及煙囪入口NOx排放值，具體結(jié)果見表7。

表7 不同負(fù)荷下脫硝效率和氨逃逸及液氨耗量

4 試驗(yàn)結(jié)果

華能海門電廠#2機(jī)組氨噴射系統(tǒng)改造后，對(duì)脫硝系統(tǒng)性能測(cè)試及噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論。

(1)當(dāng)脫硝系統(tǒng)入口NOx排放質(zhì)量濃度不超過200 mg/m3、脫硝效率在50%以下時(shí)，氨逃逸值在3.0 μL/L以下，此時(shí)單側(cè)反應(yīng)器的噴氨量為50 kg/h，在運(yùn)行控制過程中，在煙囪入口處可采用煙氣連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(CEMS)在線校核NOx測(cè)點(diǎn)值來(lái)控制脫硝系統(tǒng)的噴氨量，以保證脫硝系統(tǒng)的效率。

(2)在燃燒狀況允許的前提下(注意控制煙囪處殘余CO濃度)，可盡量通過挖掘爐內(nèi)低氮燃燒(LNB)的潛力將SCR入口的NOx質(zhì)量濃度控制在200 mg/m3以下，這樣會(huì)更有利于控制噴氨量和氨逃逸率。

(3)建議鍋爐控制技術(shù)人員對(duì)氨逃逸儀表進(jìn)行定期維護(hù)，通過推薦脫硝效率值來(lái)控制整個(gè)SCR裝置的運(yùn)行，在低負(fù)荷下，由于SCR入口煙氣溫度較低及催化劑的性能要求較高，建議有條件地降低脫硝效率來(lái)降低氨逃逸率。

(4)在鍋爐正常負(fù)荷下，SCR裝置入口的NOx分布均勻性比較好，而SCR系統(tǒng)出口NOx分布受燃燒、催化劑的局部使用性能及噴氨均勻性的影響存在一定的不均勻性。

(5)通過對(duì)每臺(tái)反應(yīng)器噴氨手動(dòng)閥門的調(diào)整，可大幅度緩解SCR出口NOx濃度的分布不均勻性，也能改善氨逃逸濃度分布，噴氨系統(tǒng)調(diào)整之后，NOx質(zhì)量濃度分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差可以從優(yōu)化前的13%～21%降至5%。

(6)對(duì)于噴氨優(yōu)化調(diào)整，在保證脫硝效率的前提下，更有利于控制噴氨量和氨逃逸率，有效降低硫酸氫氨對(duì)SCR下游設(shè)備的影響。

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