SCR脫硝噴氨優(yōu)化與運(yùn)行控制研究

方朝君，金理鵬，余美玲

(1西安熱工研究院有限公司蘇州分公司，江蘇蘇州215011;2蘇州熱工研究院有限公司，江蘇蘇州215004)

SCR脫硝噴氨優(yōu)化與運(yùn)行控制研究

方朝君1，金理鵬1，余美玲2

(1西安熱工研究院有限公司蘇州分公司，江蘇蘇州215011;2蘇州熱工研究院有限公司，江蘇蘇州215004)

探討了燃煤電廠SCR煙氣脫硝裝置NH3/NOx摩爾比分布不均勻?qū)е路磻?yīng)器出口/NOx濃度偏差大、氨逃逸濃度過高等影響鍋爐系統(tǒng)安全運(yùn)行的問題。結(jié)合600MW機(jī)組SCR脫硝裝置實例闡述了熱態(tài)下進(jìn)行噴氨優(yōu)化調(diào)整及性能評估的程序，測試結(jié)果表明在機(jī)組正常運(yùn)行負(fù)荷范圍內(nèi)，經(jīng)過噴氨優(yōu)化調(diào)整后:反應(yīng)器出口NOx濃度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差可以控制在16%;在相同負(fù)荷和氨逃逸濃度下，脫硝效率提高了3.2%;SCR脫硝裝置的化學(xué)潛能提高了0.11，對比初期的SCR脫硝裝置化學(xué)潛能3.59，投運(yùn)了20000h后的脫硝性能約下降了25%。最后分析歸納了影響SCR脫硝性能和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的主要因素，為燃煤電站脫硝控制提供參考。

SCR;煙氣脫硝;噴氨優(yōu)化;空氣預(yù)熱器

0 引言

國內(nèi)在役火力發(fā)電鍋爐基本完成了SCR煙氣脫硝技術(shù)改造，以滿足NOx排放濃度的要求約束。目前在不考慮碳捕集情況下我國主流的常規(guī)亞臨界火力發(fā)電(SCP)技術(shù)是經(jīng)濟(jì)性最好的方案［1］，但是部分已投運(yùn)SCR脫硝裝置的鍋爐出現(xiàn)了脫硝反應(yīng)器出口NOx濃度偏差大、局部氨逃逸過高、空預(yù)器硫酸氫銨堵塞等影響機(jī)組安全運(yùn)行的問題。考慮到煙氣流經(jīng)脫硝反應(yīng)器大體呈層流態(tài)，以及氨逃逸對鍋爐下游設(shè)備運(yùn)行的影響，通過熱態(tài)下的噴氨優(yōu)化調(diào)整，提高脫硝入口NH3/NOx摩爾比分布均勻性，對改善脫硝反應(yīng)器出口NOx濃度和氨逃逸分布均勻性對緩解上述問題具有實際意義。再者，假設(shè)煙氣中NOx濃度分布均勻，氨分布不均勻，模擬計算結(jié)果表明在NH3/NOx摩爾比相對標(biāo)準(zhǔn)偏差＜10%時(脫硝設(shè)計上要求第一層催化劑入口NH3/NOx摩爾比相對標(biāo)準(zhǔn)偏差＜5%)，平均脫硝效率和氨逃逸與設(shè)計值偏離不大［2－4］。因此噴氨優(yōu)化調(diào)整的結(jié)果可利用SCR反應(yīng)器出口NOx和NH3分布來表達(dá)更顯直觀便捷。下面結(jié)合SCR脫硝裝置運(yùn)行實例闡述噴氨優(yōu)化調(diào)整與性能評估過程。

1 噴氨優(yōu)化調(diào)整

國內(nèi)安徽地區(qū)一臺600MW機(jī)組SCR脫硝裝置采用高塵型工藝，催化劑按“2+1”方式布置。脫硝設(shè)計入口NOx濃度為450mg/m3，備用層催化劑未投運(yùn)時的脫硝效率≥75%，氨逃逸濃度≤3μL/L，其他設(shè)計參數(shù)見表1。在SCR脫硝裝置投運(yùn)20000h后，為了解SCR脫硝裝置性能現(xiàn)狀并為催化劑壽命管理采集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行噴氨優(yōu)化調(diào)整與性能分析。

表1 SCR脫硝入口設(shè)計參數(shù)

脫硝噴氨優(yōu)化調(diào)整分別在機(jī)組約80%、100%以及60%BMCR負(fù)荷下進(jìn)行，過程如下:

(1)首先在機(jī)組500MW負(fù)荷條件下進(jìn)行摸底測試，設(shè)定脫硝效率為75%，同步測量反應(yīng)器進(jìn)口和出口截面的NOx濃度分布和出口氨逃逸濃度。

(2)明確反應(yīng)器出口NOx濃度和氨逃逸濃度分布現(xiàn)狀后，在機(jī)組500MW負(fù)荷下，根據(jù)SCR反應(yīng)器出口NOx濃度和氨逃逸濃度分布，對各噴氨支管的手動氨閥開度進(jìn)行調(diào)節(jié)，對支管氨流量重新分配。這里宜先進(jìn)行反應(yīng)器寬度方向的粗調(diào)，再進(jìn)行反應(yīng)器深度方向的細(xì)調(diào)［5］。

(3)調(diào)節(jié)噴氨支管氨閥開度，直到反應(yīng)器出口NOx濃度分布相對標(biāo)準(zhǔn)偏差＜20%，然后分別在機(jī)組600MW負(fù)荷和350MW負(fù)荷下，測量脫硝反應(yīng)器進(jìn)口和出口的NOx濃度和氨逃逸濃度，并根據(jù)測量結(jié)果微調(diào)噴氨支管手動氨閥開度，完成不同負(fù)荷下的優(yōu)化過程，以在最大程度上適應(yīng)鍋爐變負(fù)荷工況時煙氣的變化。

1.1 優(yōu)化前反應(yīng)器出口NOx濃度分布

圖1表明優(yōu)化調(diào)整前的脫硝反應(yīng)器出口NOx濃度分布情況，其中由反應(yīng)器A至B方向的測孔位置依次編號為A1、A2……A6、B6、B5……B1，每個測孔內(nèi)煙氣取樣點(diǎn)深度分別為1、1.5、2.0、2.5m，編號依次為P1、P2、P3、P4。A側(cè)反應(yīng)器出口截面NOx濃度最大值為169mg/m3，最小值為53mg/m3，NOx濃度分布相對標(biāo)準(zhǔn)偏差47.5%;B側(cè)反應(yīng)器出口截面NOx濃度最大值148mg/m3，最小值45mg/m3，NOx濃度分布相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為36.6%;兩個反應(yīng)器出口的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均值為42%。NOx濃度沿反應(yīng)器寬度方向(反應(yīng)器外側(cè)至鍋爐中心線)明顯呈現(xiàn)外側(cè)低而內(nèi)側(cè)高的分布特點(diǎn)。因此，應(yīng)對各支管氨流量分配進(jìn)行調(diào)節(jié)，增大內(nèi)側(cè)高NOx濃度區(qū)域的噴氨量，同時減小外側(cè)低NOx濃度區(qū)域噴氨量。

圖1 噴氨優(yōu)化調(diào)整前反應(yīng)器出口NOx濃度(500MW)

1.2 優(yōu)化后反應(yīng)器出口NOx濃度分布

根據(jù)摸底測試的NOx濃度分布情況，對NOx濃度不同區(qū)域所對應(yīng)氨支管的閥門開度進(jìn)行調(diào)整。隨著優(yōu)化調(diào)整的進(jìn)行，NOx濃度分布相對偏差逐漸下降，說明NOx分布趨向均勻(圖2～圖4)。

圖2表明在機(jī)組500MW負(fù)荷下，A側(cè)反應(yīng)器出口截面NOx濃度最大值為83mg/m3，最小值為45 mg/m3，NOx分布相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為13.4%;B側(cè)反應(yīng)器出口截面NOx濃度最大值為86mg/m3，最小值為57mg/m3，NOx分布相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為11.2%;反應(yīng)器出口平均相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為12.3%，反應(yīng)器出口NOx濃度分布均勻性得到改善。

圖3表明在600MW機(jī)組負(fù)荷下，噴氨優(yōu)化調(diào)整后，A側(cè)反應(yīng)器出口截面NOx濃度最大值為74mg/m3，最小值為45mg/m3，NOx分布相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為13.6%;B側(cè)反應(yīng)器出口截面NOx濃度最大值為128mg/m3，最小值為83mg/m3，NOx分布相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為11.7%;兩個反應(yīng)器出口相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均值為12.6%。圖4表明在350MW機(jī)組負(fù)荷下，噴氨優(yōu)化調(diào)整后，A側(cè)反應(yīng)器出口截面Nx濃度最大值為104mg/m3，最小值為59mg/m3，NOx分布相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為14.3%;B側(cè)反應(yīng)器出口截面NOx濃度最大值為110mg/m3，最小值為63mg/m3，NOx分布相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為16.7%，兩個反應(yīng)器出口相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均值為15.5%。

以上統(tǒng)計結(jié)果說明在機(jī)組正常運(yùn)行負(fù)荷范圍內(nèi)，經(jīng)過噴氨優(yōu)化調(diào)整后的反應(yīng)器出口相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均可穩(wěn)定控制在16%左右。

圖2 噴氨優(yōu)化調(diào)整后反應(yīng)器出口NOx分布(500 MW)

圖3 噴氨優(yōu)化調(diào)整后反應(yīng)器出口NOx分布(600 MW)

圖4 噴氨優(yōu)化調(diào)整后反應(yīng)器出口NOx分布(350 MW)

1.3 優(yōu)化后脫硝性能評估

從脫硝效率角度考察噴氨優(yōu)化調(diào)整后的效果如表2所示。在SCR反應(yīng)器出口氨逃逸濃度相近時，脫硝性能有一定程度的提高。在機(jī)組500MW負(fù)荷、入口NOx濃度相對偏差為2%條件下，氨逃逸濃度為2.9μL/L時，平均脫硝效率由優(yōu)化前74.2%提高到優(yōu)化后的77.4%，脫硝效率提高3.2%。對比初期的SCR脫硝裝置化學(xué)潛能，投運(yùn)了20000h后的裝置的脫硝性能下降，這可能是由于催化劑的脫硝活性隨著運(yùn)行積灰時間延長而降低以及積灰中的堿金屬、重金屬元素與催化劑活性物質(zhì)結(jié)合導(dǎo)致催化劑中毒造成的。

表2 優(yōu)化調(diào)整前后脫硝指標(biāo)對比

2 脫硝運(yùn)行可調(diào)因素

2.1 反應(yīng)器出口NOx濃度

降低反應(yīng)器出口NOx濃度有兩個途徑:一是降低脫硝反應(yīng)器入口NOx濃度，如采用低氮燃燒技術(shù)從源頭上控制NOx生成;二是提高脫硝效率，即在催化劑可以承受的范圍內(nèi)增加噴氨量，提高脫硝入口NH3/NOx摩爾比。這里的“可以承受的范圍”是指脫硝的最大安全效率，長時間超過最大安全效率投運(yùn)脫硝裝置，將給鍋爐下游空預(yù)器等設(shè)備的運(yùn)行帶來堵塞風(fēng)險。

2.2 降低反應(yīng)器入口NOx濃度

(1)采用低氮燃燒器。用于煤粉的燃燒器可采用低NOx燃燒技術(shù)，如燃料分級燃燒、旋流燃燒、脈動供燃料燃燒、富氧燃燒以及深度低氧稀釋燃燒等。借助低氮燃燒器可將鍋爐煙氣中NOx初始排放濃度降低25%～50%［6］，有的可將脫硝反應(yīng)器入口NOx濃度降到約200mg/m3水平。

(2)調(diào)整配風(fēng)方式，營造合理的還原性燃燒氛圍。利用揮發(fā)分氮轉(zhuǎn)化為NO時對沿爐膛高度過量空氣系數(shù)十分敏感的特點(diǎn)，在煤燃燒過程中設(shè)法建立α＜1的富燃料區(qū)，使燃料氮在盡可能多地轉(zhuǎn)化成揮發(fā)分氮，同時又促使轉(zhuǎn)化的揮發(fā)分氮在還原性氣氛條件下變?yōu)榉肿覰2。數(shù)值模擬結(jié)果表明空氣分級燃燒使主燃燒區(qū)溫度降低，爐膛出口溫度升高，CO體積分?jǐn)?shù)升高，NOx排放濃度明顯降低［7］。

需要指出的是:對于前后墻對沖燃燒方式的鍋爐，由于其燃燒溫度高且局部區(qū)域為富氧燃燒，具備了燃料型NOx和熱力型NOx大量生成的條件，以及受燃燒煙氣流場與煙氣工況變化影響，導(dǎo)致脫硝入口NOx濃度高且分布變化大，這給脫硝噴氨優(yōu)化調(diào)整工作造成了很大難度。

(3)減少風(fēng)量，控制氧量，降低NOx產(chǎn)生總量。在所有運(yùn)行參數(shù)中，NOx的生成對爐膛內(nèi)氧濃度變化敏感，幾乎所有NOx產(chǎn)生濃度實測值都隨爐膛出口過量空氣系數(shù)的增加而增加。對于具有先進(jìn)低NOx燃燒器的鍋爐，其運(yùn)行時氧量的變化對NOx排放濃度影響最大［8］，隨著氧量的增加，鍋爐NOx排放濃度呈線性增加。故減少風(fēng)量，降低氧量，從而降低NOx產(chǎn)生濃度;同時可以減輕催化劑處理的煙氣量，有利于催化劑壽命的延長。

2.3 提高脫硝效率

以液氨作還原劑為例，提高脫硝效率直接手段是增加供氨量，增加供氨量的操作主要是指增大供氨母管的氨閥開度，增加進(jìn)氨量，提高稀釋比，此操作容易實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，成為脫硝運(yùn)行控制中使用最頻繁的調(diào)節(jié)手段。但是借助增加供氨量、提高脫硝效率不是無限制的，受催化劑自身處理能力和氨逃逸增加至可接受程度的制約。

通過噴氨優(yōu)化調(diào)整使各支管的氨流量分配更加合理，NOx濃度分布偏差減小，氨逃逸濃度降低，氨耗量有一定程度的節(jié)約，其節(jié)約量隨氨氮分布均勻性程度而異。研究發(fā)現(xiàn)，氨逃逸的減小量對于脫硝經(jīng)濟(jì)運(yùn)行可能影響有限，但是在長期運(yùn)行過程中，氨逃逸對下游設(shè)備的潛在危害卻是不容忽視。特別是在燃用高硫煤、局部氨逃逸分布不均勻時，逃逸的氨與SO3結(jié)合，其產(chǎn)生的硫酸氫銨易粘附在空預(yù)器換熱元件上，造成空預(yù)器堵塞和腐蝕［9～10］。因此，為減少硫酸氫銨的生成量，可通過控制NH3/NOx摩爾比在0.8～1.2之間，減少氨逃逸量，同時盡可能減少煙氣中SO2氧化成SO3［10］。

2.4 控制煤種混燒

褐煤、煙煤、貧煤和無煙煤燃燒后產(chǎn)生的NOx濃度各有不同。有些電廠由于實際燃煤來源不穩(wěn)定，存在1臺鍋爐混燒多種煤的情形，煤種的復(fù)雜化造成燃煤有時偏離脫硝設(shè)計煤質(zhì)較大。尤其是煤中灰分和一些微量元素以及硫分偏高時，對SCR脫硝裝置性能和鍋爐設(shè)備運(yùn)行影響較大，灰分影響受飛灰濃度、飛灰粒徑、飛灰磨損性、飛灰含重金屬元素等特性控制，硫分影響主要體現(xiàn)在初始燃燒產(chǎn)生SO3的量以及經(jīng)過催化劑層后SO3濃度增加而產(chǎn)生的問題上。應(yīng)調(diào)節(jié)鍋爐運(yùn)行參數(shù)，控制氨逃逸濃度，且不燃用超過脫硝設(shè)計煤種硫分的高硫煤，可減弱硫酸氫銨對下游設(shè)備的負(fù)面影響。

3 結(jié)語

進(jìn)行脫硝噴氨優(yōu)化調(diào)整是正常投運(yùn)SCR脫硝裝置的前置條件。為了脫硝裝置下游設(shè)備安全運(yùn)行和對性能給予準(zhǔn)確評估，應(yīng)根據(jù)脫硝運(yùn)行情況，在熱態(tài)下定期進(jìn)行噴氨優(yōu)化維護(hù)。通過噴氨優(yōu)化調(diào)整，可以改善脫硝出口NOx濃度和氨逃逸分布的均勻性，有利于提高最大安全脫硝效率和SCR脫硝裝置的化學(xué)潛能。在鍋爐運(yùn)行中，燃燒配風(fēng)控制不合理或者機(jī)組負(fù)荷變化時脫硝效率調(diào)整不及時等因素，都可能導(dǎo)致NOx濃度超標(biāo)。因此，合理控制并適時調(diào)節(jié)工況運(yùn)行參數(shù)，對于NOx濃度達(dá)標(biāo)排放具有重要作用。

［1］黎水寶，程志，史翀祺，等.污染物氣體減排對煤電技術(shù)經(jīng)濟(jì)性影響的分析［J］.環(huán)境工程，2014，32(4):67－70.

［2］董建勛，李辰飛，王松嶺，等.還原劑分布不均勻?qū)CR脫硝性能影響的模擬分析［J］.電站系統(tǒng)工程，2007，23(1):20－24.

［3］Faghihi Ehsan Majd，Shamekhi Amir H.Development of a neural network model for Selective Catalytic Reduction(SCR)catalytic converter and ammonia dosing optimization using multi objective genetic algorithm［J］.Chemical Engineering Journal，2010，165(2):508－516.

［4］吳學(xué)智，聶會建，鞠付棟，等.SCR脫硝系統(tǒng)不均勻噴氨方案的數(shù)值模擬研究［J］.電力科技與環(huán)保，2014，30(5):26－29.

［5］方朝君，余美玲，郭常青.燃煤電站脫硝噴氨優(yōu)化研究［J］.工業(yè)安全與環(huán)保，2014，41(6):72－74.

［6］應(yīng)明良，潘國清，戴成峰，等.600MW機(jī)組四角切圓鍋爐低氮燃燒改造及運(yùn)行調(diào)整［J］.中國電力，2012，45(4):54－58.

［7］王穎聰，盧坤.600MW機(jī)組鍋爐低NOx燃燒系統(tǒng)改造數(shù)值模擬［J］.熱力發(fā)電，201，43(8):120－124.

［8］高小濤，黃磊，張恩先，等.1000MW機(jī)組鍋爐氮氧化物排放影響的試驗研究［J］.熱能動力工程，2010，25(2):221－225.

［9］徐巖.煙氣脫硝裝置與電廠設(shè)備運(yùn)行的相互影響［J］.電力科技與環(huán)保，2013，29(6):24－25.

［10］馬雙忱，郭蒙，宋卉卉，等.選擇性催化還原工藝中硫酸氫銨形成機(jī)理及影響因素［J］.熱力發(fā)電，2014，43(2):75－78.

Research on optimization adjustment for ammonia injection and operation of SCR denitrification system in coal－fired power plant

Maldistribution of NH3/NOxmolar ratio in SCR system of some domestic power plants caused large deviation of NOxconcentration at reactor outlet，and too high escaped ammonia concentration at local regions，et al.Taking the SCR denitrification system on a 600MW unit as example，optimization and adjustment for ammonia injection are conducted in operation.Then，the performance of SCR denitrification system is evaluated.The results show that:reactor outlet NOxconcentration distribution is improved significantly after the optimization and it can be controlled within 16%，the NOxremoval efficiency is increased by 3.2%in normal operation，under the condition of the unit loads and ammonia escapes keeping consistent，the SCR system denitrification chemical potential has been raised by 0.11 and it declines about 25%comparing with the initial level 3.59.Finally，the adjustable factors affecting denitrification performance and SCR system economic operation are summarized for operation controlling.

SCR;flue gas denitrification;optimization for ammonia injection;air pre－h(huán)eater

X701.7

B

1674－8069(2015)06－039－04

2015-06-20;

:2015-09-15

方朝君(1984-)，男，河南唐河人，碩士，工程師，從事電廠環(huán)保技術(shù)與新能源利用研究。E－mail:fangzjok@163.com