350 MW燃煤機(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)流場分布試驗(yàn)及性能優(yōu)化調(diào)整

劉 剛，徐 龑，黃中柏，羅俊俊

（1.國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077；2.湖北方源東力電力科學(xué)研究有限公司，湖北 武漢 430077）

0 引言

隨著國家對大氣污染物排放控制要求的提高，新的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13223-2011)于2012年1月1日正式實(shí)施。新排放標(biāo)準(zhǔn)對煙塵、二氧化硫、氮氧化排放控制要求都有了很大的提高，新標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定新建火力發(fā)電廠煙塵顆粒物≤20 mg/m3，SO2≤100 mg/m3，NOx≤100 mg/m3。2014年9月，國家發(fā)改委、環(huán)保部、國家能源局聯(lián)合印發(fā)《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計(jì)劃》?！队?jì)劃》要求新建機(jī)組應(yīng)同步建設(shè)先進(jìn)高效脫硫、脫硝和除塵設(shè)施，東部地區(qū)新建機(jī)組基本達(dá)到燃機(jī)排放限值，中部地區(qū)原則上接近或達(dá)到燃機(jī)排放限值，鼓勵西部地區(qū)接近或達(dá)到燃機(jī)排放限值。同時(shí)，穩(wěn)步推進(jìn)東部地區(qū)現(xiàn)役燃煤發(fā)電機(jī)組實(shí)施大氣污染物排放濃度基本達(dá)到燃機(jī)排放限值的環(huán)保改造（即在基準(zhǔn)氧含量6%條件下，煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不高于10、35、50 mg/m3）。國內(nèi)燃煤發(fā)電鍋爐近幾年廣泛開展超凈排放改造，以滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保排放要求。

超凈排放改造后，部分已投運(yùn)的鍋爐出現(xiàn)了SCR脫硝系統(tǒng)噴氨流量分配不均、氨逃逸偏高、空預(yù)器硫酸氫銨堵塞等影響機(jī)組安全運(yùn)行的問題。本文通過某350 MW燃煤機(jī)組熱態(tài)工況下的脫硝系統(tǒng)流場分布試驗(yàn)及性能優(yōu)化調(diào)整，以提高脫硝入口NH3/NOx摩爾比反應(yīng)均勻性，降低氨逃逸，從而提高脫硝裝置運(yùn)行可靠性和經(jīng)濟(jì)性，并緩解逃逸氨對后續(xù)空預(yù)器的不利影響。

1 設(shè)備概況

鍋爐為哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司自主開發(fā)、設(shè)計(jì)、制造的HG-1136/25.4-YM1型超臨界鍋爐，螺旋管圈、前后墻對沖旋流燃燒器、一次中間再熱、單爐膛平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架的本生直流爐。脫硝裝置采用選擇性催化還原法（SCR）脫硝技術(shù),還原劑為液氨。每臺機(jī)組裝設(shè)2臺脫硝反應(yīng)器，布置在省煤器之后、空預(yù)器之前的空間內(nèi)（爐后）。脫硝反應(yīng)器采用蜂窩式催化劑，2層運(yùn)行1層備用，每個反應(yīng)器每層布置模塊數(shù)為5×9塊。每個反應(yīng)器的入口煙道均布置有一組噴氨柵格，每組噴氨柵格由40根噴管組成（其中20個長噴管、20個短噴管），噴管規(guī)格Φ60×4。每根噴管上裝有8個噴嘴，左右各4個，成90°夾角，噴嘴規(guī)格Φ38×5。

為了保證反應(yīng)器上部煙氣能夠均勻地通過催化劑，以保證脫硝效率和氨逃逸率，在催化劑上部設(shè)有導(dǎo)流板及整流裝置。脫硝裝置入口采用垂直長煙道布置，噴氨柵格布置在入口垂直煙道內(nèi)。

SCR脫硝系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。2016年機(jī)組大修期間，鍋爐脫硝系統(tǒng)加裝了備用層催化劑以滿足超凈排放的環(huán)保要求。

表1 脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design value of SCR denitrification system

2 脫硝系統(tǒng)流場分布試驗(yàn)

脫硝系統(tǒng)性能優(yōu)化調(diào)整之前，先進(jìn)行流場分布試驗(yàn)以了解脫硝反應(yīng)器進(jìn)出口主要參數(shù)分布情況，試驗(yàn)選取在額定負(fù)荷350 MW工況下進(jìn)行。在每側(cè)脫硝反應(yīng)器的進(jìn)、出口布置均等分布10個測孔，試驗(yàn)期間每個測孔取3個測點(diǎn)，采用等截面網(wǎng)格法（10×3）測量反應(yīng)器進(jìn)出口截面的煙氣速度和煙氣組分（主要是NOx及O2）流場分布情況。流場分布不均勻度Vk由下列公式定義，

式中：Vk為流場參數(shù)分布場的不均勻度（%）；σ為流場參數(shù)分布場的標(biāo)準(zhǔn)差；xˉ為流場參數(shù)分布場的平均值；i=1,2,3,...,n為網(wǎng)格法測量的試驗(yàn)測點(diǎn)編號。

SCR反應(yīng)器出口NOx場分布不均勻度Vk可以用來反映SCR反應(yīng)器內(nèi)NH3/NOx摩爾比反應(yīng)的均勻性，減小NOx場Vk值有利于降低氨逃逸，優(yōu)化調(diào)整的目標(biāo)是將脫硝反應(yīng)器出口NOx場分布不均勻度Vk降低到20%以下。

2.1 速度場分布

SCR反應(yīng)器入口煙氣流速分布見圖1，A側(cè)煙氣流速均值為19.81 m/s，A側(cè)最低煙氣流速為12.60 m/s（第1孔最深點(diǎn)），A側(cè)最高煙氣流速為24.75 m/s（第10孔最深點(diǎn)），A側(cè)流速分布場不均勻度為17.1%，A側(cè)煙氣流速分布呈固定端向擴(kuò)建端逐漸升高趨勢；B側(cè)煙氣流速均值為20.27 m/s，B側(cè)最低煙氣流速為16.60 m/s（第10孔最深點(diǎn)），B側(cè)最高煙氣流速為25.91 m/s（第2孔最深點(diǎn)），B側(cè)流速分布場不均勻度為12.3%，B側(cè)煙氣流速分布呈固定端向擴(kuò)建端逐漸降低趨勢。從整臺鍋爐SCR反應(yīng)器入口煙道觀察，A、B側(cè)煙氣流速場的分布規(guī)律呈內(nèi)側(cè)高，外側(cè)低的特點(diǎn)。

A側(cè)噴氨格柵入口煙速的不均勻系數(shù)略高于15%的設(shè)計(jì)要求[1]。這主要是受現(xiàn)場煙道安裝條件限制，噴氨格柵前的煙道轉(zhuǎn)向致使氣流分布不均，導(dǎo)致產(chǎn)生較大的煙速不均勻性。因此，在設(shè)計(jì)SCR脫硝系統(tǒng)時(shí)，需利用CFD軟件對煙氣速度場進(jìn)行模擬，以確定噴氨格柵后導(dǎo)流葉片的類型、數(shù)量和位置，使SCR脫硝系統(tǒng)入口煙氣流速均勻，從而為脫硝系統(tǒng)高效運(yùn)行提供基礎(chǔ)[2]。

SCR反應(yīng)器出口煙氣流速分布見圖2，A側(cè)出口煙氣流速均值為9.90 m/s，A側(cè)流速分布場不均勻度為11.3%；B側(cè)出口煙氣流速均值為9.53 m/s，B側(cè)流速分布場不均勻度為9.8%。經(jīng)過SCR反應(yīng)器后，兩側(cè)煙氣流速不均勻度均有所改善。

圖1 SCR反應(yīng)器入口煙氣流速分布場Fig.1 Distribution field of gas flow velocity at the inlet of SCR reactor

圖2 SCR反應(yīng)器出口煙氣流速分布場Fig.2 Distribution field of gas flow velocity at the outlet of SCR reactor

2.2 煙氣NOx場分布

煙氣NOx場分布試驗(yàn)在350 MW額定負(fù)荷進(jìn)行，試驗(yàn)期間根據(jù)運(yùn)行習(xí)慣設(shè)定SCR反應(yīng)器出口NOx濃度為25 mg/m3，同步測量反應(yīng)器進(jìn)口和出口截面的O2、NOx濃度分布和出口氨逃逸濃度。優(yōu)化調(diào)整前A、B側(cè)SCR反應(yīng)器出口煙氣NOx的濃度（折算到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)、干基、6%O2工況）分布場見圖3。A側(cè)SCR反應(yīng)器出口煙氣NOx濃度均值為26.79 mg/m3，最高值為49.5 mg/m3（第9孔最淺點(diǎn)），最低值為15.80 mg/m3（第1孔中間點(diǎn)），不均勻度為32.0%；B側(cè)SCR反應(yīng)器出口煙氣NOx濃度均值為23.99 mg/m3，最高值為52.8 mg/m3（第1孔中間點(diǎn)），最低值為9.5 mg/m3（第9孔最深點(diǎn)），不均勻度為46.7%。

NOx濃度場分布與速度場相似，分布規(guī)律呈內(nèi)側(cè)高、外側(cè)低的特點(diǎn)。

圖3 SCR反應(yīng)器出口NOx濃度分布場（調(diào)整前）Fig.3 NOxconcentration distribution field at the outlet of SCR reactor(before adjustment)

3 性能優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)

在了解SCR反應(yīng)器進(jìn)出口主要參數(shù)流場分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，通過實(shí)時(shí)測量SCR反應(yīng)器出口煙氣氨逃逸濃度分布情況，從而針對性的對噴氨格柵各支管手動調(diào)節(jié)閥進(jìn)行粗調(diào)整；然后再測量SCR反應(yīng)器出口NOx濃度分布場，對偏差過大的區(qū)域再進(jìn)行細(xì)調(diào)整。通過性能優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)優(yōu)化調(diào)整煙道流場的氨氮摩爾比，將SCR反應(yīng)器出口NOx分布場不均勻度降低到20%以下，達(dá)到降低氨逃逸的目的。氨逃逸濃度檢測選取沿?zé)煹澜孛婢确植?個測孔進(jìn)行，檢測儀器采用基于可調(diào)式二極管激光吸收光譜氣體檢測技術(shù)的激光光譜氨逃逸分析儀，其優(yōu)點(diǎn)在于可以實(shí)時(shí)在線測量煙氣中的氨濃度。

調(diào)整前SCR反應(yīng)器出口煙氣氨逃逸濃度分布見圖4，A側(cè)SCR反應(yīng)器出口氨逃逸濃度均值為3.90 ppm，最高值為5.9 ppm（第1孔），最低值為2.1 ppm（第5孔）；B側(cè)SCR反應(yīng)器出口氨逃逸濃度均值為4.78 ppm，最高值為7.7 ppm（第5孔），最低值為2.0 ppm（第2孔）。氨逃逸濃度分布與NOx濃度場分布相反，分布規(guī)律呈內(nèi)側(cè)低，外側(cè)高的特點(diǎn)。針對氨逃逸偏高的區(qū)域，適當(dāng)關(guān)小對應(yīng)區(qū)域的噴氨格柵手動調(diào)節(jié)閥，反之亦然。調(diào)整之后，再全面測量SCR反應(yīng)器出口NOx濃度場，若有區(qū)域不均勻度仍偏大，則在進(jìn)一步調(diào)整對應(yīng)的噴氨調(diào)節(jié)閥。通過逐步優(yōu)化調(diào)整，兩側(cè)SCR反應(yīng)器出口NOx濃度場不均勻度明顯改善，其中A側(cè)從32%降至14%，B側(cè)從46.7%降至18.2%，均將不均勻度控制在20%以下。相應(yīng)的兩側(cè)氨逃逸濃度也得到了降低，其中A從3.9 ppm降至2.32 ppm，B側(cè)從4.78 ppm降至2.76 ppm，均將氨逃逸濃度降至3 ppm的設(shè)計(jì)值之內(nèi)。優(yōu)化調(diào)整前后，SCR反應(yīng)器出口煙氣氨逃逸濃度分布對比見圖4；調(diào)整后SCR反應(yīng)器出口NOx濃度分布場見圖5。

圖4 SCR反應(yīng)器出口煙氣氨逃逸濃度分布場Fig.4 The distribution field of ammonia escape concentration atthe outlet of SCR reactor

圖5 SCR反應(yīng)器出口NOx濃度分布場（調(diào)整后）Fig.5 NOxconcentration distribution field at the outlet of SCR reactor(after adjustment)

優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)前后，脫硝系統(tǒng)主要性能指標(biāo)對比見表2。經(jīng)過優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)，SCR反應(yīng)器出口NOx濃度不均勻度明顯改善，氨逃逸濃度得以降低，氨耗量也有所下降。

表2 脫硝系統(tǒng)性能指標(biāo)Tab.2 Performance index of denitrification system

4 結(jié)語

流場分布試驗(yàn)有助于了解SCR反應(yīng)器區(qū)域速度和煙氣成分等運(yùn)行參數(shù)分布情況，可為優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。性能優(yōu)化調(diào)整可改善SCR反應(yīng)器出口NOx濃度不均勻度，降低氨逃逸濃度，減少氨耗量，從而提高脫硝裝置運(yùn)行可靠性和經(jīng)濟(jì)性，降低對后續(xù)空預(yù)器的不利影響。同時(shí)，以下結(jié)論可為脫硝系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整提供一定的參考。

（1）從鍋爐SCR反應(yīng)器入口煙道觀察，A、B側(cè)煙氣流速場的分布規(guī)律呈內(nèi)側(cè)高，外側(cè)低的特點(diǎn)。

（2）SCR反應(yīng)器出口NOx場分布不均勻度可以用來反映脫硝反應(yīng)器內(nèi)NH3/NOx摩爾比反應(yīng)的均勻性，減小NOx場分布不均勻度有利于降低氨逃逸。

（3）采用激光光譜氨逃逸分析儀實(shí)時(shí)測量脫硝反應(yīng)器出口煙氣氨逃逸濃度分布情況，從而針對性的對噴氨格柵各支管手動調(diào)節(jié)閥進(jìn)行粗調(diào)整；然后再測量脫硝反應(yīng)器出口NOx濃度分布場，對偏差過大的區(qū)域再進(jìn)行細(xì)調(diào)整，這樣可以提高脫硝優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)的工作效率。

（References）

[1]張波,張偉,牛國平.300 MW機(jī)組鍋爐SCR裝置流場研究[J].熱力發(fā)電,2012,41(7):22-24.ZHANG Bo,ZHANG Wei,NIU Guoping.Study on flow field of the SCR equipment for a 300 MW unit boiler[J].Thermal Power Generation,2012,41(7):22-24.

[2]周新剛，林曉，趙晴川，等.某電廠300 MW燃煤機(jī)組SCR噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)研究[J].電站系統(tǒng)工程，2016,32(2)：43-46.ZHOU Xingang,LIN Xiao,ZHAO Qingchuan,et al.Optimal experiment of selective catalytic reduction in 300 MW coal-fired units.[J].Power System Engi?neering，2016,32(2)：43-46.