寬負(fù)荷脫硝SCR入口煙氣流場優(yōu)化系統(tǒng)研究與應(yīng)用

常 琪 陸衛(wèi)東 張堅(jiān)明 顧錦繡 李郁峰

上海吳涇發(fā)電有限公司

寬負(fù)荷脫硝SCR入口煙氣流場優(yōu)化系統(tǒng)研究與應(yīng)用

常 琪 陸衛(wèi)東 張堅(jiān)明 顧錦繡 李郁峰

上海吳涇發(fā)電有限公司

燃煤機(jī)組鍋爐在低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下，SCR （選擇性催化還原）進(jìn)口煙道沿寬度方向煙溫偏差很大，外側(cè)低中間高，偏差最高可達(dá)17～18℃。煙溫低的區(qū)域處在催化劑低限值下面了，而噴氨槍仍然整個(gè)煙道均勻地在噴，造成氨氣與煙氣混合不均致使脫硝效率降低，同時(shí)對催化劑也產(chǎn)生不良影響。針對這一現(xiàn)象，本課題在SCR反應(yīng)器入口煙道外側(cè)加裝均流擋板，使煙氣通流面積隨負(fù)荷變化而變化，充分保證噴氨槍斷面上的流速，提高充滿度確保煙氣流場均勻，與氨氣充分混合起到勻質(zhì)的效果，從而提高脫硝效率。并使外側(cè)催化劑處于休息狀態(tài)，延長了催化劑壽命。

工程改造后進(jìn)行性能測試，均質(zhì)后的效果能將NOx值降低32～40 mg/Nm3，可實(shí)現(xiàn)20 mg/Nm3的近“0”排放，噴氨流量降低11%左右。獲得了環(huán)保與經(jīng)濟(jì)的雙重收益。

機(jī)組低負(fù)荷；SCR（選擇性催化還原）；入口煙溫偏差；NOx含量

1 技術(shù)產(chǎn)生的背景

目前，國家對環(huán)保要求越來越嚴(yán)。燃煤電廠的氮氧化物NOx排放必須滿足國家的環(huán)保政策。燃煤電廠都裝有SCR（選擇性催化還原）煙氣脫硝裝置，使得鍋爐燃燒后NOx排放達(dá)標(biāo)。但是鍋爐負(fù)荷降到60%以下時(shí)，煙氣溫度滿足不了SCR的技術(shù)投運(yùn)要求（至少＞300℃），致使無法脫硝。而機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行情況又合巧普遍運(yùn)行在40%～50%范圍內(nèi)，這就給環(huán)保帶來了無法逾越的困難。所以，燃煤電廠必須實(shí)施寬負(fù)荷脫硝技術(shù)，在低負(fù)荷時(shí)保證SCR投入。

寬負(fù)荷脫硝技術(shù)雖然可保證在低負(fù)荷時(shí)NOx排放達(dá)標(biāo)，但由于技術(shù)局限性使煙道內(nèi)煙氣分布不均，速度場、溫度場分布溫差較大，造成脫硝效果差，噴氨原料浪費(fèi)，而且造成催化劑堵塞、中毒失效，有效壽命大幅下降，而催化劑在SCR系統(tǒng)中成本占50%以上。

由于煙道內(nèi)煙氣分布不均，氨氣與煙氣混合不好，NH3逃逸率增加，NH3和煙氣中的SO2、SO3反應(yīng)生成硫酸銨、硫酸氫銨，堵塞催化劑通道和下游設(shè)備空氣預(yù)熱器，降低了空氣預(yù)熱器的效率并腐蝕設(shè)備。

由于硫酸銨、硫酸氫銨堵塞催化劑通道，使得煙氣流速緩曼，灰塵容易沉積，灰塵堵塞催化劑通道，如此惡性循環(huán)，降低了催化劑活性，影響SCR系統(tǒng)的脫硝效率。于是，SCR入口煙氣流場的優(yōu)化系統(tǒng)的研究提上了議事議程。

2 寬負(fù)荷脫硝工程簡介

吳涇電廠11號(hào)爐是上海鍋爐廠引進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)的強(qiáng)制循環(huán)、四角擺角燃燒的煤粉鍋爐。為適應(yīng)國家環(huán)保政策，2015年3月鍋爐改造完成了寬負(fù)荷脫硝裝置。

電廠在省煤器部位煙氣側(cè)進(jìn)行了寬負(fù)荷脫硝改造，提高了省煤器出口煙溫，使SCR入口煙溫在機(jī)組負(fù)荷降低到120MW時(shí)，仍能保持在315℃以上，確保了噴氨系統(tǒng)不退出運(yùn)行。

2.1 SCR入口煙氣均質(zhì)的必要性

（1）對于進(jìn)入SCR反應(yīng)塔的原煙氣要滿足以下2點(diǎn)：1）煙氣溫度≥315℃；2）煙氣與氨氣得到充分?jǐn)嚢?、混合均勻?/p>

由于隨著機(jī)組的負(fù)荷下降，降到150 MW負(fù)荷時(shí)的煙氣量大約為100%負(fù)荷時(shí)的62.0%，煙氣急劇減少，使煙道內(nèi)煙氣充滿度減低，產(chǎn)生沿鍋爐煙道寬度方向上的流量偏差。它的主要特征是中間高兩邊低，最后導(dǎo)致煙道中間煙溫高兩邊煙溫低的現(xiàn)象。

（2）SCR進(jìn)口煙道的結(jié)構(gòu)（圖1）

圖1 300 MW機(jī)組鍋爐脫硝進(jìn)口煙道示意圖

鍋爐尾部煙道寬度為1 4022 mm，它對應(yīng)的2個(gè)寬度為10 000 mm的SCR進(jìn)口煙道。低負(fù)荷下：

1）鍋爐尾部煙道出口煙溫呈兩邊低中間高的拋物線形狀，進(jìn)入SCR煙道（1.426倍鍋爐煙道）會(huì)加劇煙溫的偏差；

2）尤其是7.6 m突然擴(kuò)大至10 m，造成外側(cè)的煙溫更低。

3）寬負(fù)荷脫硝裝置在低負(fù)荷下，左右兩個(gè)煙氣通道不通，煙氣往中間煙道通過，更進(jìn)一步造成外側(cè)煙道的煙溫降低。

（3）鑒于SCR反應(yīng)塔的要求和設(shè)備結(jié)構(gòu)上的不足，為滿足高效脫硝和防止催化劑中毒的目的，必須要對設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化改造。

2.2 工程改造方法

（1）設(shè)備結(jié)構(gòu)

1）每側(cè)噴氨母管上共引出12根分管，均布在整個(gè)煙道上；

圖2 300 MW機(jī)組鍋爐脫硝進(jìn)口設(shè)備示意圖

2）每根噴氨分管再一分為二供應(yīng)2支噴氨槍。噴氨槍正上部600 mm處有一根擋桿；

3）改造設(shè)計(jì)每側(cè)有大、小均流板各一塊，布置在擋桿上面900 mm處。見圖2。（2）技術(shù)設(shè)計(jì)思路

1）原始狀態(tài)：

①煙道流通截面積是按最大負(fù)荷時(shí)設(shè)計(jì)的。當(dāng)負(fù)荷降低后煙氣在煙道內(nèi)的充滿度降低，形成流量偏差。由于流量偏差同時(shí)產(chǎn)生煙溫偏差；

②煙氣充滿度降低，煙氣的紊流程度降低，氨氣與煙氣的混合效果變差；

③因流量偏差，噴氨流量仍以原調(diào)整的方式噴射，流量分布曲線與噴氨分布不對應(yīng)；

④鑒于上述3個(gè)因素，造成低負(fù)荷下SCR工作條件變差，促使脫硝效率降低。

2） 技術(shù)方案改造的預(yù)期：

①SCR進(jìn)口煙道內(nèi)的煙氣充滿度保持基本不變，相當(dāng)于額定負(fù)荷時(shí)的狀態(tài)；

②當(dāng)負(fù)荷在180～150 MW區(qū)段，將外側(cè)的“外側(cè)均流板”關(guān)閉，同時(shí)對應(yīng)的4根噴氨管道關(guān)閉也關(guān)閉?！巴鈧?cè)均流板”關(guān)閉后所產(chǎn)生的效應(yīng)是：

A.煙道內(nèi)的煙氣流速提高，相當(dāng)于額定負(fù)荷時(shí)的煙速，煙氣紊流程度提高。煙氣與氨氣的混合程度得到充分?jǐn)嚢瑁?/p>

B.沿?zé)煹缹挾确较虻臒煖仄顪p少，煙溫場全部滿足和大于催化劑的溫度要求；

C.噴氨槍的單位流量增加，壓力提高。使得噴口出來的氣流霧化程度提高，同時(shí)噴口到檔桿的沖擊力抬高，致使氨氣散射更均勻；

D.鑒于煙氣流紊流度增加、氨氣散射更均勻、煙溫偏差減少促使了SCR 脫硝效率提高；

E.雖然單支噴氨槍的流量增加，但遠(yuǎn)比關(guān)閉4根噴氨管道的流量來得小。所以，也可收到降低噴氨流量的效果。

③同理，當(dāng)負(fù)荷在150～120MW區(qū)段，將內(nèi)側(cè)的“內(nèi)均流板”關(guān)閉，同時(shí)對應(yīng)的2根噴氨管道電動(dòng)閥也關(guān)閉。思路同A～E條款。

（3）設(shè)備安裝進(jìn)程

施工從2016年11月29日開始，至2016年12月9日冷態(tài)調(diào)試結(jié)束，歷時(shí)11天。

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

（1）是否達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期以及NOx變化特性；（2）改造后所能產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 試驗(yàn)方法

（1）加倉煤質(zhì)要求：對燃燒煤質(zhì)不做要求，按平時(shí)運(yùn)行方式加倉。

（2） 磨煤機(jī)運(yùn)行方式：對磨煤機(jī)運(yùn)行方式不做要求，盡可能地提高再熱蒸汽汽溫。

3.3 試驗(yàn)工況操作方式

（1）確保CEMS表計(jì)NOx值在允許范圍內(nèi)，絕對不能超標(biāo)排放。因此，寬負(fù)荷煙氣擋板可以做任何操作。

（2）在160～170 MW負(fù)荷區(qū)段，分2個(gè)測試工況；

1） SCR入口導(dǎo)流擋板全開，噴氨槍全開；

2）SCR入口“外側(cè)均流板”關(guān)閉，“內(nèi)側(cè)均流板”開。兩側(cè)對應(yīng)的噴氨槍編號(hào)9～12總閥門關(guān)閉。

（3）在130～140 MW負(fù)荷區(qū)段，分2個(gè)測試工況；

1） SCR入口導(dǎo)流擋板全開，噴氨槍全開；

2） SCR入口“外側(cè)均流板”和“內(nèi)側(cè)均流板”都關(guān)閉，兩側(cè)對應(yīng)的噴氨槍編號(hào)9～12電動(dòng)總閥門和編號(hào)7、8電動(dòng)小閥門均關(guān)閉。

4 試驗(yàn)日期與測試結(jié)果

試驗(yàn)時(shí)間與負(fù)荷見表1。

表1 試驗(yàn)時(shí)間與負(fù)荷

4.1 160～170負(fù)荷段試驗(yàn)

160～170負(fù)荷段性能指標(biāo)變化情況見表2。

（1）圖3中A點(diǎn)是“外側(cè)均流板”關(guān)，對應(yīng)的編號(hào)9～12號(hào)噴氨支管的電動(dòng)總門也同時(shí)關(guān)。CEMS表計(jì)的NOx值明顯下降，最終穩(wěn)定在20 mg/m3以下；

表2 160～170負(fù)荷段性能指標(biāo)變化表

圖3 “外側(cè)均流板”的動(dòng)態(tài)特性曲線注：右側(cè)縱坐標(biāo)是NOx含量標(biāo)尺

（2）B點(diǎn)是“外側(cè)均流板”恢復(fù)開的起始點(diǎn)；

（3）試驗(yàn)中也采取了先關(guān)閉“外側(cè)均流板”，然后再關(guān)噴氨支管的電動(dòng)總門，在這個(gè)過程中，SCR反應(yīng)塔的效率會(huì)在關(guān)噴氨支管電動(dòng)總門之前下降約7%～8%，CEMS表計(jì)值沒變化。當(dāng)開始關(guān)噴氨支管的電動(dòng)總門后，SCR反應(yīng)塔的效率馬上提升直至超過原始狀態(tài)效率值約7%～8%。所以，“均流板”和對應(yīng)的噴氨電動(dòng)門必須同步開或關(guān)。

4.2 130～140負(fù)荷段試驗(yàn)

（1）均流板開與關(guān)的特性變化

130～140負(fù)荷段性能指標(biāo)變化情況見表3。

（2）煙道沿寬度的分布特性

進(jìn)口煙道沿寬度方向的特性曲線見圖4

1）“◆”點(diǎn)的曲線是均流板前的煙溫，“■”點(diǎn)的曲線是均流板后的煙溫；

2）大均流板關(guān)閉時(shí)，圖中橫坐標(biāo)的0～3煙道寬度被擋住，煙氣只能往內(nèi)側(cè)流動(dòng)，改變了外側(cè)溫度比較低的現(xiàn)象（A/B=317.5/306℃）,進(jìn)入SCR的煙溫顯著抬升，達(dá)到了335℃以上；

表3 130～140負(fù)荷段性能指標(biāo)變化表

圖4 137.0 MW時(shí)的SCR進(jìn)口煙道沿寬度方向的煙溫曲線

3）大均流板關(guān)閉的同時(shí)，對應(yīng)的噴氨槍也停止噴射，使得SCR催化反應(yīng)的效率明顯提高。

4.3 兩個(gè)不同負(fù)荷下的SCR性能指標(biāo)

僅僅調(diào)節(jié)“大均流板”開度由“開”到“關(guān)”，其他可控參數(shù)不變，觀察SCR性能變化。性能變化情況見表4。

表4 性能指標(biāo)變化表

由表4可見，僅僅將SCR外側(cè)的“大均流板”關(guān)閉，其他控制參數(shù)不變，

（1）NOx值可以下降30～40 mg/m3。

隨著負(fù)荷降低，NOx下降值也有所下降，其原因是SCR進(jìn)口NOx上升（從415 mg/m3上升到560 mg/m3）所導(dǎo)致的；

（2）低負(fù)荷下，CEMS表計(jì)NOx值通常在60 mg/m3，通過均流板的控制，可使NOx值控制在30 mg/m3以內(nèi)。

（3）氨氣流量可以下降11%左右。

因噴氨槍兩側(cè)各減少了4支（噴氨槍兩側(cè)各有12支），從而使得噴氨流量降低。

（4）“大均流板”開關(guān)取得的效果非常明顯，并且重演性相當(dāng)好；

（5）改變了原來的“脫硝氨氣流量”不隨負(fù)荷變化的弊病。

5 本項(xiàng)技術(shù)實(shí)施后的經(jīng)濟(jì)性

本項(xiàng)技術(shù)實(shí)施后的經(jīng)濟(jì)性明細(xì)情況見表5。

說明：

（1）均流板全開的狀態(tài)下，CEMS表計(jì)NOx值一般在58～65 mg/Nm3之間，一般很難再低；

（2）均流板投入運(yùn)行后，CEMS表計(jì)NOx值降低到18～20 mg/Nm3之間；

（3）NOx排污費(fèi)按上海市2017～2018年的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，基準(zhǔn)值為8.0元/ kg，

表5 11號(hào)爐改造后的經(jīng)濟(jì)性明細(xì)表

排放值50～75 mg/Nm3：收費(fèi)為8.0元/ kg×0.4= 3.2元 / kg；

排放值 ≤50 mg/Nm3：收費(fèi)為8.0元/ kg×0.3 =2.4元/ kg

（4）勻質(zhì)改造后，NOx排污費(fèi)減少15.38萬元/a，尿素費(fèi)用降低5.04萬元/a，合計(jì)降低20.42萬元/a。

6 試驗(yàn)結(jié)論

負(fù)荷≤180 MW區(qū)段，在其他可控參數(shù)不變的情況下，均流板的作用非常明顯。

（1）降低NOx值（表6）

（2）降低噴氨流量（表7）

（3）“外側(cè)均流板”的動(dòng)作對“NOx”值和“噴氨流量”的對應(yīng)變化重演性非常好；

（4）改變了原始方式的“脫硝氨氣流量”不隨負(fù)荷變化的弊病。

（5）無論“外側(cè)均流板”還是“內(nèi)側(cè)均流板”的操作，對引風(fēng)機(jī)運(yùn)行電流都沒有影響；

（6）在“內(nèi)、外均流擋板”的同時(shí)作用下，機(jī)組負(fù)荷137.9 MW下，CEMS表計(jì)NOx值能達(dá)到不足20 mg/Nm3排放值，換言之即能達(dá)到近“0”排放，這是一個(gè)非常京喜的成果。若2019年上海市實(shí)施NOx排放值低于50 mg/Nm3標(biāo)準(zhǔn)，本次煙氣勻質(zhì)改造是一個(gè)非常好的發(fā)現(xiàn)，可先實(shí)施煙氣勻質(zhì)，再來考慮是否需要采用增加催化劑的方法。

表6 均流板對NOx的作用

表7 均流板對噴氨流量的作用

（7）煙氣勻質(zhì)改造后，NOx排污費(fèi)減少15.38萬元/年，尿素費(fèi)用降低5.04萬元/a，合計(jì)降低20.42萬元/a。

目前國內(nèi)還未有類似的脫硝概念和方法實(shí)施，屬于首創(chuàng)。它設(shè)備簡單、操作容易、煙氣擋板調(diào)節(jié)對鍋爐運(yùn)行參數(shù)基本沒有影響；能非常方便地復(fù)制應(yīng)用到其它鍋爐上。

總之，SCR進(jìn)口煙氣均流板完全達(dá)到和超出了設(shè)計(jì)預(yù)期，不僅能明顯降低NOx排放值而且也帶來了客觀的經(jīng)濟(jì)性收益，是節(jié)能與環(huán)保兩者難得的統(tǒng)一。另外也給SCR反應(yīng)塔外側(cè)的催化劑得到了休養(yǎng)生息。

美舊金山15號(hào)碼頭探索博物館實(shí)現(xiàn)零能耗

位于美國舊金山15號(hào)碼頭的探索博物館采用可持續(xù)發(fā)展的設(shè)計(jì)理念和施工方式，以適應(yīng)嚴(yán)酷的海洋性氣候。機(jī)械系統(tǒng)將海灣的水引進(jìn)鈦制板式換熱器和水源熱泵系統(tǒng)，用于采暖制冷。建筑師充分利用歷史碼頭所擁有的自然光線，在244米長的屋頂上安裝能提供1.3 MW能源的太陽能光伏發(fā)電板，解決了大型展覽和其它用電的需求。全館安裝了110多個(gè)電力儀表，用于監(jiān)控電負(fù)載，督促員工改進(jìn)博物館的管理運(yùn)營。與基準(zhǔn)建筑相比，探索博物館能源消耗減少55%，被美國建筑師協(xié)會(huì) (AIA)評為2016年10大綠色項(xiàng)目之一，并通過LEED白金認(rèn)證。

（李忠東 譯）

Study and Application of Wide Load Denitrification SCR Inlet Flue Flow Distribution Optimization System

Chang Qi, Lu Weidong, Zhang Jianming, Gu Jinxiu, Li Yufeng
Shanghai Wujing Power Generation Co.,Ltd

Coal-Fired unit boiler runs at low load, SCR inlet flue temperature changes a lot along width direction, which shows outsides temperature is low and middle ones is high and deviation is around 17～18℃ . Ammonia gun is working in whole flue pipe while low flue temperature is below low limit value of catalyst and uneven ammonia and flue mixture results in low denitrification efficiency with bad influence on catalyst. Focus on fixing it, the author installs current sharing baffle outside of SCR reactor inlet flue, which makes flue flow area change with load changes and guarantee ammonia flow velocity to improve much evener flue distribution mixing with ammonia to increase denitrification efficiency with good influence on catalyst.

The performance test was carried out after engineering renovation and the effect of homogenization can reduce NOxvalue by 32-40 mg/Nm3, which achieves 'Zero' emission of 20 mg/Nm3and reduce ammonia injection rate by about 11%. It means double benefits of environment protection and economy value.

Low Load Unit, SCR (Selective Catalytic Reduction), Inlet Flue Temperature Deviation,NOxContent

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.11.007