SCR脫硝系統(tǒng)噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)研究

方明成，劉玉強(qiáng)，王潤(rùn)明，周明

(華電渠東發(fā)電有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453000)

0 引言

隨著火電廠最新大氣污染排放標(biāo)準(zhǔn)的頒布及煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃的實(shí)施[1-2]，燃煤電廠必須更加嚴(yán)格地控制煙氣中NOx的排放量。選擇性催化還原(SCR)脫硝技術(shù)因脫硝效率高且運(yùn)行穩(wěn)定可靠，而被廣泛應(yīng)用于燃煤電廠。脫硝效率和氨氣逃逸率是衡量SCR脫硝系統(tǒng)運(yùn)行是否良好的重要依據(jù)。

燃煤電廠在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，鍋爐負(fù)荷、鍋爐燃燒工況、煤種、噴氨格柵閥門開度、煙道流場(chǎng)均勻性、吹灰間隔時(shí)間及催化劑種類等因素均會(huì)影響SCR脫硝效率和氨逃逸率[3]。逃逸氨在空預(yù)器中會(huì)生成黏性的硫酸銨或硫酸氫銨，減小空預(yù)器流通截面，造成空預(yù)器堵灰?？疹A(yù)器堵灰不僅影響鍋爐運(yùn)行的安全性而且顯著降低鍋爐效率，嚴(yán)重影響脫硝機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行[4-5]。

目前燃煤電廠可以選擇新型的SCR脫硝系統(tǒng)噴氨格柵類型、布置方式及改造噴氨管[6-8]，調(diào)整噴氨量和噴氨均勻性[9-10]，改進(jìn)催化劑入口氨氮比，優(yōu)化煙氣導(dǎo)流板布置、煙氣流速的均布性[11-12]，或研發(fā)與應(yīng)用煙氣脫硝系統(tǒng)自動(dòng)控制技術(shù)[13]。通過(guò)提升自控系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性[14]等措施，可提高SCR脫硝系統(tǒng)出口NOx分布均勻性，防止局部氨逃逸超標(biāo)，減輕空預(yù)器堵灰、腐蝕、運(yùn)行阻力等問題。但目前燃煤電廠小機(jī)組SCR煙氣脫硝系統(tǒng)，多采用傳統(tǒng)的線性控制式噴氨格柵技術(shù)[15]。由于脫硝系統(tǒng)新型結(jié)構(gòu)改造經(jīng)濟(jì)成本高、周期長(zhǎng)，在現(xiàn)有SCR煙氣脫硝系統(tǒng)中開展噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn),是目前提高氨利用率、減少NOx污染物排放的主要手段。調(diào)節(jié)SCR脫硝系統(tǒng)噴氨量，改善SCR脫硝系統(tǒng)出口NOx分布均勻性和氨利用率的均勻性，消除局部氨逃逸峰值，對(duì)提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、安全性具有重要意義。

1 試驗(yàn)對(duì)象及參數(shù)

330 MW亞臨界燃煤#1，#2機(jī)組的煙氣脫硝系統(tǒng)采用選擇性催化還原法(SCR)脫硝工藝和板式催化劑，催化劑按“2+1”模式布置，選用二氧化鈦、釩化合物作為催化劑，采用液氨制備脫硝還原劑。

SCR煙氣脫硝系統(tǒng)采用線性控制式噴氨格柵技術(shù)。噴氨格柵中各組噴嘴之間的氣氨噴射具有較強(qiáng)的獨(dú)立性。SCR脫硝系統(tǒng)入口每側(cè)布置2層上下交錯(cuò)的噴氨格柵，14支控制噴氨量分配的噴氨手動(dòng)門。每個(gè)手動(dòng)門控制3根支管，流量覆蓋寬度1.5 m。每組2個(gè)手動(dòng)門分別對(duì)應(yīng)煙道截面前后部分噴氨。

2 噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)儀器及調(diào)整方法

SCR脫硝系統(tǒng)噴氨優(yōu)化試驗(yàn)是根據(jù)GB/T 16157—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》，DL/T 335—2010《火電廠煙氣脫硝(SCR)裝置運(yùn)行技術(shù)規(guī)范》開展的；使用的儀器主要有氨逃逸分析儀(LDAS-3000)、煙氣分析儀(德國(guó)MRU NOVA plus)、大功率煙氣處理器、電子微壓計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)皮托管(2～3 m)；試驗(yàn)采用單點(diǎn)抽樣監(jiān)測(cè)方式，根據(jù)測(cè)定的SCR脫硝系統(tǒng)出口NOx濃度分布情況，調(diào)整手動(dòng)閥門開度，對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)噴氨流量；試驗(yàn)時(shí)要保證煤質(zhì)、負(fù)荷及配風(fēng)方式等條件的穩(wěn)定。

試驗(yàn)主要測(cè)量SCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)/出口的靜壓、動(dòng)壓、NOx質(zhì)量濃度、O2含量，利用網(wǎng)格法測(cè)量煙氣的NOx質(zhì)量濃度、O2含量，并根據(jù)SCR脫硝系統(tǒng)出口的NOx質(zhì)量濃度分布，使用氨逃逸分析儀在截面煙道上測(cè)量氨逃逸質(zhì)量濃度。圖1是SCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)、出口測(cè)點(diǎn)布置示意圖，為了能準(zhǔn)確地反映SCR脫硝裝置NOx濃度分布和氨逃逸質(zhì)量濃度分布情況，在進(jìn)、出口煙道截面A、B側(cè)(南、北)對(duì)稱處，設(shè)置不同深度測(cè)試點(diǎn)，分別定義為A1，A2，…，A9，B1，B2，…，B9(測(cè)點(diǎn)數(shù)量和深度可以調(diào)整)。

圖1 SCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)、出口測(cè)試點(diǎn)布置示意

對(duì)#1，#2機(jī)組進(jìn)行了噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)，試驗(yàn)共分為摸底試驗(yàn)、優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)兩個(gè)部分，#2機(jī)組試驗(yàn)是在#1機(jī)組試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。摸底試驗(yàn)是在實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷工況下，測(cè)試SCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)、出口NOx和濃度、氨逃逸質(zhì)量濃度分布等，初步評(píng)估脫硝系統(tǒng)整體運(yùn)行狀態(tài)及噴氨流量的分配情況。在試驗(yàn)負(fù)荷和對(duì)應(yīng)的脫硝效率下，測(cè)試格柵手動(dòng)閥的流量特性，掌握閥門開度變化對(duì)氨氣流量的影響，入口NOx質(zhì)量濃度和煙氣流場(chǎng)分布偏差情況，掌握噴氨手動(dòng)閥控制流量對(duì)SCR出口NOx質(zhì)量濃度的影響。

根據(jù)初步摸底試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，有針對(duì)性地調(diào)整手動(dòng)噴氨閥門開度：首先適當(dāng)調(diào)高NOx較高的區(qū)域的噴氨量，減小NOx較低區(qū)域的噴氨量；逐步調(diào)整SCR出口各測(cè)孔、各測(cè)點(diǎn)NOx質(zhì)量濃度使其分布基本均勻，入口NOx質(zhì)量濃度測(cè)量值不均勻度小于10%。

2.2 SCR脫硝系統(tǒng)出口NOx質(zhì)量濃度分布

使用煙氣分析儀測(cè)量SCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)口(噴氨格柵前水平截面)及出口NOx質(zhì)量濃度分布情況，兩機(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)口A、B側(cè)NOx質(zhì)量濃度分布非常均勻，#1機(jī)組A、B兩側(cè)分布相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.82%，1.32%，#2機(jī)組A、B兩側(cè)分布相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為4.0%，1.7%。

為了準(zhǔn)確測(cè)定SCR脫硝系統(tǒng)出口NOx質(zhì)量濃度分布的均勻性，#1機(jī)組增加了相對(duì)于進(jìn)口深度0.5 m處的NOx質(zhì)量濃度。噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)前后#1機(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)出口NOx質(zhì)量濃度分布情況如圖2所示。

圖2 #1機(jī)組優(yōu)化前后A、B側(cè)出口NOx質(zhì)量濃度分布

由圖2可以看出，#1機(jī)組優(yōu)化前SCR脫硝系統(tǒng)出口A、B側(cè)兩側(cè)NOx質(zhì)量濃度分布不均勻，A、B兩側(cè)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為52.7%，23.1%，A側(cè)出口NOx質(zhì)量濃度分布呈現(xiàn)由南向北逐步降低的趨勢(shì)，B側(cè)出口NOx濃度整體偏高；優(yōu)化后A、B側(cè)出口NOx質(zhì)量濃度分布相對(duì)均勻，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏分別為9.07%，7.51%。實(shí)驗(yàn)證明，經(jīng)過(guò)多次調(diào)整噴氨手動(dòng)閥門開度，合理調(diào)節(jié)噴氨量，可使SCR出口NOx質(zhì)量濃度得到較大改善，趨向于均勻分布。

由圖3可以看出，#2機(jī)組優(yōu)化調(diào)整前SCR脫硝系統(tǒng)出口NOx質(zhì)量濃度分布不均勻，同側(cè)煙道南北兩邊NOx質(zhì)量濃度偏差明顯，濃度分布呈現(xiàn)由南側(cè)向北側(cè)逐步升高的趨勢(shì)。A、B側(cè)NOx質(zhì)量濃度分布相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏分別為83.3%，94.7%(最低值為10 mg/m3、最高值為180 mg/m3)，濃度偏差較大。經(jīng)優(yōu)化調(diào)整后，SCR出口NOx質(zhì)量濃度均勻性有了較大提高，并消除了局部NOx質(zhì)量濃度偏高的情況，A、B側(cè)出口NOx質(zhì)量濃度分布相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別降到49.6%，38.1%，但未能調(diào)整到設(shè)計(jì)目標(biāo)(15%)以下。主要原因?yàn)镾CR內(nèi)部煙氣流速分布存在偏差，氨氮比濃度不能分區(qū)調(diào)整，噴氨格柵各手動(dòng)門控制的煙道截面范圍較寬，且各手動(dòng)門控制范圍交錯(cuò)布置，對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)NOx數(shù)值有高有低，無(wú)法作出對(duì)應(yīng)調(diào)整。

圖3 #2機(jī)組優(yōu)化前后A、B側(cè)出口NOx質(zhì)量濃度分布

2.3 SCR脫硝系統(tǒng)出口氨逃逸質(zhì)量濃度分布

采用氨逃逸分析儀對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)出口氨逃逸數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，#1機(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)優(yōu)化前后A、B側(cè)出口氨逃逸質(zhì)量濃度分布情況如圖4所示。

圖4 #1機(jī)組優(yōu)化前后A、B側(cè)出口氨逃逸質(zhì)量濃度分布

從圖4可以看出，優(yōu)化前SCR脫硝系統(tǒng)出口氨逃逸質(zhì)量濃度分布A側(cè)高于B側(cè)，均值1.75 mg/m3，A側(cè)北邊3個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)值超過(guò)2.28 mg/m3，達(dá)到2.43～3.65 mg/m3，呈現(xiàn)南側(cè)低北側(cè)高的分布，A側(cè)氨逃逸稍高于B側(cè)，符合A側(cè)空預(yù)器差壓高的現(xiàn)象，B側(cè)分布相對(duì)均勻，均值0.61 mg/m3；優(yōu)化后消除了A側(cè)約1/3煙道氨逃逸高于2.28 mg/m3的情況，均值達(dá)到0.5 mg/m3，氨逃逸質(zhì)量濃度分布均勻性改善明顯，B側(cè)均值0.84 mg/m3。

#2機(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)優(yōu)化前后A、B側(cè)出口氨逃逸質(zhì)量濃度分布情況如圖5所示。

圖5 #2機(jī)組優(yōu)化前后A、B側(cè)出口氨逃逸質(zhì)量濃度分布

由圖5可知，優(yōu)化調(diào)整前SCR脫硝系統(tǒng)出口氨逃逸質(zhì)量濃度分布不均勻，A側(cè)南邊氨逃逸明顯偏高，某些測(cè)點(diǎn)超過(guò)2.28 mg/m3，最高達(dá)到13.68 mg/m3，B側(cè)僅測(cè)試點(diǎn)B9處氨逃逸質(zhì)量濃度偏高，達(dá)4.26 mg/m3，其他測(cè)試點(diǎn)未發(fā)現(xiàn)氨逃逸明顯超標(biāo)現(xiàn)象。優(yōu)化調(diào)整后，氨逃逸分布不均勻性和質(zhì)量濃度明顯降低，均值小于0.91 mg/m3。

2.4 SCR系統(tǒng)噴氨優(yōu)化試驗(yàn)前后主要的運(yùn)行參數(shù)

取SCR系統(tǒng)噴氨優(yōu)化試驗(yàn)前后各1 天的主要運(yùn)行參數(shù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，見表1。

從表1可知，SCR系統(tǒng)整體氨利用率和反應(yīng)效率得到提高。通過(guò)優(yōu)化調(diào)整，#1機(jī)組在鍋爐負(fù)荷相近、SCR入口NOx質(zhì)量濃度比試驗(yàn)前平均升高170 mg/m3的情況下，總噴氨流量保持不變，SCR出口NOx質(zhì)量濃度的下降幅度比試驗(yàn)前的有所增加，A側(cè)稀釋風(fēng)機(jī)流量下降了664 m3/h，兩側(cè)NOx出口質(zhì)量濃度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差平均值降低29.6%，氨逃逸質(zhì)量濃度平均下降0.42 mg/m3；#2機(jī)組在鍋爐相近負(fù)荷下、SCR入口NOx質(zhì)量濃度升高30 mg/m3、煙囪排放值接近的情況下，總噴氨流量降低1.7 kg/h，A側(cè)空預(yù)器壓差降低0.15 kPa，兩側(cè)NOx出口質(zhì)量濃度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差降低45.2%，氨逃逸質(zhì)量濃度平均下降1.79 mg/m3。

2.5 SCR噴氨手動(dòng)閥門開度

手動(dòng)調(diào)閥開度大的噴氨噴嘴，噴氨量較大，對(duì)應(yīng)裝置出口區(qū)域的NOx質(zhì)量濃度低，氨逃逸質(zhì)量濃度高；手動(dòng)調(diào)閥開度小的噴氨噴嘴，噴氨量較小，對(duì)應(yīng)裝置出口區(qū)域的NOx質(zhì)量濃度高，氨逃逸質(zhì)量濃度低。經(jīng)過(guò)多次輪測(cè)試與調(diào)整，確定了SCR各支噴氨手動(dòng)門最佳開度，有效改善了裝置出口的NOx質(zhì)量濃度分布均勻性，降低了氨逃逸質(zhì)量濃度。#1機(jī)組和#2機(jī)組A、B兩側(cè)各14個(gè)噴氨手動(dòng)閥門，A11與A21是單個(gè)閥門調(diào)整對(duì)應(yīng)位置，試驗(yàn)前后開度情況如圖6、圖7所示(其中#2機(jī)組A14號(hào)門開度顯示窗被油漆糊住無(wú)法確認(rèn)開度)。通過(guò)優(yōu)化試驗(yàn)，A、B側(cè)SCR脫硝系統(tǒng)各噴氨手動(dòng)門開度有了較大的變化。

表1 優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)前后主要運(yùn)行參數(shù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖6 #1機(jī)組噴氨手動(dòng)閥門優(yōu)化試驗(yàn)前后開度

噴氨優(yōu)化試驗(yàn)時(shí)對(duì)應(yīng)氨逃逸濃度分布高的位置，減小閥門開度，從圖6#1機(jī)組噴氨手動(dòng)閥門開度可知，噴氨優(yōu)化試驗(yàn)調(diào)整前SCR脫硝系統(tǒng)出口A側(cè)北半邊氨逃逸質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)明顯偏高，優(yōu)化試驗(yàn)時(shí)對(duì)應(yīng)氨逃逸質(zhì)量濃度分布高的位置，減小閥門開度。從圖6中可以看出，A側(cè)北側(cè)閥門開度明顯降低，減小了噴氨流量，降低氨逃逸濃度。B側(cè)氨逃逸質(zhì)量濃度分布相對(duì)均勻。A側(cè)最大從65%調(diào)整到25%，關(guān)閉61.5%，B側(cè)除B14閥門開度調(diào)整較大外，開度相對(duì)A側(cè)調(diào)整幅度較小，是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)適當(dāng)調(diào)整閥門開度。 優(yōu)化試驗(yàn)后消除了A側(cè)約1/3煙道氨逃逸高于2.28 mg/m3的情況，均值從1.75 mg/m3降至0.68 mg/m3，與手動(dòng)門開度調(diào)整對(duì)應(yīng)。

從圖7#2機(jī)組噴氨手動(dòng)閥門開度可知，噴氨優(yōu)化調(diào)整前SCR脫硝系統(tǒng)出口A側(cè)南半邊、B側(cè)北半邊氨逃逸質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)明顯偏高。噴氨優(yōu)化試驗(yàn)時(shí)，對(duì)應(yīng)氨逃逸濃度分布高的位置減小閥門開度。優(yōu)化調(diào)整后，A側(cè)南側(cè)、B側(cè)北邊閥門開度明顯降低，噴氨流量與氨逃逸濃度相應(yīng)降低。

圖7 #2機(jī)組噴氨手動(dòng)閥門優(yōu)化試驗(yàn)前后開度

3 結(jié)束語(yǔ)

(1)SCR脫硝系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)改善了局部噴氨過(guò)量和噴氨不足的情況，SCR出口NOx質(zhì)量濃度均勻性改進(jìn)明顯，系統(tǒng)整體氨利用率和反應(yīng)效率得到提高。

(2)SCR脫硝系統(tǒng)脫硝性能和脫硝效率受多種因素影響。為提高SCR出口NOx質(zhì)量濃度均勻性，降低氨逃逸，減少空預(yù)器堵塞，達(dá)到污染物低排放最新標(biāo)準(zhǔn)，推薦定期進(jìn)行脫硝噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)。

(3)內(nèi)部流場(chǎng)不均和噴氨格柵結(jié)構(gòu)等影響SCR出口NOx質(zhì)量濃度分布均勻性，后續(xù)需優(yōu)化設(shè)計(jì)改進(jìn)內(nèi)部流場(chǎng)分布，實(shí)施改造新型的噴氨格柵布置方式，實(shí)現(xiàn)分區(qū)調(diào)整，為提高脫硝性能提供基礎(chǔ)條件，對(duì)減輕空預(yù)器堵塞風(fēng)險(xiǎn)具有重大意義。