600 MW燃煤機(jī)組煙氣脫硝系統(tǒng)噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)

郭力強(qiáng)，柳逢春，閻寒冰

（國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西太原 030001）

0 引言

近幾年，國(guó)家對(duì)燃煤電廠環(huán)保工作提出了進(jìn)一步的要求。2012年1月新的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13223—2011）開(kāi)始實(shí)施，2014年9月國(guó)家發(fā)改委、環(huán)保部、國(guó)家能源局三部委聯(lián)合印發(fā)了《燃煤發(fā)電節(jié)能減排升級(jí)改造行動(dòng)計(jì)劃（2014—2020）》。在此基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)大部分省、市、地區(qū)及發(fā)電企業(yè)相繼制定了燃煤超凈排放指標(biāo)[1]，氮氧化物排放限值為50 mg/m3，該排放限值作為燃煤鍋爐的氮氧化物排放“超低排放”標(biāo)準(zhǔn)[2]。

超低排放標(biāo)準(zhǔn)的提出，對(duì)于燃煤電廠提出了巨大的挑戰(zhàn)。從2015年開(kāi)始，大部分燃煤電廠對(duì)現(xiàn)有的脫硝系統(tǒng)等環(huán)保設(shè)施進(jìn)行了超低排放改造，以滿(mǎn)足國(guó)家政策的要求，實(shí)現(xiàn)大氣污染物的超低排放。在開(kāi)展煙氣超低排放改造過(guò)程中，由于治理技術(shù)的不成熟，改造應(yīng)用時(shí)間較短，超凈排放的運(yùn)行、維護(hù)經(jīng)驗(yàn)不足，對(duì)選擇性催化還原SCR（selective catalytic reduction）煙氣脫硝裝置運(yùn)行特性缺乏充分認(rèn)識(shí)，出現(xiàn)了盲目噴氨導(dǎo)致氨逃逸濃度偏大、空氣預(yù)熱器阻力異常、機(jī)組降低負(fù)荷運(yùn)行的情況，個(gè)別機(jī)組出現(xiàn)非正常停運(yùn)現(xiàn)象[3-5]。因此，在機(jī)組超低排放改造后，有必要針對(duì)性地開(kāi)展煙氣脫硝系統(tǒng)噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)，對(duì)SCR系統(tǒng)噴氨量、煙氣NOx排放量和氨的逃逸濃度之間找到良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

1 氨逃逸及對(duì)設(shè)備的危害

目前廣泛應(yīng)用的是SCR脫硝技術(shù)，其計(jì)算原理是氨在催化劑的作用下，選擇性地與燃煤煙氣中的NOx發(fā)生反應(yīng)，將NOx轉(zhuǎn)換為氮?dú)夂退魵?，以達(dá)到降低NOx排放的目的。其主要反應(yīng)如下：

SCR反應(yīng)器中噴入的氨量一般為催化NOx所需要的化學(xué)計(jì)量比的80%～90%，但由于催化劑的老化或中毒，反應(yīng)溫度的過(guò)高或過(guò)低等原因，沒(méi)有反應(yīng)完全的氨就會(huì)相對(duì)過(guò)剩，從而產(chǎn)生氨的逃逸[6]。在進(jìn)行反應(yīng)的同時(shí)，在脫硝催化劑的作用下，煙氣中的部分SO2被氧化為SO3，在煙氣水分的條件下，反應(yīng)過(guò)剩的氨與煙氣中的SO3反應(yīng)生成NH4HSO4副產(chǎn)品。其可能的反應(yīng)如下[7-9]：

液態(tài)NH4HSO4是一種黏性很強(qiáng)的物質(zhì)，當(dāng)空氣預(yù)熱器冷端部分區(qū)域的煙溫處于NH4HSO4液相區(qū)時(shí)，其表面附著的液態(tài)NH4HSO4黏附飛灰后即造成空氣預(yù)熱器的阻力增加，這種現(xiàn)象嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)氯諝忸A(yù)熱器。根據(jù)Richard T W等人的研究[10]，當(dāng)氨逃逸量增加到3μL/L以上時(shí)，空氣預(yù)熱器運(yùn)行半年后阻力增大約50%，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

2 脫硝裝置的優(yōu)化調(diào)整

2.1 設(shè)備概況

某燃煤電廠為600 MW機(jī)組，煙氣脫硝裝置采用SCR脫硝工藝，鍋爐設(shè)2套SCR反應(yīng)器，采用液氨作為還原劑，SCR反應(yīng)器在鍋爐省煤器與空氣預(yù)熱器之間布置。煙氣分別進(jìn)入A、B等2個(gè)反應(yīng)器，每個(gè)反應(yīng)器配置3層蜂窩式催化劑。

該電廠在進(jìn)行超低排放改造初期，SCR出口NOx排放值和氨逃逸濃度可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。在進(jìn)行超低排放改造2年后，氨逃逸濃度明顯增加，空氣預(yù)熱器阻力加大，風(fēng)機(jī)裕量不足，嚴(yán)重影響鍋爐的經(jīng)濟(jì)、安全運(yùn)行。

2.2 噴氨系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)

借鑒相關(guān)SCR噴氨優(yōu)化調(diào)整的經(jīng)驗(yàn)[11-12]，我們進(jìn)行了本項(xiàng)目調(diào)整試驗(yàn)。采用調(diào)整氨噴射系統(tǒng)各支管氨流量的方法，減小反應(yīng)器入口氨氮摩爾比的分布偏差，提高氨濃度分布的均勻性，使NH3與NOx充分混合，從而降低反應(yīng)器出口氨逃逸量，避免過(guò)量噴氨使氨逃逸濃度偏高，產(chǎn)生的NH4HSO4造成空氣預(yù)熱器堵塞和冷端腐蝕，為脫硝裝置的高效安全運(yùn)行提供保障。

在進(jìn)行SCR噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)中，通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的噴氨量，在脫硝裝置的脫硝效率達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)值后，測(cè)量反應(yīng)器進(jìn)出口NOx/O2質(zhì)量濃度。根據(jù)反應(yīng)器出口截面的NOx質(zhì)量濃度及出口NH3質(zhì)量濃度分布，調(diào)整各氨氣噴嘴閥門(mén)的開(kāi)度值，使得氨氣噴嘴流量與煙氣中NOx含量匹配。由于設(shè)計(jì)和實(shí)際情況有一定的偏差，需要根據(jù)入口NOx質(zhì)量濃度和出口NOx質(zhì)量濃度實(shí)際分布情況調(diào)整噴氨分配閥。NOx分布情況的測(cè)量為網(wǎng)格法測(cè)量，其調(diào)整過(guò)程為一個(gè)反復(fù)的過(guò)程。用便攜式煙氣分析儀在SCR煙道出口測(cè)試孔處測(cè)試NOx質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)噴氨分配閥流量，從而使出口測(cè)試孔處測(cè)得的NOx質(zhì)量濃度均勻分布。

通過(guò)出口NO質(zhì)量濃度的標(biāo)準(zhǔn)偏差Cv來(lái)判別脫硝反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度分布的均勻性，標(biāo)準(zhǔn)偏差Cv值一般控制在設(shè)計(jì)目標(biāo)15%以?xún)?nèi)，其計(jì)算方法為

2.3 測(cè)量方法

2.3.1 NOx質(zhì)量濃度分布

在SCR反應(yīng)器的進(jìn)口煙道截面和出口煙道截面，分別采用等面積網(wǎng)格法布置煙氣取樣點(diǎn)。同時(shí)在反應(yīng)器的進(jìn)出口逐點(diǎn)采集煙氣樣品，分析煙氣中的NO質(zhì)量濃度，以得到煙道截面的NOx質(zhì)量濃度分布情況。

2.3.2 NH3質(zhì)量濃度分布

在SCR反應(yīng)器的出口截面，用網(wǎng)格法布置煙氣取樣點(diǎn)。煙氣經(jīng)取樣槍引出至煙道外，接入傅里葉紅外煙氣分析儀檢測(cè)煙氣中NH3的質(zhì)量濃度。

2.4 調(diào)整方法

在機(jī)組固定負(fù)荷情況下，分別測(cè)試18個(gè)測(cè)試孔煙氣NO的質(zhì)量濃度及氧量，然后根據(jù)稀釋風(fēng)量和測(cè)量的數(shù)據(jù)對(duì)各噴氨閥門(mén)進(jìn)行調(diào)整。

2.4.1 測(cè)點(diǎn)的布置

根據(jù)反應(yīng)器出口測(cè)量格柵測(cè)點(diǎn)的布置情況以及對(duì)應(yīng)關(guān)系，將煙道截面劃分成相應(yīng)的小區(qū)域，根據(jù)閥門(mén)與小區(qū)域之間的相互關(guān)系進(jìn)行測(cè)點(diǎn)的布置。

2.4.2 NOx質(zhì)量濃度測(cè)試

NOx質(zhì)量濃度測(cè)試時(shí)，保持機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，SCR噴氨量一定，測(cè)量A、B反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度，計(jì)算反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差，得到出口NOx質(zhì)量濃度場(chǎng)分布情況。

如果NOx質(zhì)量濃度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差＞15%，對(duì)偏差較大的區(qū)域噴氨手動(dòng)門(mén)進(jìn)行微調(diào)，然后再對(duì)A、B反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度進(jìn)行測(cè)試，將測(cè)試結(jié)果與前一次測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

計(jì)算A、B反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度平均值Ca，計(jì)算每個(gè)小區(qū)域NOx質(zhì)量濃度的平均值，設(shè)為Ci（i=1，2，3，4…），對(duì)比Ci和Ca，如果Ci＞Ca，把i閥門(mén)開(kāi)大，如果Ci＜Ca，把i閥門(mén)開(kāi)小，數(shù)值接近，可進(jìn)行微調(diào)或不調(diào)節(jié)。

重復(fù)進(jìn)行以上步驟，對(duì)A、B反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，直到出口NOx質(zhì)量濃度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差＜15%，NOx濃度均勻性得到明顯改善為止。

2.5 優(yōu)化結(jié)果及分析

2.5.1 摸底試驗(yàn)

在鍋爐負(fù)荷580 MW工況下，對(duì)SCR進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整前的整體數(shù)據(jù)摸底試驗(yàn)。A、B反應(yīng)器出口各9個(gè)測(cè)孔，分別為A01至A09、B01至B09，從煙道A外側(cè)往爐膛中心線(xiàn)在測(cè)點(diǎn)處進(jìn)行測(cè)試。

在機(jī)組580 MW負(fù)荷時(shí)，在A側(cè)SCR出口處對(duì)NOx質(zhì)量濃度進(jìn)行測(cè)試，NOx質(zhì)量濃度平均為32.1 mg/m3，標(biāo)準(zhǔn)偏差Cv值為27.72%。B側(cè)SCR出口NOx的平均質(zhì)量濃度為20.7 mg/m3，標(biāo)準(zhǔn)偏差CV值為55.78%。根據(jù)摸底數(shù)據(jù)得出，2臺(tái)反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度沿?zé)煹缹挾燃吧疃确较虿痪鶆?，尤其B側(cè)煙道外側(cè)墻部局域，深部位置NOx質(zhì)量濃度偏高，淺部位置明顯偏低，A側(cè)出口NOx質(zhì)量濃度最大值46.9 mg/m3，最小值21.3 mg/m3。B側(cè)出口NOx質(zhì)量濃度最大值43 mg/m3，最小值6.0 mg/m3。

2.5.2 優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)

根據(jù)實(shí)測(cè)的SCR反應(yīng)器出口截面NOx質(zhì)量濃度分布情況，我們對(duì)噴氨支管的手動(dòng)閥開(kāi)度進(jìn)行多輪調(diào)整，最大限度提高SCR反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度分布的均勻性。在鍋爐負(fù)荷580 MW工況時(shí)，對(duì)SCR反應(yīng)器進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)。

噴氨優(yōu)化調(diào)整后SCR反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度分布均勻性得到明顯改善，優(yōu)化后的相對(duì)偏差CV值呈減小趨勢(shì)，NOx濃度分布也逐漸趨于均勻。

經(jīng)過(guò)噴氨優(yōu)化調(diào)整后，A側(cè)SCR出口NOx質(zhì)量濃度平均值為53.8 mg/m3，標(biāo)準(zhǔn)偏差CV值為12.53%。B側(cè)SCR出口NOx質(zhì)量濃度平均值為47.7 mg/m3，標(biāo)準(zhǔn)偏差Cv值為14.52%。

3 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)對(duì)脫硝出口數(shù)據(jù)的多次測(cè)量和分配閥的多次調(diào)整，SCR反應(yīng)器出口A側(cè)NOx質(zhì)量濃度分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差值由調(diào)整前的27.72%提高到調(diào)整后的12.53%，均勻度提高了15.73%；B側(cè)NOx質(zhì)量濃度分布標(biāo)準(zhǔn)偏差值由調(diào)整前的55.78%提高到調(diào)整后的14.52%，均勻度提高了42.29%。反應(yīng)器出口截面NOx質(zhì)量濃度分布均勻性得到明顯改善，有效控制了氨逃逸。

SCR內(nèi)部流場(chǎng)不均以及噴氨格柵結(jié)構(gòu)會(huì)影響SCR出口NOx質(zhì)量濃度的分布，應(yīng)在后期優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)施改進(jìn)后噴氨格柵結(jié)構(gòu)及其布置方式，實(shí)現(xiàn)分區(qū)調(diào)整，改進(jìn)內(nèi)部流場(chǎng)分布[13]。

為了提高SCR氨濃度分布的均勻性，使NH3與NOx充分混合，降低反應(yīng)器出口氨逃逸量，減少空氣預(yù)熱器的堵塞，建議定期進(jìn)行噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)。