某電廠330 MW 機(jī)組低溫氧化脫硝裝置性能評(píng)價(jià)

馬希紅 李雷鳴 寧建軍 王建國(guó) 樊孝華

（1 河北建投宣化熱電有限責(zé)任公司 河北張家口 075100 2 河北建投能源科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 河北石家莊 050056）

0 引言

隨著環(huán)境形勢(shì)的日趨嚴(yán)峻和人民群眾對(duì)環(huán)境質(zhì)量的關(guān)注度越來(lái)越高，國(guó)家已經(jīng)將生態(tài)文明建設(shè)提升到戰(zhàn)略高度。作為我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的主要組成部分和煤炭消耗大戶，火電行業(yè)實(shí)現(xiàn)燃煤清潔利用對(duì)促進(jìn)生態(tài)環(huán)境改善具有重要意義。自《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014—2020 年）》實(shí)施后，為滿足NOx 達(dá)到50 mg/m3的排放限值，國(guó)內(nèi)很多電廠都對(duì)機(jī)組進(jìn)行了低氮燃燒調(diào)整、升級(jí)選擇性催化還原裝置等技術(shù)改造［1-2］。然而在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，機(jī)組普遍存在氨逃逸超標(biāo)、空預(yù)器堵塞以及尾部設(shè)施結(jié)垢等問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)绊憴C(jī)組穩(wěn)定安全運(yùn)行［3-4］。在資源和環(huán)境約束加劇、節(jié)能減排政策逐漸嚴(yán)厲的背景下，有必要采取新的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步減排NOX。

近年來(lái)，為解決現(xiàn)有脫硝裝置的弊端，低溫氧化脫硝技術(shù)逐漸受到行業(yè)關(guān)注。低溫氧化脫硝技術(shù)是指在鍋爐尾部將低價(jià)氮氧化為高價(jià)氮，然后被脫硫塔內(nèi)漿液吸收實(shí)現(xiàn)NOX脫除［5］。該技術(shù)理論上運(yùn)用了現(xiàn)有環(huán)保設(shè)施的協(xié)同脫除效應(yīng)，且不會(huì)對(duì)脫硫正常運(yùn)行產(chǎn)生影響，可以作為現(xiàn)有脫硝技術(shù)的補(bǔ)充。然而，現(xiàn)有研究結(jié)論大多來(lái)源于實(shí)驗(yàn)室模擬裝置，工程應(yīng)用數(shù)據(jù)較少，限制了該技術(shù)的發(fā)展。因此，本文以某火電廠為例，對(duì)低溫氧化脫硝裝置的實(shí)際性能進(jìn)行評(píng)價(jià)研究，以期為技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及合理化運(yùn)行調(diào)整提供參考。

1 機(jī)組情況介紹

某電廠1 號(hào)機(jī)組最大發(fā)電量為330 MW［鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量（BMCR）工況］，鍋爐為北京巴布科克·威爾科克斯有限公司制造的亞臨界參數(shù)、自然循環(huán)、前后墻對(duì)沖燃燒方式、一次中間再熱、單爐膛平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、緊身封閉、全鋼構(gòu)架的∏型汽包爐，尾部沿?zé)煔饬飨蝽樞虿贾昧诉x擇性催化還原脫硝裝置、靜電除塵器和濕法煙氣脫硫裝置。原有脫硝在3 層催化劑全部投運(yùn)的情況下，總排口NOX排放濃度部分時(shí)段仍超過(guò)50 mg/m3。為滿足《河北省燃煤電廠深度減排攻堅(jiān)方案》中提出的NOX排放低于30 mg/m3的要求，機(jī)組采用了低溫氧化脫硝工藝，即在引風(fēng)機(jī)出口煙道增設(shè)了臭氧氧化裝置，臭氧采用母管投放，將噴射裝置布置固定在煙道內(nèi)，并增設(shè)煙氣分布器，以保證臭氧與煙氣中的NOX能夠充分接觸而發(fā)生反應(yīng)。氧化后形成的高價(jià)態(tài)NOX進(jìn)入脫硫系統(tǒng)，在噴淋區(qū)與漿液逆流接觸轉(zhuǎn)化成硝酸鹽。1 號(hào)機(jī)組低溫氧化脫硝裝置主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1 所示。

表1 1 號(hào)機(jī)組低溫氧化脫硝裝置設(shè)計(jì)參數(shù)

2 性能評(píng)價(jià)測(cè)試過(guò)程及方法

為了能夠全面反映低溫氧化脫硝裝置性能，評(píng)價(jià)過(guò)程分別在50%BMCR、75%BMCR 和100%BMCR 3 個(gè)工況下進(jìn)行。測(cè)試參數(shù)包括煙氣溫度、全壓、煙氣量、煙氣成分（包括NOX、SO2、SO3）等，采用網(wǎng)格布點(diǎn)法。網(wǎng)格點(diǎn)布置參照《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》（GB/T 16157—1996），測(cè)試位置分別設(shè)在低溫氧化脫硝裝置入口（測(cè)點(diǎn)1）、出口（測(cè)點(diǎn)2）和脫硫出口（測(cè)點(diǎn)3，即機(jī)組總排口），如圖1 所示。O3濃度由Ideal Machine 公司的UV-1000 型分析儀測(cè)量；NOX、SO2、O2等濃度采用Gasmet 公司的DX4000 型傅里葉煙氣分析儀測(cè)試；氨逃逸濃度參照《燃煤電廠煙氣脫硝裝置性能驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)范》（DL/T 260—2012）推薦的靛酚藍(lán)分光光度法測(cè)定；煙氣溫度、全壓以及煙氣量等采用嶗應(yīng)公司的3012H 型分析儀測(cè)試。主要計(jì)算公式如下。

圖1 低溫氧化脫硝裝置性能評(píng)價(jià)測(cè)試位置

脫除效率計(jì)算見(jiàn)式（1）。

式中：c0、c 分別為低溫氧化脫硝裝置入口、出口組分濃度，mg/m3。

壓降計(jì)算見(jiàn)式（2）。

式中：Pin、Pout分別為低溫氧化脫硝裝置入口、出口全壓，Pa。

3 系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)結(jié)果及分析

3.1 NOX 減排和脫硝效率

脫硝效率能夠最直觀表征裝置對(duì)煙氣中NOX的脫除能力。在3 個(gè)工況下，原有脫硝裝置設(shè)定出口NOX濃度為40 mg/m3，向煙道內(nèi)噴射50 kg/h 的臭氧，考察了NOX減排和脫硝效率變化情況，結(jié)果如表2 所示?？梢钥闯?，負(fù)荷在50%～100%BMCR時(shí)，低溫氧化脫硝聯(lián)合脫硫裝置均可以將出口NOx 濃度控制在設(shè)計(jì)值25 mg/m3以下，充分驗(yàn)證了系統(tǒng)的脫硝能力。并且負(fù)荷越低，NOX濃度降低越明顯，脫硝效率也越高，50%負(fù)荷時(shí)NOX排放濃度甚至可以降至10 mg/m3以下。這是由于低負(fù)荷煙氣量小，NOx 濃度偏低，噴入等量臭氧時(shí)，其對(duì)應(yīng)的O3/NOX摩爾比較高所致。研究表明，高O3/NOX摩爾比能促進(jìn)以NO 為主的NOX氧化成更高價(jià)態(tài)，從而更有利于被漿液吸收。

表2 NOx 減排和脫硝效率測(cè)試結(jié)果

3.2 煙氣溫度

臭氧是一種不穩(wěn)定氣體，具有在高溫下快速分解的特性［6-7］，因此在煙氣溫度較高時(shí)無(wú)法及時(shí)氧化NOx，從而降低脫硝效率。研究表明，停留時(shí)間為2 s 時(shí)，溫度從100 ℃升至200 ℃，臭氧自分解率將從2%增加至25%，并且這種效應(yīng)受初始濃度的影響較?。?］。因此，控制煙氣溫度對(duì)提高臭氧利用率至關(guān)重要。不同工況下低溫氧化脫硝裝置入口煙氣溫度測(cè)試結(jié)果如表3 所示，機(jī)組負(fù)荷在50%～100%BMCR 時(shí)，進(jìn)入低溫氧化脫硝裝置的煙氣溫度變化范圍相對(duì)較窄，且最高不超過(guò)123 ℃?？梢钥闯?，煙氣溫度不會(huì)對(duì)低溫氧化脫硝裝置運(yùn)行效果產(chǎn)生明顯影響。

表3 不同工況下低溫氧化脫硝裝置入口煙氣溫度測(cè)試結(jié)果

3.3 氨逃逸濃度

選擇性催化還原裝置投運(yùn)后，氨逃逸濃度一直是機(jī)組運(yùn)行監(jiān)控的重點(diǎn)。氨逃逸濃度超標(biāo)不僅造成氨耗量增加，提高脫硝裝置運(yùn)行成本，而且氨極易在低溫區(qū)域與SO3反應(yīng)形成硫酸氫銨，粘附在空預(yù)器冷端、除塵器極線以及引風(fēng)機(jī)葉片等位置，惡化了機(jī)組運(yùn)行條件。為分析增加低溫氧化裝置對(duì)前端脫硝運(yùn)行的影響，設(shè)定脫硫出口NOX濃度為20 mg/m3，分別檢測(cè)臭氧噴入前后時(shí)段的低溫氧化裝置入口氨逃逸濃度變化，結(jié)果如圖2 所示。在控制相同NOX排放濃度下，僅投運(yùn)選擇性催化還原裝置，氨逃逸濃度最高已經(jīng)超過(guò)了10 mg/m3。雖然低負(fù)荷工況下，由于鍋爐出口NOX總量低、空速小等原因，促進(jìn)噴氨量下降，但最低氨逃逸濃度仍達(dá)到6.17 mg/m3，超過(guò)2.28 mg/m3的設(shè)計(jì)值。噴入臭氧后，通過(guò)降低噴氨量提高前端脫硝裝置出口濃度至40 mg/m3，可以減少氨逃逸至0.62 mg/m3～0.87 mg/m3?？梢钥闯?，投運(yùn)低溫氧化脫硝裝置可以有效降低氨逃逸濃度，不僅有利于節(jié)約氨耗，也可以降低煙風(fēng)系統(tǒng)阻力上升風(fēng)險(xiǎn)，提升機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)性能，延長(zhǎng)檢修周期。

圖2 低溫氧化脫硝裝置投運(yùn)對(duì)氨逃逸的影響

3.4 臭氧耗量

臭氧耗量是影響低溫氧化裝置運(yùn)行成本的關(guān)鍵指標(biāo)?？刂泼撓鹾兔摿虺隹贜OX濃度分別為40 mg/m3、20 mg/m3，測(cè)試了臭氧耗量并計(jì)算了O3/NOX摩爾比，結(jié)果見(jiàn)表4?？梢钥闯?，為實(shí)現(xiàn)尾部約50%的脫硝效率，臭氧實(shí)際耗量為38.35 kg/h～50.13 kg/h，且隨著負(fù)荷的升高而增加，這是由于負(fù)荷越高煙氣量越大，NOX的實(shí)際減排量也越高所致。利用臭氧耗量和NOX減排量計(jì)算O3/NOX摩爾比，范圍為2.30～2.74，均超過(guò)了理論值。研究表明，NO 的氧化過(guò)程為逐級(jí)反應(yīng)，理論上臭氧將NO氧化為NO2所需的O3/NOX摩爾比為1.0，進(jìn)一步氧化成極易溶于水的N2O5所需摩爾比則為2.0［9-10］。由O3/NOX摩爾比的實(shí)際值與理論值對(duì)比推測(cè)，可能是臭氧和煙氣中NOX的混合相對(duì)較差限制了氧化效果。另外，對(duì)比3 個(gè)工況數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)75%BMCR 條件下O3/NOX摩爾比最低，說(shuō)明該工況下臭氧和NOx的混合效果相對(duì)較好。建議電廠后期對(duì)煙氣流動(dòng)特性進(jìn)行分析優(yōu)化，以改善二者混合均勻性，提高臭氧利用率。

表4 臭氧耗量測(cè)試結(jié)果

3.5 壓降

煙氣壓降等同于系統(tǒng)阻力，其大小不僅關(guān)聯(lián)送風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)等主要設(shè)備的選型以及調(diào)整方式，也直接對(duì)整臺(tái)機(jī)組的電耗產(chǎn)生影響。研究表明，對(duì)于300 MW 機(jī)組，其煙風(fēng)系統(tǒng)阻力降低100 Pa，風(fēng)機(jī)電耗將降低約60 kW，廠用電率下降約0.02%［11］。低溫氧化裝置壓降測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 低溫氧化裝置壓降測(cè)試結(jié)果 單位：Pa

由表5 可知，50%～100%BMCR 條件下，煙氣流經(jīng)低溫氧化脫硝裝置的壓降僅為29 Pa～48 Pa，相對(duì)較低且均低于60 Pa 的設(shè)計(jì)值。這與改造前相比，煙道內(nèi)部只增加了臭氧噴射裝置、煙氣均布裝置，不會(huì)對(duì)煙氣流動(dòng)產(chǎn)生明顯阻礙作用，故系統(tǒng)阻力增加相對(duì)較小。另外如前所述，投運(yùn)低溫氧化裝置會(huì)顯著降低氨逃逸濃度，解決了氨逃逸濃度過(guò)高引起的空預(yù)器堵塞問(wèn)題，從而降低整臺(tái)機(jī)組的煙風(fēng)系統(tǒng)阻力，最終實(shí)現(xiàn)引風(fēng)機(jī)功率下降。

4 結(jié)論

對(duì)低溫氧化脫硝裝置進(jìn)行評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)，該裝置結(jié)合濕法脫硫具有較好的脫除NOX能力：在選擇性催化還原裝置出口NOX濃度為40 mg/m3條件下，脫硫出口NOX排放濃度可以降至10 mg/m3以下；50%～100%BMCR 負(fù)荷區(qū)間內(nèi)，煙氣溫度對(duì)該裝置的氧化能力影響較??；噴射臭氧后，氨逃逸濃度顯著下降，不僅節(jié)約了氨耗，而且解決了高氨逃逸對(duì)機(jī)組的負(fù)面影響；煙氣流經(jīng)裝置后的壓降最高僅為48 Pa，表明裝置阻力較小，并且能夠解決空預(yù)器堵塞的問(wèn)題，最終可以降低引風(fēng)機(jī)功率。然而該裝置的臭氧消耗較高，實(shí)際O3/NOX摩爾比超過(guò)了理論值，建議電廠對(duì)臭氧噴射后的煙氣流動(dòng)特性進(jìn)行分析及優(yōu)化，以改善臭氧與NOX混合均勻性，進(jìn)而減少臭氧用量。