鍋爐脫硝噴氨系統(tǒng)均勻性優(yōu)化研究與應(yīng)用

董志強(qiáng)

(山西臨汾熱電有限公司，臨汾 041000)

0 引 言

隨著我國對環(huán)境保護(hù)政策要求的逐年提高，火電機(jī)組排放煙氣中的NOx已納入嚴(yán)格監(jiān)管，因此，如何開發(fā)出高效的、可靠的、經(jīng)濟(jì)的煙氣脫硝技術(shù)已迫在眉睫。選擇性催化還原法(SCR)的煙氣脫硝技術(shù)因其具有很高的脫硝率(可達(dá)90%以上)、技術(shù)可靠、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)已成為燃煤電站鍋爐控制NOx排放的主要選擇。但由于SCR常用還原劑為NH3，導(dǎo)致SCR脫硝設(shè)備出口不可避免存在未反應(yīng)的氨，稱之為氨逃逸。逃逸的氨在尾部煙道中與三氧化硫反應(yīng)生成粘結(jié)性的硫酸銨/硫酸氫銨，易造成空預(yù)器以及尾部煙道腐蝕及積灰堵塞。氨利用率的不均勻性是導(dǎo)致氨逃逸率偏大的重要因素，不均勻性的形成因素包括噴氨口噴氨不均勻、流場流動不均勻、催化劑催化效果不均勻等。

1 設(shè)備概況

某300 MW機(jī)組鍋爐型號為DG1060/17.4-Ⅱ4，是由東方鍋爐股份有限公司制造的亞臨界自然循環(huán)汽包爐、單爐膛、∏型布置、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)、爐頂帶金屬防雨罩。脫硝裝置與主機(jī)同步設(shè)計(jì)、同步施工完成，采用選擇性催化還原法(SCR)脫硝裝置，每臺爐安裝有兩臺SCR反應(yīng)器，左右兩側(cè)結(jié)構(gòu)完全一致。單側(cè)煙氣流量Q=520 766.5 Nm3/h；煙氣溫度t=374 ℃。單側(cè)噴氨量為73.8 m3/h，稀釋風(fēng)量1 402.2 m3/h，溫度20 ℃。高溫?zé)煔怆x開省煤器后，沿?zé)煹老蛳逻M(jìn)入脫硝系統(tǒng)，經(jīng)過90°轉(zhuǎn)向進(jìn)入水平段，水平煙道布置斜置的大小口。煙氣經(jīng)斜置大小口后，接90°轉(zhuǎn)向段，進(jìn)入豎直向上的煙道，在豎直段煙道上部布置噴氨格柵，混合定量的氨氣后，煙氣經(jīng)兩個轉(zhuǎn)向段和整流格柵段，進(jìn)入催化劑段發(fā)生脫硝反應(yīng)，脫硝后的凈煙氣進(jìn)入鍋爐空氣預(yù)熱器。

2 現(xiàn)存問題分析及解決方案

1#爐存在噴氨量大，氨逃逸大造成空預(yù)器阻塞導(dǎo)致運(yùn)行阻力大，SCR出口幾個測點(diǎn)氮氧化物濃度不一致，脫硝出口NOx值與煙囪入口NOx值不對應(yīng)，變負(fù)荷時(shí)煙囪入口NOx值響應(yīng)慢導(dǎo)致噴氨無法投自動等問題。解決上述問題分三步進(jìn)行：(1)通過模擬SCR煙氣流場，對現(xiàn)有煙道結(jié)構(gòu)內(nèi)煙氣流場分布進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)噴氨管道等壓優(yōu)化方案和噴氨格柵后加裝氨-煙擾流混態(tài)發(fā)生器解決噴氨不均勻以及氨與煙氣混合不均勻的問題；(2)在SCR出口網(wǎng)格法布置多點(diǎn)采樣，通過試驗(yàn)分析，最終確定具有代表性的測點(diǎn)；(3)進(jìn)行噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)，選取具有代表性的測點(diǎn)，使得脫硝出口NOx值與煙囪入口NOx值接近，使用脫硝出口NOx值來控制噴氨，煙囪入口NOx值作為調(diào)節(jié)限值。

3 研究與革新內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 噴氨管道優(yōu)化

SCR噴氨管道長度較長，一般設(shè)計(jì)為通長等直徑，每經(jīng)過一根噴氨直管其管道內(nèi)的流量都會減少，這樣就造成了噴氨管道在每個支管處的壓力不一致，導(dǎo)致噴氨支管的流速不一致，從而使得噴氨格柵截面氨氣分布不均。同時(shí)，我們注意到噴氨管道管徑僅為270 mm。噴氨管徑太小不僅會造成流通阻力大，而且會進(jìn)一步增加噴氨管道內(nèi)各分支管段壓力的衰減，導(dǎo)致噴氨支管內(nèi)流量不均勻。對噴氨管道采用等壓力設(shè)計(jì)，使得噴氨管道長度方向各處的流速基本一致，保證噴氨支管的流速基本一致，進(jìn)而使得噴氨格柵截面氨氣分布均勻。改造方案如圖1所示。

圖1 改造方案示意圖

3.2 噴氨后加裝氨-煙擾流混態(tài)發(fā)生器

現(xiàn)有國內(nèi)SCR脫硝設(shè)備煙道進(jìn)口的煙氣速度場及成分濃度場分布是不均勻的，一般采用在AIG(噴氨格柵)前面加裝導(dǎo)流板來消除煙氣的速度偏差，但煙氣成分的濃度偏差(主要指NH3與NOX混合不均勻)難以用該設(shè)備消除，因此AIG到催化劑之間的煙道長度必須足夠長，才能保證足夠的煙氣擴(kuò)散、稀釋和混合時(shí)間。然而現(xiàn)有系統(tǒng)的煙道都較短，無法使NH3與NOX充分混合，使進(jìn)入催化劑的NH3/NOX(物質(zhì)的量比)均勻性不盡如人意。因此提出了在AIG后面加裝氨-煙擾流混態(tài)發(fā)生器，用以改善SCR反應(yīng)器入口處的煙氣速度分布及NH3/NOX分布的均勻性。改造方案如圖2所示。

3.3 全截面均布式取樣系統(tǒng)

SCR出口煙氣取樣裝置，采用網(wǎng)格法在多點(diǎn)分別取樣，用以分析SCR出口截面不同區(qū)域的NOx和NH3濃度分布情況，通過噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)確定具有代表性的測點(diǎn)，使脫硝出口NOx值與煙囪入口NOx值接近一致。

3.4 噴氨優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

SCR流場優(yōu)化可以達(dá)到脫硝出口NOx濃度場分布基本均勻，脫硝出口氨逃逸達(dá)標(biāo)，進(jìn)而解決空預(yù)器因氨逃逸大而堵塞的目的。通過噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)，使得SCR出口各測點(diǎn)NOx值區(qū)域均勻，并選取具有代表性的測點(diǎn)使得脫硝出口NOx值與煙囪入口NOx值接近一致，使用脫硝出口NOx值來控制噴氨，煙囪入口NOx值作為調(diào)節(jié)限值。

圖2 改造方案示意圖

(1)通過模擬SCR煙氣流場，對現(xiàn)有煙道結(jié)構(gòu)內(nèi)煙氣流場分布進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)噴氨管道等壓優(yōu)化方案和噴氨格柵后加裝氨-煙擾流混態(tài)發(fā)生器解決噴氨不均勻以及氨與煙氣混合不均勻的問題；

優(yōu)化后SCR出口各測點(diǎn)NOx的均勻性增強(qiáng)，便于進(jìn)行噴氨優(yōu)化實(shí)驗(yàn)調(diào)整。

(2)在SCR出口安裝全截面均布式取樣系統(tǒng)，通過試驗(yàn)分析，對SCR出口氨逃逸進(jìn)行精準(zhǔn)測量，并最終確定具有代表性的NOx測點(diǎn)，并可指導(dǎo)噴氨投運(yùn)；

(3)進(jìn)行噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)，選取具有代表性的測點(diǎn)，使得脫硝出口NOx值與煙囪入口NOx值接近，優(yōu)化噴氨控制，使用脫硝出口NOx值來控制噴氨，煙囪入口NOx值作為調(diào)節(jié)限值。

改造后解決噴氨不均勻以及氨與煙氣混合不均勻的問題，改造后噴氨區(qū)域流場分布均勻，氨與煙氣混合均勻；改造后脫硝出口氮氧化物濃度標(biāo)準(zhǔn)偏差明顯降低，降低氨逃逸率。

4 結(jié)束語

#1爐脫硝噴氨系統(tǒng)均勻性優(yōu)化綜合改造前后各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，#1機(jī)組脫硝噴氨優(yōu)化改造后，機(jī)組噴氨量至少下降10%，噴氨量減少，反應(yīng)效率增加，可以使NH3逃逸降低，進(jìn)而空預(yù)器、布袋除塵器因硫酸氫銨堵塞的問題明顯緩解。

通過脫硝系統(tǒng)優(yōu)化均勻性優(yōu)化改造，按照#1爐日噴氨量下降238 m3，年運(yùn)行時(shí)間7 200 h，氨的價(jià)格3 500元/t計(jì)算，每年可節(jié)約費(fèi)用18萬元。且改造后可緩解空預(yù)器堵塞的問題，提高機(jī)組接帶負(fù)荷能力，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益。在國內(nèi)同類供熱機(jī)組具有良好的示范效應(yīng)及推廣前景。