300 MW機組噴氨優(yōu)化分析及評估

高 鵬，孟 強，王承亮，王玉敬，呂為智，李劍寧

(1.華電鄒縣發(fā)電有限公司，山東濟寧 273522；2.華電國際電力股份有限公司技術(shù)服務(wù)分公司，濟南 250000；3.上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，上海 200240)

燃煤電廠污染物排放治理一直是近些年來火電領(lǐng)域研究的重點，在治理污染物排放的過程中，從政策層面，國家要求火電機組NOx排放質(zhì)量濃度不超過50 mg/m3，為燃煤電廠的氮氧化物(NOx)排放治理明確了方向和指標(biāo)[1]；從技術(shù)方面，火電機組積極根據(jù)自身煤質(zhì)情況，采取多種手段降低出廠NOx的排放量，爐內(nèi)燃燒側(cè)治理NOx的手段主要是通過低氮燃燒器增加爐內(nèi)還原性氣氛，從而抑制NOx的生成，在尾部煙道采用選擇性催化還原(SCR)技術(shù)，對煙氣中NOx進行脫除，通過使用催化劑與爐內(nèi)噴氨的手段，最終使NOx排放質(zhì)量濃度低于50 mg/m3。

在污染物排放治理的同時，由于火電形勢的變化，在火電機組運行方面，也有一些其他政策性的指導(dǎo)。2016年6月，國家能源局發(fā)布第一批火電靈活性改造試點項目的通知，確定丹東電廠等16個項目為提升火電靈活性改造試點項目，由此拉開了火電機組靈活性深度調(diào)峰改造的序幕。

在超低排放和深度調(diào)峰的政策要求下，為追求經(jīng)濟側(cè)盈利，降低燃料成本，機組燃燒實際煤質(zhì)大幅偏離設(shè)計值，對于已經(jīng)進行SCR脫硝改造后的機組，均存在不同程度的噴氨過量、負(fù)荷頻繁波動、SCR脫硝反應(yīng)器煙溫不足、煙氣含硫量偏高等現(xiàn)象，引起 NH3和NOx混合不均、SO2氧化率過大、噴氨控制協(xié)調(diào)落后、氨逃逸率過大等問題，最終造成SCR脫硝系統(tǒng)下游空氣預(yù)熱器(簡稱空預(yù)器)側(cè)堵塞[2]，影響機組運行的經(jīng)濟性和安全性。

針對目前燃煤機組在噴氨優(yōu)化方面的工作，方朝君等[3]就某600 MW機組進行脫硝出入口NO和NH3質(zhì)量濃度分布測量，并對噴氨格柵支管進行優(yōu)化調(diào)整，優(yōu)化后A、B側(cè)出口NOx質(zhì)量濃度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差都降至8%以內(nèi)；梁俊杰等[4]對國內(nèi)多臺燃煤機組進行匯總分析，就噴氨全過程的數(shù)據(jù)進行分析，并尋求共性規(guī)律，為脫硝優(yōu)化調(diào)整提供了理論分析支撐；劉建航等[5]對某300 MW機組進行燃燒側(cè)的優(yōu)化調(diào)整，通過空氣分級手段主動降低NOx質(zhì)量濃度，實現(xiàn)整體噴氨量的下降；齊曉輝等[6]重點針對噴氨格柵的噴口進行優(yōu)化，提高了SCR脫硝系統(tǒng)中煙氣速度分布和氨濃度分布的均勻性。

綜上所述，燃煤機組在一段時間的運行后，均出現(xiàn)不同程度的NOx質(zhì)量濃度偏差，通過脫硝側(cè)噴氨優(yōu)化調(diào)整可實現(xiàn)機組氨氮濃度在SCR脫硝反應(yīng)器內(nèi)的均勻分布，有利于減少后期運行中的氨量并緩解下游空預(yù)器的堵塞情況。

1 機組概況

某電廠機組鍋爐為亞臨界壓力中間一次再熱控制循環(huán)鍋爐，鍋爐為П形布置，平衡通風(fēng)，四角噴燃。爐前布置3臺低壓頭爐水循環(huán)泵，機組SCR煙氣脫硝裝置設(shè)置2臺反應(yīng)器，布置在省煤器和空預(yù)器之間，每臺反應(yīng)器的截面尺寸為13 480 mm×12 010 mm，反應(yīng)器內(nèi)催化劑按照“2+1”模式布置，脫硝還原劑采用液氨，氨氣與稀釋風(fēng)混合后，通過布置在SCR脫硝反應(yīng)器入口煙道截面上的噴氨格柵噴口噴入SCR脫硝反應(yīng)器煙道中，每臺SCR脫硝反應(yīng)器在入口垂直煙道上沿寬度方向上布置噴氨管，每側(cè)分12組，每組又分為2根支管伸入煙道內(nèi)不同深度。每組噴氨支管上安裝了1個手動調(diào)節(jié)閥，通過調(diào)節(jié)閥門開度，實現(xiàn)沿反應(yīng)器寬度和深度方向上噴氨量分區(qū)控制(見圖1)。

圖1 測點分布示意圖

2 試驗內(nèi)容及工況設(shè)計

按照電站鍋爐性能試驗規(guī)程要求，機組SCR噴氨優(yōu)化試驗主要分摸底試驗、高負(fù)荷噴氨優(yōu)化試驗及其余負(fù)荷噴氨優(yōu)化試驗3個部分。

2.1 摸底試驗

在高負(fù)荷工況下，對機組運行工況進行摸底，主要測量NOx質(zhì)量濃度分布。摸底試驗旨在作為基準(zhǔn)工況，為后續(xù)優(yōu)化試驗提供對比基礎(chǔ)。

2.2 高負(fù)荷噴氨優(yōu)化試驗

在高負(fù)荷下，根據(jù)SCR脫硝反應(yīng)器出口截面的NOx質(zhì)量濃度分布，對反應(yīng)器進口的噴氨格柵手動蝶閥開度進行調(diào)節(jié)，最大限度提高反應(yīng)器出口的NOx質(zhì)量濃度分布均勻性。

2.3 其余負(fù)荷噴氨優(yōu)化試驗

根據(jù)優(yōu)化后的噴氨支管手動閥開度，在中低負(fù)荷進行噴氨效果校驗。

A、B兩側(cè)SCR脫硝反應(yīng)器沿寬度方向各有7個測孔，沿除塵器至鍋爐本體方向分別編號A1～A7、B1～B7，其中，A2和B2兩個測孔已被業(yè)主測試儀器占用，A7和B7兩個測孔處于邊緣斜煙道區(qū)域。由于流場分布原因，NOx質(zhì)量濃度基本不變，因此本次試驗未將A2、B2、A7、B7測孔考慮在內(nèi)。測孔位置及分布見圖2。噴氨優(yōu)化試驗測點及測量項目見表1。

圖2 網(wǎng)格法測點布置

表1 噴氨優(yōu)化試驗測點及測量項目

在SCR脫硝反應(yīng)器出入口，同時采用網(wǎng)格進行法逐點煙氣取樣，采用德圖testo350多功能煙氣分析儀分析NO和O2，采用加權(quán)平均法計算SCR脫硝反應(yīng)器出入口的NO濃度(干基、NO體積分?jǐn)?shù)為95%、O2體積分?jǐn)?shù)為6%，下同)。在SCR脫硝反應(yīng)器出口截面進行多點煙氣取樣，以硫酸為吸收溶液采集氨樣品，并記錄所采集的煙氣流量和O2濃度。利用離子光譜法分析氨溶液中的NH3濃度，并根據(jù)煙氣流量，計算煙氣中NH3濃度。煙氣溫度測量按照等截面網(wǎng)格法，利用經(jīng)校驗合格的Ⅱ級精度K形鎧裝熱電偶和單點溫度計，測量煙道截面的煙氣溫度分布。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 摸底試驗

在機組255 MW負(fù)荷下進行摸底試驗，基于NOx體積分?jǐn)?shù)試驗結(jié)果初步評估SCR脫硝系統(tǒng)現(xiàn)狀，主要包括NOx質(zhì)量濃度分布及O2質(zhì)量濃度分布，摸底試驗工況數(shù)據(jù)匯總見圖3。

圖3 摸底試驗測點NOx體積分?jǐn)?shù)分布

從圖3可以看出，A、B兩側(cè)SCR脫硝反應(yīng)器NOx質(zhì)量濃度沿寬度和深度方向呈現(xiàn)不均勻分布。具體表現(xiàn)為：A側(cè)SCR脫硝反應(yīng)器出口在寬度方向靠近鍋爐本體側(cè)NOx質(zhì)量濃度明顯偏低，靠除塵器側(cè)NOx質(zhì)量濃度明顯偏高，A側(cè)出口截面NOx平均質(zhì)量濃度為23.2 mg/m3，最高質(zhì)量濃度為49.9 mg/m3，最低質(zhì)量濃度為10.19 mg/m3，整個截面出口NOx質(zhì)量濃度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為51.7%，A側(cè)平均氨逃逸體積分?jǐn)?shù)為2.10×10-6；B側(cè)SCR脫硝反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度分布正好相反，在寬度方向靠近鍋爐本體側(cè)區(qū)域NOx質(zhì)量濃度明顯偏高，靠近除塵器側(cè)區(qū)域NOx質(zhì)量濃度明顯偏低，B側(cè)出口截面NOx平均質(zhì)量濃度為33.6 mg/m3，最高質(zhì)量濃度為55.1 mg/m3，最低質(zhì)量濃度為20.53 mg/m3，整個截面出口NOx質(zhì)量濃度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為28.0%，B側(cè)平均氨逃逸體積分?jǐn)?shù)為3.10×10-6。A、B側(cè)NOx質(zhì)量濃度分布相反，分析原因為煙氣從省煤器出口分成兩股分別對稱進入A、B側(cè)SCR脫硝反應(yīng)器，因此煙道出口NOx分布呈對稱分布，后期建議對機組進行流場導(dǎo)流優(yōu)化。

3.2 噴氨優(yōu)化試驗

3.2.1 高負(fù)荷噴氨優(yōu)化試驗

1號機組噴氨優(yōu)化試驗在290 MW負(fù)荷進行，主要調(diào)整原則是控制SCR脫硝反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度在50 mg/m3以內(nèi)。在滿足環(huán)保要求的前提下，根據(jù)實測SCR脫硝反應(yīng)器出口截面NOx體積分?jǐn)?shù)分布情況，對噴氨格柵各支管手動閥開度進行多次調(diào)整，通過開大關(guān)小的方式，直至SCR脫硝反應(yīng)器出口截面NOx體積分?jǐn)?shù)分布均勻性達到合理狀況。1號機組整個優(yōu)化調(diào)整過程進行4次，噴氨優(yōu)化試驗過程中SCR脫硝反應(yīng)器出口NOx體積分?jǐn)?shù)分布見圖4～圖7。

圖4 第1次調(diào)整試驗試驗測點NOx體積分?jǐn)?shù)分布

圖5 第2次調(diào)整試驗試驗測點NOx體積分?jǐn)?shù)分布

圖6 第3次調(diào)整試驗試驗測點NOx體積分?jǐn)?shù)分布

圖7 第4次調(diào)整試驗試驗測點NOx體積分?jǐn)?shù)分布

4次調(diào)整優(yōu)化試驗主要是以摸底工況為基準(zhǔn)，通過控制SCR脫硝反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度偏差，逐次調(diào)整至SCR脫硝反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差低于15%的目標(biāo)要求。

圖8顯示了A、B側(cè)NOx質(zhì)量濃度在試驗過程中的變化過程。從圖8可以看出：隨著噴氨優(yōu)化調(diào)整過程的深入，A、B兩側(cè)SCR脫硝反應(yīng)器出口截面NOx平均質(zhì)量濃度基本不變，經(jīng)測算，A側(cè)SCR脫硝反應(yīng)器出口截面NOx質(zhì)量濃度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差由摸底試驗工況的51.7%降低至8.4%，B側(cè)SCR脫硝反應(yīng)器出口截面NOx質(zhì)量濃度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差由摸底試驗工況的28.0%降低至9.8%，A、B側(cè)SCR脫硝反應(yīng)器出口截面NOx平均質(zhì)量濃度保持在40 mg/m3左右，其分布逐漸趨于均勻。經(jīng)過4次噴氨優(yōu)化調(diào)整后，A、B側(cè)平均氨逃逸體積分?jǐn)?shù)由調(diào)整前的2.10×10-6、3.10×10-6分別降低至0.30×10-6、1.83×10-6。

圖8 4次調(diào)整試驗試驗測點NOx質(zhì)量濃度分布

3.2.2 其余負(fù)荷噴氨優(yōu)化試驗

在高負(fù)荷的調(diào)整基礎(chǔ)上，為全面掌握優(yōu)化調(diào)整效果，針對優(yōu)化后的噴氨支管手動閥開度，在機組255 MW及210 MW負(fù)荷下，對A、B兩側(cè)SCR脫硝反應(yīng)器出口NOx體積分?jǐn)?shù)進行校驗測試，測試結(jié)果見圖9、圖10。

圖9 255 MW試驗測點NOx體積分?jǐn)?shù)分布

圖10 210 MW試驗測點NOx體積分?jǐn)?shù)分布

從圖9和圖10可以看出：1號機組在經(jīng)過噴氨優(yōu)化調(diào)整后，A、B兩側(cè)SCR脫硝反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度分布均勻性得到了明顯的提高和改善。高、中、低負(fù)荷運行時，SCR脫硝反應(yīng)器出口未出現(xiàn)局部NOx質(zhì)量濃度過高或過低、氨逃逸體積分?jǐn)?shù)局部偏高等現(xiàn)象。

3.3 噴氨優(yōu)化試驗評估

3.3.1 脫硝效率及氨逃逸評估

根據(jù)1號機組在290 MW、255 MW和210 MW負(fù)荷下噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗對脫硝效率與氨逃逸進行評估，結(jié)果見表2。

表2 脫硝效率及氨逃逸匯總

從表2可以看出：各負(fù)荷段下SCR反應(yīng)器的A側(cè)和B側(cè)NOx質(zhì)量濃度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均控制在15%以下，噴氨優(yōu)化調(diào)整后，290 MW負(fù)荷下，機組SCR脫硝反應(yīng)器出口截面NOx質(zhì)量濃度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差從最高51.7%下降到8.4%，SCR脫硝反應(yīng)器脫硝效率A、B側(cè)分別為82.3%、83.9%，基本恢復(fù)到設(shè)計值。

3.3.2 脫硝系統(tǒng)阻力測試

針對1號機組在290 MW下的SCR脫硝系統(tǒng)阻力進行測試，結(jié)果見表3。

表3 290 MW下SCR脫硝系統(tǒng)阻力測試

從表3可以看出：噴氨優(yōu)化調(diào)整后，機組SCR脫硝系統(tǒng)阻力A、B側(cè)分別維持在1 053 Pa、941 Pa，基本恢復(fù)到設(shè)計值。總體來看，經(jīng)過手動噴氨優(yōu)化調(diào)整，在保證NOx質(zhì)量濃度不超標(biāo)的情況下，首先通過噴氨總量控制A、B側(cè)NOx質(zhì)量濃度的主要偏差，其次分別針對每側(cè)沿寬度方向的偏差分別進行優(yōu)化調(diào)整后，調(diào)整效果良好，噴氨優(yōu)化調(diào)整后對當(dāng)前煤種下機組高、中、低負(fù)荷的適應(yīng)性較好。

4 結(jié)語

通過對300 MW機組SCR脫硝裝置進行噴氨優(yōu)化調(diào)整，得到如下結(jié)論：

(1)現(xiàn)行機組運行由于煤質(zhì)變化、負(fù)荷波動等因素，SCR脫硝反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度偏差較大，摸底試驗中，A、B側(cè)出口NOx質(zhì)量濃度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為51.7%和28%。

(2)在290 MW負(fù)荷下機組進行噴氨優(yōu)化，A側(cè)SCR脫硝反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差由摸底試驗工況的51.7%降低至8.4%，B側(cè)SCR脫硝反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差由摸底試驗工況的28.0%降低至9.8%，A、B側(cè)平均氨逃逸體積分?jǐn)?shù)由調(diào)整前的2.10×10-6、3.10×10-6分別降低至0.30×10-6、1.83×10-6。

(3)噴氨優(yōu)化調(diào)整后，對中低負(fù)荷進行校驗，SCR脫硝反應(yīng)器出口未出現(xiàn)局部NOx質(zhì)量濃度偏差過大和氨逃逸率過大等現(xiàn)象，對機組全工況下的脫硝運行適應(yīng)性較好。

(4)噴氨優(yōu)化調(diào)整后，脫硝效率及反應(yīng)器煙氣側(cè)阻力基本恢復(fù)到設(shè)計值，有利于機組設(shè)備的長期運行和壽命維護。