脫硝系統(tǒng)流場優(yōu)化在330 MW 機組上的實踐

黃權(quán)浩，趙光耀，蘭艷旭，黃耀遠，朱映健

（沙角A 電廠，廣東 東莞 523936）

0 引言

硫酸氫銨對鍋爐島尾部設(shè)備的正常運行維護會產(chǎn)生很多負面的影響，如空氣預(yù)熱器堵塞、引風機故障等，嚴重時會對機組安全運行造成威脅。隨著煙氣超低排放應(yīng)用的全面普及，火力發(fā)電廠面臨的硫酸氫銨防治問題將變得越來越嚴峻。硫酸氫銨的形成與煙氣流場不均、催化劑老化等因素有關(guān)[1]，其中煙氣流場不均會造成局部噴氨量偏大，容易產(chǎn)生硫酸氫銨，該問題在很多發(fā)電廠的脫硝系統(tǒng)中普遍存在。SCR（選擇性催化還原）脫硝反應(yīng)器流場分布特性將直接影響脫硝反應(yīng)器性能[2]，流場分布的均勻性是脫硝系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素[3]，均勻的流場能夠保證SCR 脫硝系統(tǒng)達到最優(yōu)的脫硝效率，并延長催化劑使用壽命，減少氨逃逸[4]，流場優(yōu)化改造后的脫硝系統(tǒng)進、出口NOX濃度以及氨逃逸量均明顯降低，改造后流場均勻性也比較好[5]。近年來，許多學者通過改造導(dǎo)流板，優(yōu)化導(dǎo)流板以及混合器的布置方式、布置位置等措施來優(yōu)化脫硝反應(yīng)器流場，為脫硝系統(tǒng)中流場優(yōu)化設(shè)計提供參考[6-12]。也有許多學者通過數(shù)值模擬對SCR 反應(yīng)器的流場優(yōu)化進行了研究，通過模型調(diào)控對比等方式，提出煙道設(shè)計的最佳方案，改善了原脫硝煙道的流場分布[13-19]。因此，對脫硝設(shè)備中煙氣流場進行改造是非常必要的，通過改造可以有效降低氨逃逸以及硫酸氫銨的生成，降低硫酸氫銨對SCR 反應(yīng)器下游設(shè)備的負面影響。要降低硫酸氫銨的生成，核心技術(shù)就是強化NOX與NH3的混合，二者混合不均將會極大地降低SCR 脫硝工藝的脫除效率[20]，尤其是對脫硝效率要求較高的SCR 脫硝設(shè)備，必須采用更加有效的流動與混合技術(shù)和設(shè)備才能滿足實際要求[21]。

1 原脫硝系統(tǒng)及其主要問題

1.1 原脫硝系統(tǒng)布置方式

某發(fā)電廠2×330 MW 機組鍋爐為上海鍋爐廠制造的型號為SG-1025/18.3M317 亞臨界壓力，一次中間再熱控制循環(huán)汽包爐，四角切圓燃燒，固態(tài)排渣，平衡通風，全鋼構(gòu)架，露天布置鍋爐；回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器。

該發(fā)電廠于2012—2013 年完成脫硝改造，每臺鍋爐布置2 臺SCR 反應(yīng)器，其入口煙道接自鍋爐省煤器出口煙道，脫硝出口煙道接入空預(yù)器入口煙道；SCR 反應(yīng)器采用2+1 的布置方式，最上面一層為備用層，催化劑型式為蜂窩式，尺寸為1 930 mm×970 mm×1 330 mm，材料采用TiO2/V2O5/WO3。2017—2018 年實施超低排放改造，以進一步降低氮氧化物排放值，在備用層處加裝一層新的催化劑。

1.2 存在問題

（1）由于脫硝催化劑的作用，煙氣SO2向SO3的轉(zhuǎn)化率增加，煙氣酸露點升高，由此加劇空氣預(yù)熱器的酸腐蝕和積灰。

（2）氨逃逸逐步增大。原驗收試驗A 側(cè)和B側(cè)反應(yīng)器對應(yīng)氨逃逸分別為0.63×10-6mg/m3和1.55×10-6mg/m3，氨逃逸滿足性能考核要求，隨著運行時間的增加，實際測得的氨逃逸已經(jīng)達到2.5×10-6mg/m3左右，甚至局部已超過3.0×10-6mg/m3。

（3）流場分布不均。由于整個脫硝系統(tǒng)為改造增加的系統(tǒng)，受場地所限，設(shè)備布置緊湊，導(dǎo)致煙氣流場容易出現(xiàn)不均的情況。另外，隨著煤種、負荷等的變化，使反應(yīng)器入口煙氣流場產(chǎn)生變化，表現(xiàn)在催化劑入口NOX濃度場、溫度場、速度場、煙氣入射角等差異較大，各噴氨嘴的噴氨量不能很好地適應(yīng)這些變化，從而導(dǎo)致局部氨逃逸過大甚至超標，產(chǎn)生的硫酸氫銨含量增大并附著在下游設(shè)備中，使下游設(shè)備尤其是空預(yù)器等發(fā)生腐蝕和堵塞，影響機組安全運行。

（4）機組負荷變化頻繁，噴氨量不能適應(yīng)其變化速度。受電網(wǎng)調(diào)度要求，機組隨時進行負荷調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)速率有時達到5 MW/min，噴氨量的控制不能跟上負荷變化的速度，發(fā)生滯后，噴氨量出現(xiàn)先少后多的情況，導(dǎo)致氨逃逸率增加。

2 改造方案

為了消除原來脫硝催化劑入口處煙氣溫度、NH3/NOX分布的相對標準偏差較大等現(xiàn)象，該發(fā)電廠脫硝流場優(yōu)化采取了以下改造方案：

（1）拆除省煤器出口至催化劑入口彎頭原來的所有導(dǎo)流板及花瓣混合器。

（2）新增一塊導(dǎo)流板。

（3）在省煤器出口煙道變徑處增加FlowART XC 交叉混合器，以增加混合效果。

（4）噴氨格柵上游增加FlowART S2 混合器。

（5）新增扭葉片式和FlowART S1 混合器。如圖1 所示。

圖1 流場優(yōu)化設(shè)計

該設(shè)計的目的就是保證煙氣在催化劑入口處的煙氣流場、溫度場等的均勻性，使催化劑入口處NH3/NOX分布的相對標準偏差降到最低，從而達到降低氨逃逸的效果。

3 測試結(jié)果分析

改造前后的測試分別在改造前10 個月和改造后4 個月進行，對催化劑入口煙溫偏差、催化劑煙氣入口速度偏差、催化劑入口濃度偏差等主要指標進行了對比分析。

3.1 脫硝催化劑入口溫度偏差分析

改造前后各負荷段催化入口A/B 側(cè)溫度最大偏差如表1 所示。

表1 催化劑入口溫差

從表1 可看出，改造后各負荷段催化劑入口煙溫最大偏差相差不大，均在4 ℃左右，比改造前的煙溫最大偏差低了16 ℃。

3.2 催化劑入口速度偏差

改造前后各負荷段催化劑入口A/B 側(cè)速度偏差如表2 所示。

表2 催化劑入口速度偏差

改造后，催化劑入口煙氣速度相對標準偏差有所增加，可能與導(dǎo)流板安裝狀況有關(guān)。

3.3 催化劑入口NOX 濃度偏差

改造前后各負荷段催化劑入口NOX濃度偏差如表3 所示。

表3 催化劑入口NOX 濃度偏差

改造后催化劑入口濃度相對標準偏差中高負荷段A 側(cè)略有上升，而B 側(cè)略有下降；低負荷段A/B 側(cè)的濃度相對標準偏差下降明顯。

3.4 阻力偏差

改造前省煤器出口至催化劑入口阻力為280 Pa，改造后阻力為410 Pa，改造前后阻力增加了130 Pa，阻力增加值符合改造設(shè)計要求。

3.5 與物模結(jié)果對比分析

物模是為了驗證此改造方案的有效性，其結(jié)果為改造后的脫硝系統(tǒng)運行提供重要參考信息。

模型按照1:10 等比例縮小后搭建而成，以流體力學作為理論依據(jù)，按照相似準則進行物模試驗。進入自模化區(qū)時，在引風機風量約8 000 m3/h，11 000 m3/h，13 000 m3/h 3 種不同工況條件下，利用熱線風速儀對噴氨格柵上游截面、催化劑上層截面速度分別進行了數(shù)據(jù)測量；利用氣體分析儀對催化劑上層截面NOX濃度進行了測量；此外，還進行差壓、入射角等的測量。統(tǒng)計3 種工況時測試結(jié)果在趨勢上相仿：噴氨格柵上游截面區(qū)域流速分布較為均勻，相對標準偏差為4%；第一層催化劑上方截面前墻速度稍高，后墻速度稍低，中心區(qū)速度相對均勻，相對標準偏差為8%；第一層催化劑上方截面NOX濃度分布較為均勻，相對標準偏差為3.4%。

顯然，實際改造后，催化劑入口處的濃度相對標準偏差、溫度偏差等與物模結(jié)果相差不多，但催化劑入口的速度偏差比物模偏差偏離較多，是設(shè)計原因還是設(shè)備問題尚待進一步檢查和測試才能明確。

3.6 其他運行參數(shù)對比分析

（1）噴氨量的變化

通過4 號、5 號脫硝噴氨調(diào)節(jié)對比分析，5號爐經(jīng)過脫硝煙道流場優(yōu)化改造后，整個脫硝過程中NH3/NOX混合較為均勻，反應(yīng)較為充分，噴氨量明顯減少。

（2）氨逃逸量的變化

煙道流場優(yōu)化改造后，300 MW 負荷工況下A/B 側(cè)催化劑出口氨逃逸量平均為2.2×103mg/m3和2.5×103mg/m3，比改造前平均3.2 ×103mg/m3和3.6×103mg/m3有明顯下降。

（3）空氣預(yù)熱器壓差變化

2018 年11 月完成空預(yù)器波紋板更換后，300 MW 負荷工況下A/B 側(cè)空預(yù)器壓差為1.4 kPa/1.3 kPa，隨后略有上升，維持在1.5 kPa 左右運行。至2021 年2 月28 日，300 MW 負荷工況下A/B側(cè)空預(yù)器壓差為2.01 kPa/1.77 kPa，經(jīng)過16 個月的運行，空氣預(yù)熱器阻力上升速度非常緩慢。改造前，空預(yù)器往往運行到7 個月時阻力就上升到2.1 kPa 左右，空預(yù)器發(fā)生堵塞，甚至運行4 個月時空預(yù)器就發(fā)生堵塞（超過2.0 kPa）。因此，從改造前后空預(yù)器阻力上升情況對比分析，本次改造對減少氨逃逸和減少空預(yù)器堵塞具有非常明顯的效果。

4 存在問題及解決方案

從以上試驗結(jié)果可看出，本次流場優(yōu)化改造較為成功，但仍存在以下問題需要完善：

（1）速度場偏差較大，造成該偏差的原因尚需進一步檢查和試驗才能明確。

（2）A 側(cè)、B 側(cè)噴氨量很不均勻，晃動很大。由于機組負荷變化較快，負荷常以5 MW/min 的速率變化，噴氨量隨之變化，噴氨量的過大變動對氨氮摩爾比相對偏差的測量結(jié)果影響很大。

（3）氨氮摩爾比較大?？赡芘c改造方案的設(shè)計或設(shè)備故障有關(guān)；各試驗工況A 側(cè)、B 側(cè)噴氨量很不均勻，晃動很大，這對氨氮摩爾比相對偏差的測量結(jié)果影響很大。如300 MW 負荷工況測試時，開始時A 側(cè)、B 側(cè)噴氨量分別為63 kg/h 和57 kg/h，試驗結(jié)束時A 側(cè)、B 側(cè)噴氨量分別為45 kg/h 和53 kg/h，試驗中A 側(cè)噴氨量晃動很大，B側(cè)噴氨量相對晃動較小。

針對以上存在的問題，除利用機組檢修機會對導(dǎo)流板、混合器等進行檢查和調(diào)整外，日常運行中要盡量發(fā)揮低氮燃燒器對NOX的調(diào)節(jié)手段，使催化劑入口處的NOX濃度不超過400 mg/m3運行，以減少噴氨量的波動幅度；另外，對各噴嘴的噴氨量進行優(yōu)化調(diào)節(jié)，即采取提前調(diào)節(jié)的手段進行干預(yù)。該方法目前在應(yīng)用中，已收到一定的效果。

5 結(jié)論

（1）本次脫硝煙氣流場優(yōu)化改造后，NOX濃度場分布的相對標準偏差、溫度場偏差等均符合設(shè)計要求。

（2）改造后氨逃逸濃度明顯下降。

（3）新增的設(shè)備阻力基本小于410 Pa，符合設(shè)計要求。

（4）速度場分布偏差較大，偏離設(shè)計值，需要進一步檢查和調(diào)整；運行中需要采取噴氨量預(yù)調(diào)節(jié)方式，避免機組因負荷變化過大使噴氨量不能很好適應(yīng)，從而導(dǎo)致NOX相對偏差較大的情況出現(xiàn)。

（5）通過低氮燃燒器來適當降低第一層催化劑入口NOX的濃度，減少噴氨量，降低氨逃逸。