負(fù)荷多變工況下燃煤電廠SCR脫硝系統(tǒng)噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)研究

王建豪，柏 源

(1.國電科學(xué)技術(shù)研究院有限公司武漢分公司，湖北 武漢 430077；2.國家能源集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 清潔高效燃煤發(fā)電與污染控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210023)

0 引言

隨著煤電節(jié)能減排升級與改造行動(dòng)計(jì)劃的實(shí)施，國家對燃煤電廠氮氧化物的排放要求越來越高[1]，河北、天津等地方也相繼出臺了更加嚴(yán)格的超低排放標(biāo)準(zhǔn)[2-4]，推進(jìn)燃煤電廠鍋爐深度減排，協(xié)同開展煙羽控制，實(shí)施更嚴(yán)格的石膏雨和有色煙羽治理措施[5-8]。選擇性催化還原(SCR)脫硝技術(shù)由于脫硝效率高且技術(shù)成熟，已成為國內(nèi)燃煤電站應(yīng)用最為廣泛的煙氣脫硝技術(shù)[9-12]。

燃煤機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行過程中，鍋爐負(fù)荷、鍋爐燃燒調(diào)整、煤種、噴氨閥門的開度、煙道流場、溫度場均勻性以及催化劑壽命等因素均會影響SCR脫硝系統(tǒng)的高效運(yùn)行[13-16]，多數(shù)電廠燃用煤種偏離設(shè)計(jì)，負(fù)荷多變，SCR脫硝反應(yīng)器內(nèi)NH3和NOx混合不均勻、流場不均和噴氨不均，表現(xiàn)為脫效率低、SCR反應(yīng)器出口氨逃逸濃度高、硫酸氫氨等物質(zhì)的產(chǎn)生造成空預(yù)器堵塞和冷段腐蝕等實(shí)際問題，嚴(yán)重制約了機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性[17-20]。

本文以國內(nèi)某630MW燃煤機(jī)組SCR煙氣脫硝裝置為研究對象，對不同負(fù)荷下進(jìn)、出口NOx濃度、流速及氨逃逸分布等情況進(jìn)行現(xiàn)場測試，摸底不同負(fù)荷狀態(tài)下各項(xiàng)指標(biāo)的分布情況。同時(shí)選定一個(gè)常用負(fù)荷，在機(jī)組及脫硝裝置運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)，通過SCR脫硝裝置噴氨優(yōu)化調(diào)整，使氨噴射系統(tǒng)各支管的氣氨流量分配趨于合理，提高SCR出口NOx和NH3逃逸濃度分布的均勻性，進(jìn)而提高脫硝系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行后，通過分析對比優(yōu)化調(diào)整前后360MW、600MW負(fù)荷下對應(yīng)SCR反應(yīng)器出口NOx濃度及噴氨量情況，進(jìn)一步驗(yàn)證了脫硝噴氨優(yōu)化調(diào)整的效果。

1 對象和方法

1.1 研究對象

本文研究對象為某630MW燃煤機(jī)組SCR煙氣脫硝裝置，采用SCR脫硝工藝，高溫高灰段布置方式，無煙氣旁路，脫硝裝置滿足處理100%BMCR煙氣量，設(shè)置兩個(gè)SCR反應(yīng)器，每個(gè)反應(yīng)器布置三層蜂窩式脫硝催化劑，設(shè)計(jì)脫硝效率不低于91%，脫硝出口氮氧化物含量低于50mg/m3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，6% O2體積分?jǐn)?shù)，干態(tài)，下同)。

SCR脫硝裝置氨噴射裝置采用渦流混合器，具有沿反應(yīng)器寬度方向調(diào)節(jié)氨量功能。每臺SCR反應(yīng)器在入口煙道前墻位置沿寬度方向布置5組噴氨管。每根噴氨支管上安裝一個(gè)手動(dòng)調(diào)閥，通過調(diào)節(jié)閥門開度，實(shí)現(xiàn)沿反應(yīng)器寬度方向上噴氨量分區(qū)控制。噴氨混合器如圖1所示，噴氨混合器沿中心線在A、B側(cè)對稱公布。

圖1 A側(cè)噴氨混合器布置

1.2 研究方法

SCR脫硝裝置噴氨優(yōu)化試驗(yàn)主要分為摸底測試、噴氨優(yōu)化調(diào)整、校核比對測試三部分。首先進(jìn)行摸底測試，在300MW、450MW負(fù)荷下進(jìn)行SCR反應(yīng)器進(jìn)、出口煙氣成分及出口氨逃逸濃度分布測試，初步評估脫硝裝置對應(yīng)負(fù)荷下的脫硝效率及NOx分布狀況；然后對噴氨進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整：在機(jī)組360MW下，根據(jù)SCR反應(yīng)器進(jìn)、出口斷面的NOx及O2濃度、流速及氨逃逸濃度分布，對各噴氨調(diào)整手動(dòng)閥門開度進(jìn)行調(diào)節(jié)，最大限度提高反應(yīng)器出口的NOx濃度分布均勻性；最后進(jìn)行校核比對：在450MW、300MW負(fù)荷下對SCR進(jìn)、出口煙氣成分及氨逃逸分布進(jìn)行測試驗(yàn)證。

本文各項(xiàng)測試參照《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物采樣方法》(GB/T16157-1996)、《燃煤電廠煙氣脫硝裝置性能驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)范》(DL/T260-2012)中相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。O2、NOx質(zhì)量濃度由紫外煙氣分析儀(南環(huán)公司，ASP3000型)測定，氨逃逸濃度由氨逃逸分析儀(南環(huán)公司，LDAS-3000型)測量、煙氣流速由自動(dòng)煙塵(氣)測試儀(青島金仕達(dá)，GH-60E型)測試。

采用網(wǎng)格法測量，每個(gè)反應(yīng)器8個(gè)測量孔，鍋爐中心線到脫硝裝置外側(cè)測孔依次從小到大編號A1、A2、…、A8；B1、B2、…B8(A反應(yīng)器、B反應(yīng)器對稱布置)，每個(gè)測孔在深度方向平均布置3個(gè)測點(diǎn)，總共測量48個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)。依據(jù)SCR反應(yīng)器進(jìn)、出口截面的NOx及O2濃度、流速及氨逃逸濃度分布狀況，對各噴氨支管手動(dòng)調(diào)整門的開度進(jìn)行調(diào)整以改變不同位置的噴氨量，其中優(yōu)化調(diào)整指標(biāo)為出口NOx質(zhì)量濃度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差≤20%。SCR脫硝系統(tǒng)噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)流程如圖2所示。

圖2 SCR脫硝系統(tǒng)噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)流程圖

圖2中試驗(yàn)判斷指標(biāo)NOx濃度均勻性即相對標(biāo)準(zhǔn)偏差Cv計(jì)算公式為：

(1)

(2)

(3)

2 測試調(diào)整部分

2.1 摸底測試

在300MW、450MW負(fù)荷下進(jìn)行了摸底測試，在煙囪總排口NOx濃度穩(wěn)定不超標(biāo)的情況下，同時(shí)在SCR反應(yīng)器進(jìn)、出口測量NOx濃度，并在反應(yīng)器出口測量氨逃逸濃度。

在300MW、450MW負(fù)荷工況下，調(diào)整前SCR反應(yīng)器A、B出口NOx質(zhì)量濃度測量結(jié)果如圖3、圖4所示。由圖可以看出：調(diào)整前SCR反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度平均值64.6mg/m3，NOx質(zhì)量濃度分布相對標(biāo)準(zhǔn)偏差Cv在21.9%～32.7%之間，此時(shí)實(shí)測SCR反應(yīng)器A、B兩側(cè)的氨逃逸率在3.2～5.1μL/L之間；脫硝系統(tǒng)反應(yīng)器兩側(cè)出口NOx濃度分布不均，其相對標(biāo)準(zhǔn)偏差Cv均大于20%。兩臺反應(yīng)器入口截面NOx濃度分布相對較均勻，兩臺反應(yīng)器出口截面NOx濃度主要沿寬度方向呈現(xiàn)不均勻分布。

從摸底測試結(jié)果可以看出，A反應(yīng)器出口：靠反應(yīng)器外側(cè)墻區(qū)域NOx濃度偏低，靠鍋爐中心線區(qū)域NOx濃度偏高；B反應(yīng)器出口：反應(yīng)器局部區(qū)域NOx濃度有偏高或偏低情況。反應(yīng)器出口NOx濃度分布偏差較大，主要原因可能是噴氨不均和NOx分布不均引起的反應(yīng)器內(nèi)氨氮摩爾比分布不均。因此，有必要對SCR裝置的噴氨渦流混合器進(jìn)行噴氨量優(yōu)化調(diào)整，使其各支管噴氨量趨于合理，以提高SCR出口NOx濃度分布均勻性，降低局部較高的氨逃逸濃度，提高脫硝系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

圖3 優(yōu)化調(diào)整前反應(yīng)器出口NOx濃度分布(300MW)

圖4 優(yōu)化調(diào)整前反應(yīng)器出口NOx濃度分布(450MW)

2.2 優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)

脫硝噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)在機(jī)組360MW負(fù)荷下進(jìn)行，在機(jī)組及脫硝裝置穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，控制煙囪總排口NOx濃度在50mg/m3以內(nèi)，根據(jù)實(shí)測反應(yīng)器出口截面NOx濃度分布及反應(yīng)器入口、出口流速分布情況，對渦流混合器噴氨各支管手動(dòng)閥開度進(jìn)行反復(fù)調(diào)整，直至反應(yīng)器出口截面NOx濃度分布均勻性達(dá)到合適狀況相對標(biāo)準(zhǔn)偏差≤20%。優(yōu)化調(diào)整前SCR反應(yīng)器入口及出口流速如圖5、圖6所示，優(yōu)化調(diào)整前后反應(yīng)器出口截面NOx濃度分布情況如圖7、圖8所示，圖9、圖10為優(yōu)化調(diào)整前后NOx、NH3逃逸濃度平均值對比。

圖5 噴氨優(yōu)化調(diào)整前SCR入口流速分布(360MW)

圖6 噴氨優(yōu)化調(diào)整前SCR出口流速分布(360MW)

圖7 噴氨優(yōu)化調(diào)整前SCR出口NOx濃度分布(360MW)

圖8 噴氨優(yōu)化調(diào)整后SCR出口NOx濃度分布(360MW)

圖9 噴氨優(yōu)化調(diào)整前反應(yīng)器出口NOx及氨逃逸分布

圖10 噴氨優(yōu)化調(diào)整后反應(yīng)器出口NOx及氨逃逸分布

由圖5、圖6可以看出噴氨優(yōu)化調(diào)整前A、B側(cè)反應(yīng)器入口流速較均勻；由圖7、圖9可以看出噴氨優(yōu)化調(diào)整前，NOx濃度平均為64.8mg/m3，最高為110.6mg/m3，最低為28.2mg/m3，分布相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為20.6%；平均氨逃逸濃度為3.6μL/L，局部氨逃逸濃度峰值為5.1μL/L。

結(jié)合摸底測試工況下反應(yīng)器出口NOx濃度分布情況，可以看出反應(yīng)器出口NOx濃度分布偏差較大，出口截面上局部區(qū)域氨逃逸濃度過高(見圖9)，這將加劇下游空預(yù)器等設(shè)備硫酸氫氨(ABS)堵塞風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過多次測試和調(diào)整，反應(yīng)器出口截面NOx濃度分布情況得到明顯改善。

噴氨優(yōu)化調(diào)整后，在機(jī)組360MW負(fù)荷并保證總排口NOx濃度達(dá)標(biāo)排放的情況下，SCR出口NOx濃度約74.1mg/m3時(shí)(煙囪總排口40.5mg/m3)，出口截面NOx(見圖8)及氨逃逸濃度(見圖10)情況明顯改善。A、B側(cè)反應(yīng)器出口截面NOx濃度分布相對標(biāo)準(zhǔn)偏差值分別從調(diào)整前的20.6%減小至9.0%，平均氨逃逸濃度由3.6μL/L降低至2.3μL/L，局部氨逃逸峰值由5.6μL/L降低至2.6μL/L。

2.3 校核比對試驗(yàn)

為了解脫硝反應(yīng)器出口NOx濃度分布的適應(yīng)性，與摸底測試工況進(jìn)行對比。完成SCR噴氨優(yōu)化調(diào)整后，分別在機(jī)組300MW負(fù)荷及450MW負(fù)荷下，對SCR出口NOx及氨逃逸濃度分布情況進(jìn)行了校核比對測試，優(yōu)化調(diào)整后SCR出口NOx及氨逃逸濃度分布如圖11、圖12。

圖11 反應(yīng)器出口NOx濃度分布(300MW)-校核工況

圖12 反應(yīng)器出口NOx濃度分布(450MW)-校核工況

從圖11、圖12可以看出，優(yōu)化調(diào)整后，機(jī)組300MW負(fù)荷下、SCR出口NOx濃度約36.5mg/m3時(shí)，A、B側(cè)反應(yīng)器出口NOx濃度分布相對標(biāo)準(zhǔn)偏差值分別為11.4%、16.0%，平均氨逃逸濃為2.4μL/L；機(jī)組450MW負(fù)荷下，SCR反應(yīng)器出口NOx濃度約為51.9mg/m3時(shí)(煙囪總排口40.5mg/m3)，A、B側(cè)反應(yīng)器出口NOx濃度分布Cv值分別為11.0%、20.6%，平均氨逃逸濃為2.8μL/L。

對比優(yōu)化調(diào)整前NOx濃度分布情況，從以上結(jié)果可以看出，噴氨優(yōu)化調(diào)整后，SCR反應(yīng)器出口NOx濃度分布均勻性明顯改善，局部氨逃逸濃度峰值明顯降低，機(jī)組不同負(fù)荷下出口NOx濃度分布均保持良好的均勻性。

3 優(yōu)化調(diào)整效果

優(yōu)化調(diào)整前后SCR裝置NOx濃度及分布相對偏差Cv、氨逃逸對比如表1所示。噴氨優(yōu)化調(diào)整后，機(jī)組360MW負(fù)荷調(diào)整工況下、SCR脫硝裝置出口NOx濃度約74mg/m3時(shí)，出口截面NOx濃度分布相對標(biāo)準(zhǔn)偏差由調(diào)整前的20%減小至9.0%(見表1)，平均氨逃逸濃度由3.6μL/L降低至2.3μL/L，局部氨逃逸濃度峰值由5.6μL/L降低至2.6μL/L。NOx濃度分布均勻性顯著提高，局部氨逃逸濃度峰值明顯降低。

噴氨優(yōu)化調(diào)整后，機(jī)組300MW 及450MW負(fù)荷校核比對工況下，SCR脫硝裝置出口NOx濃度分別為36.5mg/m3及51.9mg/m3時(shí)，出口截面NOx濃度分布相對標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為13.7%及15.8%，不同負(fù)荷下NOx濃度分布保持了良好的均勻性。

表1中，對比優(yōu)化調(diào)整前后的測量及計(jì)算數(shù)據(jù)，可以看出，噴氨優(yōu)化調(diào)整后，機(jī)組相同負(fù)荷下SCR反應(yīng)器出口NOx濃度分布均勻性明顯改善，出口氨逃逸濃度有所降低，不同負(fù)荷下出口NOx濃度分布均保持良好的均勻性。

表1 優(yōu)化調(diào)整前后SCR裝置NOx濃度及分布相對偏差Cv、氨逃逸對比

通過測試還發(fā)現(xiàn)，脫硝SCR反應(yīng)器出口A、B側(cè)NOx濃度實(shí)測值與煙囪總排口(CEMS)測試值存在偏差，優(yōu)化調(diào)整后明顯減小，具體數(shù)值如表2所示。從表2可以看出，優(yōu)化調(diào)整前脫硝出口NOx濃度測試(采用網(wǎng)格法)與總排口NOx濃度測試(采用CEMS)，二者的平均值差值較大，平均值最大差值達(dá)到22.7mg/m3，優(yōu)化調(diào)整后，二者的平均值最大差值縮小至11.4mg/m3。

由于調(diào)峰機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)性較大，通過調(diào)閱優(yōu)化調(diào)整前后DCS歷史曲線，分析360MW、600MW負(fù)荷下對應(yīng)SCR反應(yīng)器出入口NOx濃度及噴氨量情況，得出優(yōu)化調(diào)整前后NOx濃度及噴氨量情況對比如表3所示。負(fù)荷360MW，脫硝入口NOx濃度450mg/m3時(shí)，噴氨量由160kg/h降至140kg/h，總排口NOx排放濃度則由50mg/m3降至40mg/m3；負(fù)荷600MW，脫硝入口NOx濃度540mg/m3時(shí)，總排口NOx排放濃度平均為50mg/m3的情況下，噴氨量則由400kg/h降至340kg/h。

表3 360MW、600MW負(fù)荷下優(yōu)化調(diào)整前后NOx濃度及噴氨量情況對比

4 結(jié)論及建議

(1)通過現(xiàn)場噴氨優(yōu)化調(diào)整，改善了局部噴氨過量和噴氨不足的情況，SCR出口NOx質(zhì)量濃度均勻性得到明顯改善，從而有效降低了系統(tǒng)的氨逃逸量，節(jié)省了還原劑液氨的消耗量，降低了運(yùn)行成本；在降低氨逃逸率和空預(yù)器堵塞風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，降低了煙氣污染物NOx超標(biāo)排放的風(fēng)險(xiǎn)，污染物排放總量下降，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益顯著。

(2)脫硝SCR反應(yīng)器出口A、B側(cè)NOx濃度實(shí)測值與煙囪總排口(CEMS)實(shí)測值存在較大偏差，SCR反應(yīng)器出口NOx濃度實(shí)測平均值高于煙囪總排口(CEMS)實(shí)測值，個(gè)別負(fù)荷下實(shí)測平均值大于50mg/m3，但煙囪總排口(CEMS)實(shí)測值未超標(biāo)。存在偏差的主要原因是SCR反應(yīng)器出口、入口的NOx質(zhì)量濃度場和速度場分布不均。通過優(yōu)化調(diào)整后，偏差明顯減小。

(3)通過現(xiàn)場了解，該廠脫硝SCR反應(yīng)器出口NOx濃度表計(jì)測量采用單點(diǎn)取樣，濃度分布不均的情況下，單點(diǎn)代表性不強(qiáng)，建議改為多點(diǎn)或混合取樣方式，同時(shí)加強(qiáng)在線表計(jì)的日常維護(hù)管理。