330 MW燃煤機組對沖燃燒鍋爐SCR脫硝系統(tǒng)的改造分析

張壽巖,姚 闖

(河北西柏坡發(fā)電有限責任公司,河北 石家莊 050400)

為全面落實全國生態(tài)環(huán)境保護大會和全省生態(tài)環(huán)境保護大會精神,推進污染防治攻堅戰(zhàn),打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn),河北省大氣污染防治工作領導小組辦公室印發(fā)了《河北省鋼鐵、焦化、燃煤電廠深度減排攻堅方案》(冀氣領辦[2018]156號)。深度減排攻堅方案中要求燃煤電廠控制氮氧化物排放濃度不高于30 mg/m3,雖然過量噴氨能夠滿足機組出口氮氧化物的要求,但過量噴氨導致機組氨逃逸增大,煙氣的二氧化硫會在脫硝催化劑的作用下形成三氧化硫,與過量的氨氣反應形成硫酸氫氨,附著在空氣預熱器蓄熱元件上,導致空氣預熱器壓差過大,影響機組負荷等一系列的問題。因此電廠需要進一步采取措施進行氮氧化物深度減排治理。結合當前機組氮氧化物的運行現狀,對機組的氮氧化物采用多種方法聯合控制,實現氮氧化物的深度減排。

1 設備概況

某發(fā)電公司1-4號機組為北京巴布科克·威爾科克斯有限公司生產的亞臨界參數自然循環(huán)鍋爐,采用墻式對沖燃燒方式,鍋爐燃燒系統(tǒng)采用冷一次風機熱風送粉、對沖燃燒方式。1-4號機組煙氣脫硝裝置均采用高灰型SCR脫硝工藝,反應器布置在省煤器與空氣預熱器之間,不設反應器煙氣旁路,每臺鍋爐設2臺SCR反應器。脫硝裝置采用液氨制備還原劑,氨氣與稀釋風混合后,通過布置在SCR脫硝裝置入口煙道截面上的AIG噴嘴噴入到煙道內,脫硝催化劑均按“2+1”模式設置,且4臺機組備用層均已加裝催化劑。反應器入口原設計NOx濃度為700 mg/m3,目前能夠滿足反應器出口NOx小時排放濃度均值小于50 mg/m3的超低排放標準。以下以3號機組為例,對機組脫硝系統(tǒng)存在的問題進行分析。

2 脫硝系統(tǒng)存在的問題

為研究3號機組脫硝裝置出入口NOx/O2濃度分布規(guī)律,2018年9月,對3號機組進行摸底測試,根據脫硝性能試驗結果,目前脫硝裝置入口NOx濃度的現狀和存在問題主要有:機組在300 MW高負荷時,3號機組平均NOx濃度在510～610 mg/m3,局部NOx最大濃度峰值達610 mg/m3,隨負荷降低,機組NOx濃度呈上升趨勢,主要是負荷降低時氧量充足,NOx生成量增加。機組150 MW負荷下,3號機組NOx平均濃度為600 mg/m3,局部NOx濃度峰值達693 mg/m3,入口NOx濃度偏差A、B側分別為5%、3%,入口截面最大濃度偏差為98 mg/m3,如圖1所示。

圖1 3號爐不同負荷下脫硝入口NO x分布

經檢測,3號機組SCR入口截面煙氣流速與標準值相比,偏差分別為14.3%、16.0%。A反應器入口截面煙氣流速最大值、最小值分別為19.0 m/s、10.5 m/s,B反應器入口截面煙氣流速最大值、最小值分別為18.8 m/s、9.7 m/s,SCR入口煙氣流速偏差較大。

如圖2所示,3號機組脫硝裝置出口NOx平均濃度為24 mg/m3,局部NOx濃度峰值達46 mg/m3,出口NOx濃度偏差A、B側CV值分別為44%、34%,CV值偏大,出口NOx濃度偏差較大,出口截面最大濃度偏差為26 mg/m3,平均氨逃逸濃度為2.91μL/L,局部氨逃逸濃度峰值為8.39μL/L。

圖2 3號機組脫硝出口NO x及氨逃逸

通過以上數據分析可知,SCR進出口煙道截面大(單側豎直煙道截面積約為27 m2),混合距離約為13 m,無法滿足氨與NOx混合均勻的要求,而且由于NOx測量具有滯后性,采用單點測量不具備代表性等原因,導致脫硝自動投入品質差,長時間噴氨量超標或不足,造成氨逃逸超標等問題。執(zhí)行新的排放標準后,NOx小時排放濃度均值應小于30 mg/m3,屆時氨逃逸情況會進一步增強。

3 脫硝系統(tǒng)的改造措施

通過分析當前機組脫硝系統(tǒng)存在的問題,對脫硝區(qū)域的導流板進行優(yōu)化設計,加強寬度及深度方向煙氣混合能力,提高局部區(qū)域內煙氣混合均勻性,同時保證煙氣流速分布的均勻性。在SCR出口斷面各分區(qū)內進行在線NOx及氨逃逸測量,實時調整各分區(qū)噴氨量;同時對噴氨總量及各分區(qū)的噴氨量的控制邏輯進行優(yōu)化升級,確保煙囪處NOx小時排放濃度均值在30 mg/m3以下,氨逃逸小于3μL/L。

3.1 流場優(yōu)化

圖3給出了原流場的總流線圖和第1層催化劑入口前的流線分布示意圖。煙氣在反應器頂部入射到催化劑表面時,氣流比較紊亂,頂部導流板下方存在渦流區(qū),因此流線較為紊亂。

圖3 原SCR系統(tǒng)及催化劑入口流線分布

圖4是原流場結構第1層催化劑入口截面速度分布云圖,可以看到整個截面上存在幾個明顯的高速區(qū),高速區(qū)的位置與頂部導流板存在映射關系。根據截面上速度取樣值,經統(tǒng)計計算,此截面速度分布相對標準偏差16%。

圖4 原流場結構第1層催化劑入口截面速度分布

根據原始結構流場模擬計算結果,在合適的位置加裝導流板,得到優(yōu)化的流場結構。在省煤器出口水平煙道增加第1組導流板;在豎直煙道入口彎頭處布置第2組導流板;在豎直煙道頂部彎頭布置第3組導流板;其后在反應器頂部更換原有導流板,優(yōu)化反應器入口流場;對原有煙道局部進行改造,消除局部渦流區(qū),如圖5所示。

圖5 優(yōu)化方案的數值模擬模型示意

圖6 給出了優(yōu)化方案的系統(tǒng)總流線、噴氨格柵和第1層催化劑入口前的流線分布示意。

從圖6中可以看出,優(yōu)化方案的系統(tǒng)流線分布均勻,無明顯旋渦,第1層催化劑前的流線分布很均勻,第1層催化劑來流速度與豎直方向夾角小于10°。

圖6 優(yōu)化SCR系統(tǒng)入口流線分布示意

3.2 脫硝控制優(yōu)化

噴氨總量控制系統(tǒng)優(yōu)化是利用復雜預測模式及智能算法,解決測量儀表滯后問題,精準調整噴氨總量,穩(wěn)定排放指標。影響噴氨量變化的因素主要有負荷、鍋爐氧量、總風量、燃料量、反應器出入口NOx濃度、煙囪入口NOx濃度、噴氨流量、供氨壓力、磨煤機啟停操作等一系列測點,這些測點直接或間接影響噴氨自動調整的效果。本套控制系統(tǒng)設置了自適應內?？刂萍俺跋辔谎a償模塊,針對控制對象的遲延慣性及非線性等控制難點,實現脫硝NOx的快速穩(wěn)定控制;吹掃自閉環(huán)模塊完成吹掃工況下各參數的無擾預測,實現NOx全程無盲區(qū)控制;最終使噴氨總量控制系統(tǒng)可以在復雜多變的運行工況下滿足環(huán)保及機組運行要求。

控制系統(tǒng)的總體架構設定為以內?？刂茷楹诵牡拇夘A測控制,其中副調仍為PID控制器控制流量,并設非線性控制函數,輸出調門指令;主回路為內模控制器,用以克服大遲延、大慣性難點,輸入為NOx設定值及實際值,再以前饋量為輔助,輸出值為流量指令;另設小時均值計算模塊,根據小時均值實時修正NOx設定值,以保證均值不超標。

3.3 分區(qū)精準控氨

SCR分區(qū)噴氨系統(tǒng)包括測量層、執(zhí)行層和控制層,主要涉及NOx濃度分布式巡測和混合采樣測量、氨氮摩爾比分區(qū)在線調平,以及多維度決策的噴氨總量控制等技術,通過執(zhí)行層“總量控制閥+分區(qū)調節(jié)閥+支管調節(jié)閥”3級閥門的串聯控制和調節(jié),全面提升噴氨控制的品質。

原機組脫硝單側分支管路為15根,為了更加嚴格的控制SCR出口截面濃度分布,機組單側SCR反應器(A、B側)噴氨區(qū)域劃分為5個噴氨分區(qū),單側SCR反應器出口劃分為5個測量分區(qū),根據測量結果分區(qū)在線調節(jié)。

原氨/空氣混合集箱切分為5段,作為噴氨分區(qū)氨/空混合氣小聯箱,新增氨/空氣混合氣母管,從新增母管上引接出5路支管路(每一路分別設置手動切斷閥、電動調節(jié)閥、就地風量流量計),分別連接至對應的噴氨分區(qū)氨/空混合氣小聯箱,如圖7所示。

圖7 分區(qū)控氨方案示意圖

反應器出口5個分區(qū)氮氧化物進行巡測,大約每個測點需要3 min,全部巡測完成約需要15 min,巡測時間也可以根據需要進行調整。各分區(qū)NOx測量值與本側平均值比較,偏差大于5 mg/Nm3后開度增加3%,小于-5 mg/Nm3則開度減少3%,每15 min比較一次;各分區(qū)調節(jié)閥的調節(jié)范圍限定為40%～90%,調門開度到達限位后不再調整,若分區(qū)NOx與其他分區(qū)偏差過大,則由運行人員至現場調整噴氨支管手動調節(jié)閥。

4 改造效果分析

改造完成后對4種不同工況下的脫硝系統(tǒng)性能進行試驗,試驗結果見表1。

表1 脫硝效率與氨逃逸濃度結果

鍋爐在310 MW、300 MW、260 MW、150 M W蒸發(fā)量下,出口NOx小時排放濃度均值滿足環(huán)保小于30 mg/m3的要求,氨逃逸小于3μL/L,出口截面NOx濃度分布相對標準偏差CV值控制在20%以下。

5 結束語

通過對機組脫硝系統(tǒng)進行改造,有效解決了脫硝系統(tǒng)流場不均、氨逃逸量大的問題,不僅可以提高脫硝效率,而且可以實現分區(qū)測量、精準控氨,節(jié)約耗氨量,緩解空氣預熱器壓差大,降低引風機電耗。鍋爐在高、中、低負荷下,SCR脫硝裝置滿足出口NOx濃度分布相對標準偏差小于20%。煙囪出口處NOx波動范圍(穩(wěn)態(tài))在(25±5)mg/m3范圍內;脫硝系統(tǒng)出口NOx濃度平均值與凈煙氣NOx濃度偏差≤10 mg/m3。性能試驗期間,脫硝噴氨控制一直投入自動,脫硝自動投入率為100%。單臺鍋爐每年新增減排NOx65 t,有效減少NOx排污費,對改善當地大氣環(huán)境質量有著重要作用,具有良好的宏觀社會效益。