某電廠2號機組脫硝噴氨調整試驗及分析

譚智華

（中國能源建設集團華中電力試驗研究院有限公司，湖南 長沙410110）

在火力發(fā)電廠中脫硝等環(huán)保裝置使用年限超過一定后經常會出現(xiàn)噴氨不均勻、氨逃逸過高等問題。過高的氨逃逸率及噴氨不均勻均會給空預器、電除塵等設備的安全運行帶來安全隱患，影響機組正常運行。該文通過改變反應器內局部范圍的供氨量，在反應器出口建立均衡的NOx分布，讓SCR系統(tǒng)在保持靠近設計效率的同時，在最小的氨逃逸率下進行可控性運行，以提高氨的使用率，避免下游設備（特別是預熱器）的腐蝕堵塞，使脫硝系統(tǒng)在環(huán)保排放達標的基礎上兼顧節(jié)約運行成本。

1 設備概況

本次試驗機組為響應國家節(jié)能減排新政策2013年環(huán)保改造后機組，機組容量為300MW，設計煤種為煙煤，配套SCR脫硝工藝。在每臺鍋爐省煤器出口布置兩個SCR反應器，每個反應器的催化劑層數(shù)按2＋1模式布置，初裝2層預留1層，催化劑采用蜂窩式催化劑。反應劑為純氨，其品質滿足國家標準GB 536—1988《液體無水氨》中技術指標的要求，配套液氨存儲及反應設備，配套脫硝專用吹灰、CEMS系統(tǒng)由DCS集中控制，其中氨區(qū)加熱用汽采用電廠輔助蒸汽，電廠輔助蒸汽參數(shù)為0.6MPa~0.8MPa，溫度230℃~270℃。

脫硝系統(tǒng)性能參數(shù)：脫硝入口NOx濃度按照500mg/Nm3（干基、標態(tài)、6%氧）設計，脫硝出口氮氧化物排放濃度不大于50mg/Nm3（干基、標態(tài)、6%氧，三層），氨的逃逸濃度不大于2.276mg/m3（干基、標態(tài)、6%氧，三層），SO2/SO3轉化率不大于1.4%（三層，干基，標況，6%含氧量），滿足或高于國家超低排放標準。在保證脫硝效率的同時，必須同時保證氨逃逸、SO2/SO3轉化率及催化劑阻力等均達到性能保證指標。

2 試驗依據(jù)及試驗項目

試驗依據(jù)：《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/T 16157—1996、《燃煤電廠煙氣脫硝裝置性能驗收試驗規(guī)范》DL/T 260—2012、《固定污染源煙氣（SO2、NOx、顆粒物）排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)技術要求及檢測方法》HJ 76—2017等相關標準及設備說明書、設計文件。

試驗項目：1）預備試驗、摸底測試。預備試驗即對反應器進出口NOx、O2濃度進行實測，對比DCS顯示值，為正式試驗的脫硝效率的設定做好準備工作。摸底測試即在90%至100%負荷的條件下，對噴氨流量進行調節(jié)，把脫硝效率控制在設計值，對反應器進出口的NOx濃度分布及氨逃逸濃度分布進行測算，對脫硝裝置的效率、氨噴射流量的分配狀況進行初評。2）噴氨調整試驗。調整機組出力至負荷85%，對反應器進出口NOx濃度分布進行測量，根據(jù)NOx濃度分布情況（即相對標準偏差CV值）對各支管的氨流量進行優(yōu)化平衡調整。在完成機組85%負荷下調平后，再調整機組出力至95%負荷進行驗證。經過優(yōu)化噴氨流量后，確保反應器出口的NOx分布的相對標準偏差CV值小于15%或頂層催化劑入口氨氮摩爾比相對標準偏差小于5%。氨逃逸濃度控制在2.276mg/m3以內。3）試驗條件。試驗中鍋爐燃用設計煤種或者事先商定的試驗煤種，并準備充足的煤量。試驗負荷為根據(jù)試驗計劃提前申請，試驗期間負荷應基本穩(wěn)定。試驗期間不再進行風量的調整，不投油助燃，不進行制粉系統(tǒng)的調整，催化劑不進行蒸汽吹灰。試驗期間應保持鍋爐各參數(shù)的穩(wěn)定，爐膛負壓表、電耗、水耗、蒸汽流量、CEMS儀表等表計能投入并指示正確。試驗期間，SCR反應器進口煙氣溫度達到設計值要求。每個工況試驗期間鍋爐不吹灰。請安排試驗開始前兩小時完成催化劑吹灰。試驗前脫硝系統(tǒng)已經連續(xù)運行24h以上。試驗測試期間，氨的噴射量須保持不變。因此須根據(jù)設備實際情況確定噴氨的方公式（自動或手動）。4）試驗儀器：經有關部門檢定合格并均在有效期內的相關儀器包括煙氣分析儀、測溫槍、熱電偶、靠背管、微壓計、溫濕度大氣壓力表、氨化學取樣系統(tǒng)、氨分析儀、便攜式大流量低濃度自動煙塵測試儀、便攜式預處理箱、加熱型采樣槍及伴熱管線等。

3 調整試驗

3.1 測點布置及數(shù)據(jù)獲取

3.1.1 測點布置

SCR脫硝裝置噴氨優(yōu)化調整試驗現(xiàn)場進、出口測點采樣位置優(yōu)先選擇在垂直管段，避開煙道彎頭和斷面急劇變化的部位。采樣位置需要設置在距彎頭、閥門或變徑管下游方向不小于6倍的直徑，和距上述部件上游方向不小于3倍的直徑處。對矩形煙道，應測量直徑并按照相關要求計算。試驗測點及項目見表1，其中各測反應器從左到右依次編號A1~An、B1~Bn，每測孔由淺到深依次編號P1~Pn。采樣數(shù)目根據(jù)網格法進行測算。

表1 試驗測點和項目

3.1.2 NO、O2濃度分布及脫硝效率數(shù)據(jù)的獲取

在SCR反應器進口和出口采樣截面，分別用等截面網格法布置取樣點。同時用兩套煙氣分析裝置，在反應器的進出口逐點采集煙氣樣品，分析出煙氣中的NO、O2及其他成分含量，獲取煙道截面的NOx濃度分布。用SCR進出口的NOx濃度的算術平均值求出脫硝效率。

3.1.3 NH3逃逸濃度

根據(jù)每臺反應器出口測點的NOx濃度分布，取多代表點為NH3取樣點。其中每個NH3取樣點對應的NOx濃度近似于整個煙道截面的NOx平均值。SCR出口煙道各測點的氨濃度值，用濕化學方法逐點測量。根據(jù)吸收液中氨濃度和煙氣流量、氧濃度算出各測點處煙氣中的NH3濃度（干基）。

3.2 試驗流程

具體流程如下：做好試驗準備工作后，通知集控運行人員設置好噴氨參數(shù)并進行噴氨操作，待DCS檢測到出口NOx、O2、NH3參數(shù)穩(wěn)定后，利用現(xiàn)場設備進行實測。然后將采集的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，計算出NOx濃度分布，將其與設計值進行比對，做好調整前的就地噴氨閥門標記。接下來根據(jù)濃度分布情況有針對性地調整各處閥門，待調整完地出口各參數(shù)穩(wěn)定后進行實測并進行計算對比。重復上述調整工作，直至測量后計算出的NOx濃度分布符合設計要求為止，噴氨調整工作完成。

試驗方法：利用預留的煙氣采樣孔，采用網格法布點，進行煙氣進出口溫度場、流場測試。采用網格法測量各點的煙氣動壓、靜壓、煙溫和煙氣濕度，計算出煙氣流量（標準狀態(tài)，6%O2）。

NO、O2濃度分布：在SCR反應器的進出口煙道采用已確定的等截面網格法布置煙氣測點，進出口各布置一套煙氣分析設備。煙氣經采樣槍引出煙道，經過煙氣凈化（除塵、除濕、冷卻）等處理，再接入煙氣分析設備進行分析。利用兩套煙氣分析設備同時在反應器的進出口逐點獲取煙氣樣品，分析煙氣中的NO及O2含量，進而求出煙道截面的NOx濃度分布。最后利用NOx濃度的算術平均值計算脫硝效率。

NH3逃逸濃度：根據(jù)每臺反應器出口截面的NOx濃度分布，取代表點為NH3取樣點。其中每個NH3取樣點對應的NOx濃度近似于整個煙道截面的NOx平均值。SCR出口煙道各采樣點的NH3濃度值參照EPA的CTM-027標準（采用濕化學方法逐點測量）。根據(jù)吸收液中的氨濃度、煙氣流量、氧濃度計算各采集點處煙氣中的NH3濃度（干基）。

其他試驗項目：試驗過程中，采集機組DCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)、記錄鍋爐主要的運行參數(shù)（如負荷、主汽流量等），并監(jiān)測脫硝系統(tǒng)主要運行參數(shù)（如氨氣流量、SCR進出口的NO/O2濃度、氨逃逸等）。

3.3 理論計算

該文試驗涉及的理論計算包括煙道截面NO濃度分布均勻性[1]、SCR脫硝效率的計算[2]、氨逃逸濃度的計算以及煙氣流速、流量的計算。

3.3.1 煙道截面NO濃度分布均勻性

利用上述方法可以獲得煙道截面各點煙氣中NO濃度含量，取其算術平均值作為該截面處的NO濃度值，并用相對標準偏差CV值表示NO分布均勻情況，具體如公式（1）~公式（3）所示。

式中：NOi為截面各點NO濃度值（折算至6%O2條件下），為截面處NO濃度平均值（折算至6%O2條件下），μL/L；δ為NO濃度分布的標準偏差，μL/L；CV為NO濃度分布相對標準偏差，%。

3.3.2 SCR脫硝效率的計算

SCR進出口截面NOx濃度根據(jù)公式（4）~公式（6）進行計算，并折算至6%O2下。

式中：NOx,in為反應器進口截面的NOx濃度，mg/m3；NOx,out為反應器出口的截面NOx濃度，mg/m3；O2，act為實測的O2濃度；η為SCR脫硝效率，%。

3.3.3 氨逃逸濃度的計算

在計算氨逃逸濃度前，先將各點值折算至6%O2基準下，然后取平均值作為考核指標，具體如公式（7）所示。

式中：CNH3為折算到6%O2下氨逃逸濃度，μL/L；CNH3act，O2為實測氨逃逸濃度，μL/L。

3.3.4 煙氣流速、流量的計算

煙氣流速的計算如公式（8）所示。

式中：US為煙氣平均流速，m/s；Kp為皮托管校正系數(shù)；Pd為測點處煙氣動壓，Pa；ts為煙氣溫度，℃。

煙氣流量的計算如公式（9）所示。

式中：qvs為濕煙氣排放量，m3/h；A為煙道測試處斷面面積，m2；Us為測定斷面的平均煙氣流速，m/s。

標態(tài)下干煙氣量的計算如公式（10）所示。

式中：qvsnd為標準狀態(tài)下的干煙氣流量，m3/h；Xsw為煙氣中水分含量體積百份數(shù)，%；ts為煙氣溫度，℃；Ba為當?shù)卮髿鈮毫Γ琍a；Ps為測點處煙氣靜壓，Pa。

3.4 試驗過程及結論

根據(jù)摸底測試結果可知：噴氨優(yōu)化調整前，機組100%負荷下，實測SCR入口NOx平均濃度為356mg/m3，出口NOx平均濃度為49mg/m3，平均脫硝效率為86.2%。此時，SCR反應器出口NOx濃度分布均勻性較差，SCR出口A側反應器NOx濃度分布呈現(xiàn)A1測孔偏高，A5測孔深度方向異常偏高的趨勢。而SCR出口B側反應器NOx濃度分布呈現(xiàn)B1、B2測孔淺處異常偏低的趨勢。試驗數(shù)據(jù)計算得出入口處A側CV值為2.5%，B側CV值為3.2%。出口處A側CV值為20.5%，B側CV值為29.3%。根據(jù)摸底試驗計算出的CV值可以看出流場均勻性較差。

AIG優(yōu)化調整結果如下。根據(jù)摸底測試測得反應器出口NOx濃度分布情況，對AIG噴氨格柵不同支管的手動閥門開度或流量進行有針對性的調節(jié)。經多次噴氨調整后，根據(jù)校核測試工況（ST-01~ST-02）可知，機組100%負荷下，A、B側出口NOx濃度分布相對標準偏差CV值分別為10.4%、13.9%；機組85%負荷下，A、B側出口NOx濃度分布相對標準偏差CV值分別為12.5%、13.8%。

優(yōu)化后NOx溶度評價如下。通過對照SCR反應器出口NOx濃度分布CV值可看出，兩個反應器出口截面NOx分布均勻性得到明顯改善，并趨于穩(wěn)定。反應器各側出口NOx濃度分布CV值均小于15%，達到預期目標。

優(yōu)化調整后氨逃逸評估情況如下。機組100%負荷下，A、B側反應器出口截面NOx濃度分布相對標準偏差由調整前的20.5%、29.3%分別降低到調整后的10.4%、13.9%，氨逃逸平均濃度為2.12μL/L。機組85%負荷下，A、B側反應器出口截面NOx濃度分布相對標準偏差分別為8.5%、14.0%，氨逃逸平均濃度為1.85μL/L。調平后反應器出口NOx及NH3濃度分布如圖1和圖2所示。

圖1 85 調平后反應器出口NOx及NH3濃度分布（85%負荷）

圖2 調平后反應器出口NOx及NH3濃度分布（100%負荷）

4 結語

噴氨格柵調整后，建議機組在實際運行時以煙囪出口NOx排放不超標為控制依據(jù)，脫硝效率不宜控制過高。

由于SCR脫硝系統(tǒng)流場變化的復雜性，造成反應器出口NOx濃度均勻性很難保證，因此建議電廠定期組織對噴氨格柵進行優(yōu)化調整試驗，不斷保持并優(yōu)化反應器出口NOx濃度分布均勻性，控制好氨逃逸量，減輕對下游設備特別是對空預器的影響。

煤質的變化及鍋爐燃燒調整對鍋爐出口NOx影響很大，在后續(xù)機組運行中盡量保證燃燒煤質的穩(wěn)定性，鍋爐燃燒調整中運行人員要找到適合煤種燃燒的風量配比模式。