600MW燃煤機組脫硝系統(tǒng)噴氨優(yōu)化調(diào)整效果分析

郭 磊，劉艇安，王 靚，崔 強，艾 峰

(1.中電華創(chuàng)(蘇州)電力技術(shù)研究有限公司，江蘇 蘇州 215123；2.平頂山姚孟發(fā)電有限責(zé)任公司，河南 平頂山 467033；3.蕪湖發(fā)電有限責(zé)任公司，安徽 蕪湖 241009)

1 引言

對SCR脫硝系統(tǒng)而言，氨耗量和氨逃逸是非常關(guān)鍵的運行指標(biāo)，噴氨不足時會導(dǎo)致NOx排放超標(biāo)，受到環(huán)保部門考核；噴氨過量時又會導(dǎo)致氨逃逸超標(biāo)，逃逸的氨氣與煙氣中的三氧化硫發(fā)生反應(yīng)生成硫酸氫銨，造成下游空預(yù)器等設(shè)備堵塞，威脅機組的安全穩(wěn)定運行[1-3]。超低排放改造后，燃煤機組NOx的排放限值進一步降低，在脫硝入口NOx濃度不變的情況下，脫硝效率大幅提升，對脫硝裝置性能的要求也同步提升。對于完成超低排放改造后的脫硝裝置，氨耗量和氨逃逸的大小很大程度上取決于脫硝裝置入口煙氣中氨氮摩爾比分布的均勻性，均勻性越好，SCR脫硝裝置的性能越佳[4-9]。另一方面，在機組運行過程中，飛灰堵塞、沖蝕或者ABS堵塞會影響SCR反應(yīng)器截面局部催化劑活性，噴氨格柵和噴氨支閥的磨損、堵塞會改變脫硝入口氨氣流量的分配，這些因素都會影響脫硝裝置的性能。為此，需定期進行噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗，改善SCR入口氨氣分配的合理性，減小氨耗量和局部較高的氨逃逸濃度，使脫硝裝置處于最佳運行狀態(tài)[10-15]。

陳城[16]針對SCR脫硝系統(tǒng)噴氨格柵運行效果對脫硝系統(tǒng)的影響進行說明，列舉了噴氨格柵實際運行中存在的問題，說明了噴氨格柵優(yōu)化調(diào)整的必要性，并對噴氨格柵優(yōu)化調(diào)整的試驗方法、預(yù)期效果及注意事項等進行了介紹。景雪暉等[17]通過噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗，降低了SCR裝置噴氨量，改善了空預(yù)器堵灰情況和局部氨質(zhì)量濃度過高的情況，有效地減少了硫酸氫銨的生成，保障了電廠系統(tǒng)的安全運行。郝功濤等[18]通過噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗，使反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度分布均勻性得到明顯改善，氨逃逸質(zhì)量濃度也得到了控制，提高了機組運行的安全經(jīng)濟性。

某電廠600MW機組停機檢修期間發(fā)現(xiàn)SCR煙氣脫硝裝置噴氨支管迎風(fēng)面及部分催化劑元件磨損嚴(yán)重，對磨損的支管及催化劑元件進行更換后啟機運行，發(fā)現(xiàn)該機組氨耗量明顯高于同類型的另一臺機組，氨逃逸表計超限報警，SCR反應(yīng)器出口NOx濃度表計示數(shù)與煙囪入口處NOx濃度表計示數(shù)也存在較大偏差。通過SCR噴氨優(yōu)化調(diào)整，使各噴氨支管的氨氣流量趨于合理，提高SCR出口NOx濃度分布均勻性，減小氨耗量和氨逃逸濃度，從而提高系統(tǒng)運行的安全性和經(jīng)濟性。

2 研究方法

2.1 研究對象

某電廠600MW機組配套超臨界一次中間再熱燃煤直流鍋爐，采用切圓燃燒方式。SCR煙氣脫硝裝置采用高塵型工藝，設(shè)兩臺SCR反應(yīng)器，布置在省煤器與空預(yù)器之間，不設(shè)置反應(yīng)器煙氣旁路。反應(yīng)器入口煙道設(shè)氣流均布裝置，進出口煙道均設(shè)防磨導(dǎo)流裝置。反應(yīng)器內(nèi)催化劑按“2+1”模式布置，目前安裝三層蜂窩式催化劑。

脫硝還原劑采用液氨，與稀釋風(fēng)混合后的氨氣，經(jīng)噴氨格柵分配到SCR入口煙道截面各處，在催化劑的作用下，與煙氣中的NOx發(fā)生反應(yīng)，生成N2和H2O。每臺SCR反應(yīng)器沿?zé)煹缹挾确较虿贾?0組噴氨支管，每組從煙道深度方向分為3根支管，通過調(diào)節(jié)每根支管上閥門的開度，實現(xiàn)在煙道內(nèi)不同區(qū)域氨氣噴射量的控制。

2.2 試驗內(nèi)容及數(shù)據(jù)處理

2.2.1 NO和O2濃度測量

采用等截面網(wǎng)格法在SCR反應(yīng)器的進、出口煙道截面設(shè)置煙氣取樣點(進口5×3點，出口9×3點)，SCR出口測點布置如圖1。

圖1 SCR出口測點布置示意圖

煙道中的煙氣經(jīng)取樣管引出至煙道外，經(jīng)除塵、冷卻、除濕、過濾后，接入煙氣分析儀進行分析，得到SCR進、出口截面各取樣點處NO和O2的濃度，通過折算可獲得截面上NOx濃度的分布。取SCR進、出口NOx濃度的算術(shù)平均值計算脫硝裝置的脫硝效率。

2.2.2 氨逃逸測量

按照代表點NOx濃度平均值與煙道截面NOx濃度平均值相等的原則，在每臺SCR反應(yīng)器出口采集6個NH3樣品，采用的方法為美國EPA的CTM-027標(biāo)準(zhǔn)中的化學(xué)溶液吸收法，同時記錄所采集樣品的干煙氣流量和O2濃度，分析樣品溶液中的氨濃度，最終計算煙道截面各采集點處的氨逃逸濃度。

2.2.3 優(yōu)化調(diào)整方法

SCR脫硝裝置噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗主要在機組常規(guī)穩(wěn)定負(fù)荷下進行，試驗期間停止鍋爐和脫硝裝置的蒸汽吹灰。結(jié)合現(xiàn)場條件和性能測試要求[19-23]，試驗主要分為以下3個步驟：

(1)摸底測試：測試SCR反應(yīng)器進、出口截面原有NO/O2濃度分布情況和氨逃逸濃度，初步評估脫硝裝置運行狀況和性能。

(2)噴氨優(yōu)化調(diào)整：根據(jù)SCR反應(yīng)器出口截面各處NOx濃度與平均NOx濃度的偏離情況，反復(fù)調(diào)節(jié)SCR入口各噴氨支閥的開度，最大限度地提高SCR出口NOx濃度分布均勻性。

(3)脫硝性能評估：噴氨優(yōu)化調(diào)整后，測試SCR脫硝裝置的脫硝效率及氨逃逸濃度，評估優(yōu)化調(diào)整的效果和脫硝裝置的性能。

2.2.4 數(shù)據(jù)處理

脫硝SCR反應(yīng)器出口截面的NOx濃度根據(jù)式(1)進行計算。

(1)

式中：NOx,out為反應(yīng)器出口截面NOx濃度，mg/m3，6%O2；O2,act為實測O2濃度，干基。

煙道截面NOx分布相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(CV值)由公式(2)～(4)進行計算。

(2)

(3)

(4)

3 結(jié)果與討論

3.1 優(yōu)化前后NOx濃度分布

噴氨優(yōu)化調(diào)整前，在機組600MW負(fù)荷下進行摸底測試，初步評估SCR脫硝效率和氨噴射流量分配狀況。

試驗過程中，控制反應(yīng)器出口NOx濃度均值在50mg/m3以下，根據(jù)反應(yīng)器出口NOx濃度分布情況，調(diào)節(jié)SCR入口噴氨支閥開度，改善氨氣在煙道截面上的分配，最大限度地提高SCR出口NOx濃度分布的均勻性。優(yōu)化前后SCR反應(yīng)器出口NOx濃度分布情況變化如圖2和圖3。

圖2 噴氨優(yōu)化調(diào)整前反應(yīng)器出口NOx濃度分布

圖3 噴氨優(yōu)化調(diào)整后反應(yīng)器出口NOx濃度分布

反應(yīng)器出口測孔編號A1～A9、B1～B9為從反應(yīng)器外側(cè)墻至鍋爐中心線方向，每一測孔內(nèi)測點編號P1～P3為煙道底部至頂部方向。

優(yōu)化前SCR出口截面NOx濃度呈現(xiàn)明顯不均勻分布，靠鍋爐中心線區(qū)域NOx濃度明顯偏高，如A9、B9測孔NOx濃度達(dá)到100mg/m3，與此相反，靠鍋爐外側(cè)墻區(qū)域NOx濃度偏低，尤其A反應(yīng)器出口靠外側(cè)墻大片區(qū)域NOx濃度幾乎為0。反應(yīng)器出口NOx濃度分布偏差較大，主要是由頂層催化劑入口處的氨氮摩爾比分布不均引起的，將會加劇下游空預(yù)器等設(shè)備的ABS堵塞風(fēng)險[24-30]。

經(jīng)過多輪優(yōu)化調(diào)整，SCR出口截面NOx濃度分布情況得到明顯改善，如圖4所示，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CV值分別從133%、81%減小至31%、32%。

圖4 噴氨優(yōu)化調(diào)整過程反應(yīng)器出口NOx濃度及其分布CV值變化情況

3.2 優(yōu)化前后氨逃逸濃度分布

噴氨優(yōu)化前后，SCR反應(yīng)器出口氨逃逸濃度分布如圖5所示。

圖5 噴氨優(yōu)化調(diào)整前后反應(yīng)器出口氨逃逸濃度分布

從圖5可以看出，噴氨優(yōu)化調(diào)整前，與NOx濃度分布情況相對應(yīng)，兩臺反應(yīng)器出口氨逃逸濃度也呈現(xiàn)明顯不均勻分布，A、B反應(yīng)器出口氨逃逸濃度分別為4.20μL/L、3.01μL/L，局部氨逃逸濃度峰值分別高達(dá)7.05μL/L、5.38μL/L。

噴氨優(yōu)化調(diào)整后，A、B反應(yīng)器出口氨逃逸濃度分別降至1.31μL/L、1.32μL/L，局部氨逃逸濃度峰值分別降低至1.78μL/L、1.73μL/L。

經(jīng)過噴氨優(yōu)化調(diào)整，SCR反應(yīng)器出口NOx濃度分布均勻性得到顯著改善的同時，氨逃逸濃度分布也趨于均勻，局部較高的氨逃逸得到控制。

3.3 優(yōu)化前后脫硝效率分布

噴氨優(yōu)化調(diào)整前后，各測孔對應(yīng)區(qū)域脫硝效率分布變化情況如圖6。

圖6 噴氨優(yōu)化調(diào)整前后脫硝效率分布

優(yōu)化前，機組600MW負(fù)荷下，不同位置的脫硝效率波動劇烈，A側(cè)效率介于70.3%～99.3%之間，平均為92.0%，B側(cè)效率介于59.5%～98.0%之間，平均為82.0%。

脫硝系統(tǒng)脫硝效率分布不均，其原因就在于SCR入口噴氨格柵各手動調(diào)閥原始開度沒有一定的指導(dǎo)原則，各支閥噴氨流量不能適應(yīng)煙道流場分布狀況，如A反應(yīng)器靠外側(cè)墻區(qū)域支閥開度過大，造成對應(yīng)區(qū)域脫硝效率過高，氨逃逸濃度過大。因此，為避免局部氨逃逸超標(biāo)，須對AIG各支閥開度進行優(yōu)化調(diào)整。

優(yōu)化后，機組600MW負(fù)荷下進行了平行工況測試，T-01工況下，A側(cè)效率介于79.7%～90.7%之間，平均效率為84.3%，B側(cè)效率介于82.6%～87.0%之間，平均效率為84.8%。

T-02工況下，A側(cè)效率介于81.0%～93.1%之間，平均效率為86.6%，B側(cè)效率介于76.7%～84.9%之間，平均效率為81.3%。不同區(qū)域的效率波動明顯減小，峰谷差異大幅降低。

3.4 氨耗量對比

噴氨優(yōu)化調(diào)整前后，SCR脫硝裝置進出口NOx濃度接近的條件下，脫硝系統(tǒng)總噴氨流量統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。噴氨優(yōu)化調(diào)整前機組負(fù)荷600MW、450MW統(tǒng)計時間分別為2018年11月12日17∶00～19∶00、2018年11月13日9∶00～12∶00；噴氨優(yōu)化調(diào)整后機組負(fù)荷600MW、450MW統(tǒng)計時間段分別為2018年11月14日7∶40～19∶40、2018年11月14日9∶40～12∶00。

表1 噴氨優(yōu)化調(diào)整前后氨耗量統(tǒng)計結(jié)果Tab.1 Statistical results of ammonia consumption before and after optimization adjustment

優(yōu)化調(diào)整后，機組600MW負(fù)荷下，表盤顯示總噴氨流量由206kg/h減小至171kg/h，降低比例約17.0%；機組450MW負(fù)荷下，表盤顯示總噴氨流量由171kg/h減小至119kg/h，降低比例約30.4%。

機組600MW和450MW負(fù)荷下，總噴氨流量平均減少43.5kg/h，按機組年利用小時數(shù)4000h計算，每年可節(jié)省液氨耗量174t，節(jié)省費用約73.95萬元(液氨價格按4250元/t計)。

除此之外，通過噴氨優(yōu)化調(diào)整，降低了局部較高的氨逃逸濃度，減小了空預(yù)器及下游設(shè)備的ABS堵塞風(fēng)險，保證了機組安全穩(wěn)定運行的同時，減少了因空預(yù)器等設(shè)備堵塞造成引風(fēng)機電耗增加以及額外的清堵費用等。

3.5 表計對比

噴氨優(yōu)化試驗后，采用網(wǎng)格法對SCR反應(yīng)器進出口主要煙氣參數(shù)進行測量，根據(jù)實測結(jié)果(截面平均值)對在線表計進行標(biāo)定(修正系數(shù)K=實測值/DCS表盤值)，如表2所示。

從表2可以看出，優(yōu)化后，A、B反應(yīng)器入口NOx濃度的修正系數(shù)分別為1.15和0.97，A、B反應(yīng)器出口NOx濃度的修正系數(shù)分別為0.78和0.97。

表2 表記標(biāo)定Tab.2 Meter calibration

噴氨優(yōu)化調(diào)整前后，脫硝系統(tǒng)A、B側(cè)SCR反應(yīng)器出口和煙囪入口NOx濃度(CEMS測量值)變化曲線如圖7所示。

圖7 脫硝出口及煙囪入口NOx濃度歷史曲線

從圖7可以看出，噴氨優(yōu)化調(diào)整前，由于SCR出口NOx濃度分布均勻性較差，取樣測量值偏離截面NOx濃度的平均值，代表性較差，A、B反應(yīng)器出口NOx濃度均明顯低于煙囪入口；噴氨優(yōu)化調(diào)整后，SCR出口NOx濃度分布均勻性顯著提高，CEMS取樣測量代表性提高，A、B反應(yīng)器出口與煙囪入口NOx濃度明顯趨近。

4 結(jié)論

通過對某600MW燃煤機組SCR脫硝系統(tǒng)進行噴氨優(yōu)化調(diào)整及效果分析，主要得到如下結(jié)果：

(1)噴氨優(yōu)化調(diào)整后，A、B側(cè)反應(yīng)器出口截面NOx質(zhì)量濃度分布趨于均勻，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差CV值分別從133%、81%減小至31%、32%，平均氨逃逸濃度分別從4.20μL/L、3.01μL/L降低至1.31μL/L、1.32μL/L，局部氨逃逸濃度峰值分別從7.05μL/L、5.38μL/L降至1.78μL/L、1.73μL/L。

(2)噴氨優(yōu)化調(diào)整改善了脫硝裝置入口氨氮摩爾比分布情況，消除了脫硝效率過高和過低的區(qū)域，SCR出口NOx濃度分布均勻性得到明顯改善，脫硝出口CEMS取樣測量代表性明顯提高，不同區(qū)域脫硝效率波動減小，局部氨逃逸濃度峰值顯著降低。

(3)經(jīng)統(tǒng)計，噴氨優(yōu)化調(diào)整后，機組600MW負(fù)荷下，總噴氨流量由206kg/h減小至171kg/h，降低比例約17.0%；機組450MW負(fù)荷下，總噴氨流量由171kg/h減小至119kg/h，降低比例約30.4%，不同工況下總噴氨流量大幅下降，不僅為電廠節(jié)省了生產(chǎn)維護成本，還減小了空預(yù)器及下游設(shè)備的ABS堵塞風(fēng)險，保證了機組長周期安全穩(wěn)定運行。