660 MW機(jī)組脫硝SCR分區(qū)噴氨控制技術(shù)改造

謝曄，王宏銘,馬麗媛,陶鑫,劉勇

（寧夏京能寧東電廠，寧夏 銀川 750400）

0 引言

某國(guó)產(chǎn)機(jī)組鍋爐為超臨界660 MW燃煤汽輪發(fā)電空冷機(jī)組，鍋爐型號(hào)為HG2210/25?4-YM1，螺旋管圈加垂直管屏直流爐，單爐膛、一次中間再熱，采用變壓運(yùn)行及切圓燃燒方式，平衡通風(fēng)，固態(tài)排渣，全鋼懸吊結(jié)構(gòu)Π型鍋爐。機(jī)組脫硝系統(tǒng)采用選擇性催化還原脫銷系統(tǒng)（selective catalytic reduction,SCR)工藝，脫硝系統(tǒng)入口NOX濃度按600 mg/m3、脫硝效率70%設(shè)計(jì)，催化劑采用1+1層布置，初裝催化劑采用板式催化劑。為滿足國(guó)家污染物超低排放標(biāo)準(zhǔn)[1]，該廠對(duì)原預(yù)留層催化劑進(jìn)行了加高處理并進(jìn)行了加裝，采用兩層催化劑同時(shí)運(yùn)行，根據(jù)文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)入口NOX濃度小于400 mg/m3，設(shè)計(jì)脫硝效率87?5%，出口NOX濃度小于50 mg/m3。反應(yīng)器采用高塵布置工藝，即反應(yīng)器布置在鍋爐省煤器出口與空預(yù)器之間。每套脫硝系統(tǒng)設(shè)置兩個(gè)反應(yīng)器，每個(gè)反應(yīng)器內(nèi)的每層催化劑模塊數(shù)為88塊。SCR控制系統(tǒng)接入機(jī)組DCS系統(tǒng)，脫硝系統(tǒng)采用聲波吹灰方式，吹灰器裝在每個(gè)催化劑層的上方。2臺(tái)機(jī)組脫硝系統(tǒng)共用1套液氨儲(chǔ)存與供應(yīng)系統(tǒng)。

該廠通過(guò)對(duì)原預(yù)留層催化劑進(jìn)行了加高處理并進(jìn)行了加裝，進(jìn)一步提升了NOX在脫硝反應(yīng)器中的轉(zhuǎn)化效率，但是，脫硝效率的提高帶來(lái)SCR反應(yīng)器氨逃逸整體過(guò)量、過(guò)大，噴氨量過(guò)大和噴氨不均的問(wèn)題[3]。與此同時(shí)，SCR催化劑使用量的增加促進(jìn)了煙氣中SO2/SO3轉(zhuǎn)化率升高。SCR反應(yīng)器逃逸的NH3與煙氣中SO3反應(yīng)生成NH4HSO4[4-5]。NH4HSO4被煙氣帶入下游空氣預(yù)熱器和低溫省煤器等設(shè)備，引發(fā)下游設(shè)備（特別是空氣預(yù)熱器）堵塞，造成引風(fēng)機(jī)電耗上升[6]，影響安全性和經(jīng)濟(jì)性。

為解決上述問(wèn)題，本文引入一種SCR分區(qū)噴氨控制技術(shù)。通過(guò)改進(jìn)脫硝裝置噴氨管路分布，巡測(cè)SCR出口NOX濃度分布實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)噴氨量精細(xì)化控制，改善燃煤機(jī)組超低排放改造后局部流場(chǎng)不均，噴氨量過(guò)大等問(wèn)題。

1 改造方案

1.1 技術(shù)方案

機(jī)組配套脫硝系統(tǒng)采用SCR工藝，催化劑采用2層布置。此次改造是在第二層技術(shù)改造的基礎(chǔ)上進(jìn)行。SCR分區(qū)噴氨控制技術(shù)由分區(qū)噴氨管路模塊、SCR出口NOX/O2濃度巡測(cè)模塊和控制模塊構(gòu)成。分區(qū)噴氨管路模塊由1根噴氨母管和4個(gè)分區(qū)母管組成，如圖1所示。分區(qū)母管將反應(yīng)器均勻分割為4個(gè)獨(dú)立的噴氨區(qū)域。分區(qū)母管下游增設(shè)分區(qū)支管、調(diào)平閥、支管調(diào)節(jié)閥和氨質(zhì)量流量計(jì)，用來(lái)精確調(diào)控分區(qū)噴氨流量。NOX/O2濃度巡測(cè)模塊安裝在SCR進(jìn)、出口水平煙道和空預(yù)器進(jìn)口之間，利用網(wǎng)格法測(cè)定噴氨區(qū)域NOX濃度。

圖1 分區(qū)噴氨管路模塊

控制模塊為獨(dú)立運(yùn)行的分散控制系統(tǒng)，其作用在于協(xié)調(diào)NOX/O2濃度巡測(cè)模塊和分區(qū)噴氨管路模塊，實(shí)現(xiàn)分區(qū)精確噴氨。當(dāng)NOX/O2濃度巡測(cè)發(fā)現(xiàn)某分區(qū)NOX/O2濃度存在偏差時(shí)，控制模塊提供調(diào)平閥開(kāi)度值并將其傳送至調(diào)節(jié)閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，快速調(diào)節(jié)分區(qū)噴氨流量和改變分區(qū)NOX濃度值。

1.2 方案實(shí)施

按照技術(shù)方案對(duì)原噴氨母管改造，降低原噴氨母管高度500 mm，在其上方1 200 mm處新增DN600噴氨母管及DN200的分區(qū)支管，鍋爐每側(cè)脫硝煙道增加1個(gè)噴氨母管和4個(gè)分區(qū)支管，并在支管上增加流量計(jì)、調(diào)節(jié)閥和手動(dòng)閥。對(duì)分區(qū)噴氨測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行安裝，在每側(cè)的脫硝反應(yīng)器進(jìn)、出口煙道內(nèi)各布置4跟取樣槍，一共布置16根取樣槍，然后每4跟取樣槍引出取樣支管匯至一次取樣切換裝置，然后每個(gè)模塊再設(shè)置DN150的取樣總管，在取樣總管上設(shè)置二次取樣預(yù)處理裝置、氨逃逸安裝裝置（只設(shè)置在出口取樣中）和取樣總閥等裝置。對(duì)SCR分區(qū)噴氨控制系統(tǒng)與原DCS系統(tǒng)進(jìn)行通訊，對(duì)分區(qū)噴氨控制系統(tǒng)進(jìn)行安裝、組態(tài)及調(diào)試工作。改造后分區(qū)噴氨實(shí)際改造情況見(jiàn)圖2。

圖2 分區(qū)噴氨改造后

2 應(yīng)用及評(píng)價(jià)

2.1 改造后的NOX濃度場(chǎng)分布情況

在SCR出口NOX/O2濃度分布是驗(yàn)證SCR分區(qū)噴氨控制技術(shù)是否可行的關(guān)鍵指標(biāo)。采用網(wǎng)格法測(cè)試SCR出口NOX/O2濃度分布。脫硝反應(yīng)器左側(cè)和右側(cè)煙道分布命名為21和22側(cè)煙道。SCR分區(qū)噴氨控制技術(shù)將脫硝反應(yīng)器分為8個(gè)獨(dú)立的分區(qū)。通過(guò)布置在脫硝出口水平的煙道側(cè)墻上36個(gè)測(cè)點(diǎn)完成分區(qū)NOX/O2濃度測(cè)試。脫硝反應(yīng)器測(cè)點(diǎn)分布如圖3所示。

圖3 脫硝反應(yīng)器NOX/O2取樣測(cè)點(diǎn)分布位置

對(duì)于SCR出口NOX/O2濃度分布狀況，采用標(biāo)準(zhǔn)偏差S來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)[7-8]。計(jì)算公式如下：

式中X—平均值；

Xi—局部值；

N—測(cè)點(diǎn)數(shù)量。

在改造前計(jì)劃將改造后同一煙道NOX的測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差控制在8 mg/Nm3以內(nèi)。圖4為600 MW穩(wěn)定運(yùn)行負(fù)荷下，SCR分區(qū)噴氨控制系統(tǒng)運(yùn)行后，SCR出口NOX濃度(標(biāo)態(tài)、干基和6%O2)分布柱狀圖。

圖4 SCR出口NOX濃度在煙道不同位置分布

圖中，反應(yīng)器21側(cè)煙道入口NOX濃度范圍為306?2~343?8 mg/m3，反應(yīng)器22側(cè)煙道入口NOX濃度范圍為294?2~315?2 mg/m3。原機(jī)組（未加裝SCR分區(qū)噴氨控制系統(tǒng)）設(shè)計(jì)脫硝效率為87?5%，出口NOX濃度≤50 mg/m3；但是，從圖4中可以看出，現(xiàn)機(jī)組煙氣經(jīng)過(guò)脫硝反應(yīng)器后，SCR反應(yīng)器21和22側(cè)煙道出口NOX濃度平均值分別下降至30?86，34?32 mg/m3，脫硝效率89?92%~91?96%。SCR出口AB側(cè)煙道NOX濃度分布標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為7?40，7?74 mg/m3，兩側(cè)標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于8 mg/m3，滿足改造前的設(shè)計(jì)目標(biāo)。說(shuō)明，SCR分區(qū)噴氨控制系統(tǒng)增加不僅可以滿足國(guó)家NOX超低排放要求，而且明顯提高脫硝效率，均布脫硝噴氨流場(chǎng)[9]。

2.2 改造前后空預(yù)器阻力的變化

燃煤機(jī)組NOX排放越低，脫硝反應(yīng)器需要比表面積越大。催化劑比表面積的增大會(huì)促進(jìn)更多SO2轉(zhuǎn)化為SO3。當(dāng)空預(yù)器冷端排煙溫度低于酸露點(diǎn)時(shí)，逃逸的氨與煙氣中SO3反應(yīng)生成NH4SO4[9]，造成空預(yù)器阻力上升，導(dǎo)致引風(fēng)機(jī)電耗上升。圖5為噴氨控制系統(tǒng)改造后空預(yù)器壓差隨運(yùn)行時(shí)間的變化趨勢(shì)。

圖5 SCR反應(yīng)器前后兩側(cè)空預(yù)器差壓隨運(yùn)行時(shí)間變化

從圖中可以看出，SCR反應(yīng)器兩側(cè)出口空預(yù)器差壓偏差趨于一致，21/22側(cè)空預(yù)器阻力下降明顯，且隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，兩側(cè)空預(yù)器差壓比較穩(wěn)定，無(wú)上升趨勢(shì)。

表1為SCR分區(qū)噴氨系統(tǒng)改造前后機(jī)組平均負(fù)荷為510 MW時(shí)空預(yù)器差壓值的變化情況。

表1 SCR分區(qū)噴氨系統(tǒng)改造前后空預(yù)器壓差

系統(tǒng)投運(yùn)前兩臺(tái)空預(yù)器差壓平均值為1?073 kPa，且兩臺(tái)空預(yù)器差壓偏差約300 Pa；系統(tǒng)投運(yùn)后，兩臺(tái)空預(yù)器差壓平均值為1?019 kPa，比系統(tǒng)投運(yùn)前下降54 Pa；兩臺(tái)空預(yù)器阻力偏差僅為50 Pa，比系統(tǒng)投運(yùn)前下降250 Pa。

2.3 改造后SCR噴氨總量變化特性

圖6為噴氨控制系統(tǒng)改造后SCR反應(yīng)器21/22側(cè)噴氨量隨運(yùn)行時(shí)間的變化趨勢(shì)。

圖6 改造后SCR反應(yīng)器21/22側(cè)噴氨量變化

從圖中可以看出，系統(tǒng)投運(yùn)后，SCR入口兩側(cè)氨流量有所下降，且波動(dòng)范圍明顯變小。機(jī)組負(fù)荷的改變是影響噴氨量的重要因素，特別是21側(cè)氨流量隨運(yùn)行時(shí)間變化趨勢(shì)與機(jī)組負(fù)荷變化趨勢(shì)保持一致，說(shuō)明SCR分區(qū)噴氨控制系統(tǒng)擁有較高的噴氨總閥控制精準(zhǔn)度。

為了定量分析SCR分區(qū)噴氨控制系統(tǒng)改造后機(jī)組噴氨總量的變化情況，選取了機(jī)組改造前、后兩個(gè)月的主要相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，如表2所示。

從表2數(shù)據(jù)可知，SCR在平均負(fù)荷為501?5 MW時(shí)分區(qū)噴氨控制系統(tǒng)改造前兩個(gè)月內(nèi)，平均脫除NOX濃度為284?1 mg/m3時(shí)，對(duì)應(yīng)的兩側(cè)平均噴氨量為104?5 kg/h；改造后兩個(gè)月內(nèi)，平均脫除NOX濃度為272?4 mg/m3，對(duì)應(yīng)的兩側(cè)平均噴氨量為92?8 kg/h。分區(qū)噴氨項(xiàng)目完成后，平均脫除NOX濃度下降約4?1%，而總噴氨量下降約11?2%，換算到平均脫除NOX濃度相同的情況下，總噴氨量下降約7?1%。

表2 SCR分區(qū)噴氨系統(tǒng)改造前后相關(guān)參數(shù)對(duì)比

3 結(jié)論

1）660 MW燃煤汽輪發(fā)電空冷機(jī)機(jī)組增加SCR分區(qū)噴氨控制系統(tǒng)不僅可以滿足國(guó)家NOX超低排放要求，而且明顯提高了脫硝效率。SCR反應(yīng)器煙道出口NOX濃度平均值下降至30?86~34?32 mg/m3，脫硝效率提高至89?92~91?96%。且能夠均布噴氨流場(chǎng)。

2）相同機(jī)組平均負(fù)荷條件下，SCR分區(qū)噴氨控制系統(tǒng)可控制空預(yù)器阻力上升，且節(jié)約噴氨量。