1 000 MW燃煤機(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)變負(fù)荷特性試驗(yàn)研究

劉景龍，張利孟，趙中華，陳凌云，侯凡軍

（1.山東電力研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；3.國(guó)能壽光發(fā)電有限責(zé)任公司，山東 壽光 262714）

0 引言

作為主要的大氣污染物之一，NOx的過(guò)量排放會(huì)引起酸雨、光化學(xué)煙霧、臭氧層破壞、全球變暖等多種環(huán)境問(wèn)題［1］。燃煤機(jī)組是NOx排放的主要來(lái)源。近年來(lái)國(guó)家對(duì)NOx的排放控制日益嚴(yán)苛，相繼印發(fā)《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014—2020年）》、《全面實(shí)施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》，要求燃煤電廠全面實(shí)現(xiàn)超低排放改造，NOx排放濃度不高于50 mg/m3［2-4］。

選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）煙氣脫硝技術(shù)因技術(shù)成熟、脫硝效率高、運(yùn)行可靠等優(yōu)勢(shì)，在國(guó)內(nèi)燃煤電廠得到普遍應(yīng)用［5］。隨著光伏、風(fēng)電等新能源大范圍并網(wǎng)，燃煤電廠調(diào)峰運(yùn)行成為常態(tài)［6-8］。而不同負(fù)荷下SCR入口煙氣流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和氮氧化物濃度場(chǎng)分布差別較大，使得SCR偏離設(shè)計(jì)工況運(yùn)行，導(dǎo)致噴氨過(guò)量引起鍋爐尾部設(shè)備積灰堵塞等一系列問(wèn)題［9］。因而研究不同負(fù)荷條件下的SCR運(yùn)行特性并進(jìn)行有針對(duì)性的運(yùn)行優(yōu)化具有重要意義。

楊建國(guó)等研究了660 MW 超超臨界機(jī)組運(yùn)行方式對(duì)SCR 系統(tǒng)氨逃逸率的影響，發(fā)現(xiàn)隨著機(jī)組負(fù)荷的降低，氨逃逸率呈降低趨勢(shì)［10］。王建豪等在多變負(fù)荷工況下進(jìn)行了燃煤電廠SCR 脫硝系統(tǒng)噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)研究，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)噴氨優(yōu)化調(diào)整，改善了局部噴氨過(guò)量和噴氨不足，降低了系統(tǒng)的氨逃逸量［11］。Tingting Yang 等基于最小二乘支持向量機(jī)，建立了SCR反應(yīng)器入口NOx實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)了火電機(jī)組變負(fù)荷條件下SCR 反應(yīng)器入口NOx濃度的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)［4］。陳鴻偉等通過(guò)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)GABP 算法的間接模型可實(shí)現(xiàn)調(diào)峰燃煤機(jī)組SCR 脫硝系統(tǒng)出口NOx濃度和氨逃逸濃度的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)［12］。范辰浩等設(shè)計(jì)了一種全負(fù)荷自適應(yīng)的精準(zhǔn)噴氨系統(tǒng)并投入工程應(yīng)用［13］。馬康豐進(jìn)行了火電機(jī)組SCR 脫硝系統(tǒng)全工況建模與優(yōu)化控制研究［14］。燃煤機(jī)組調(diào)峰對(duì)SCR 運(yùn)行影響的研究已成為熱點(diǎn)。

以某1 000 MW 燃煤機(jī)組SCR 煙氣脫硝系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)不同負(fù)荷下SCR 反應(yīng)器入口煙氣流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、NOx濃度場(chǎng)和SCR 反應(yīng)器出口NOx濃度場(chǎng)、氨逃逸等情況進(jìn)行測(cè)試，得到不同負(fù)荷狀態(tài)下SCR運(yùn)行特性，并給出運(yùn)行優(yōu)化建議。

1 研究對(duì)象和試驗(yàn)方法

1.1 研究對(duì)象

試驗(yàn)機(jī)組采用超超臨界變壓運(yùn)行、單爐膛、前后墻對(duì)沖燃燒、低NOx旋流燃燒器、一次中間再熱、半露天布置、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣Π 型布置燃煤鍋爐。前、后墻各布置3層煤粉燃燒器，每層各有8只低NOx旋流燃燒器，共48 只燃燒器。設(shè)計(jì)煤種、校核煤種均為神華集團(tuán)所屬神府東勝煤田煤。

SCR 脫硝裝置采用高溫高塵布置方式，反應(yīng)器布置在鍋爐省煤器和空預(yù)器之間，吸收劑為尿素。每臺(tái)鍋爐設(shè)兩臺(tái)SCR 反應(yīng)器，如圖1 所示，反應(yīng)器內(nèi)催化劑按“2+1”層布置，初裝兩層催化劑，最上層為預(yù)留層。催化劑為蜂窩式催化劑，活性溫度區(qū)間為295～430 ℃。氨注射混合系統(tǒng)布置于SCR 入口垂直煙道上，由氨噴射系統(tǒng)和靜態(tài)混合器組成。氨噴射系統(tǒng)中每臺(tái)反應(yīng)器布置4×18=72 只噴口，保證氨氣和煙氣混合均勻，噴射系統(tǒng)采用耙式布置，即每4 個(gè)噴口共用一根主管道，每臺(tái)反應(yīng)器設(shè)置18 個(gè)手動(dòng)閥。噴氨格柵布置如圖2所示。

圖1 SCR反應(yīng)器結(jié)構(gòu)

圖2 SCR反應(yīng)器噴氨格柵布置

1.2 試驗(yàn)方法

在機(jī)組負(fù)荷950 MW、750 MW 和500 MW 工況下，采用截面網(wǎng)格法分別測(cè)試SCR 入口的煙氣流速、溫度、NO 體積分?jǐn)?shù)、O2體積分?jǐn)?shù)和SCR出口的NO 體積分?jǐn)?shù)、O2體積分?jǐn)?shù)，計(jì)算NOx質(zhì)量濃度。

NOx質(zhì)量濃度ρ（NOx）的計(jì)算公式為：

式中：ρ（NOx）為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，6%氧量、干煙氣下NOx的質(zhì)量濃度，mg/m3；φ（NO）為實(shí)測(cè)干煙氣中NO 的體積分?jǐn)?shù)，μL/L；φ（O2）為實(shí)測(cè)干煙氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)（簡(jiǎn)稱氧量），%；2.05 為NOx由體積分?jǐn)?shù)到質(zhì)量濃度的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果繪制煙氣流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、NOx濃度場(chǎng)的等值線圖（圖3—圖17 中NOx質(zhì)量濃度分布、煙氣流場(chǎng)和溫度場(chǎng)，圖中A 側(cè)原點(diǎn)為面向鍋爐，靠近鍋爐中心線最淺測(cè)點(diǎn)，B 側(cè)原點(diǎn)為面向鍋爐，反應(yīng)器外側(cè)最淺測(cè)點(diǎn)），計(jì)算煙氣流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、NOx濃度場(chǎng)的均值x和均勻性系數(shù)Cv，計(jì)算公式為［15］：

式中：Cv為某參數(shù)的均勻性系數(shù)，%；σ為該參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差；為該參數(shù)的平均值；xi為某一測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的測(cè)量值，n為測(cè)點(diǎn)數(shù)量。

采用電廠安裝的全截面氨逃逸在線測(cè)量裝置測(cè)量氨逃逸平均濃度，試驗(yàn)前對(duì)該裝置進(jìn)行全截面網(wǎng)格法標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 氨逃逸在線表計(jì)標(biāo)定結(jié)果 單位：μL/L

2 試驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 入口煙氣NOx濃度場(chǎng)

不同負(fù)荷下的SCR 入口NOx濃度場(chǎng)分布如圖3、圖4、圖5所示。不同負(fù)荷下SCR入口NOx質(zhì)量濃度的變化如圖6 所示。SCR 反應(yīng)器入口NOx質(zhì)量濃度呈由鍋爐中間線向兩側(cè)逐漸降低的分布趨勢(shì)，在950 MW、750 MW 和500 MW 工況下，A 反應(yīng)器入口煙氣NOx濃度場(chǎng)均勻性系數(shù)分別為9.07%、13.52%和3.07%，B 反應(yīng)器入口煙氣NOx濃度場(chǎng)均勻性系數(shù)分別為11.33%、10.16%和6.09%，各負(fù)荷段反應(yīng)器入口煙氣NOx濃度場(chǎng)均勻性系數(shù)差別較大。隨著機(jī)組負(fù)荷降低，A 反應(yīng)器入口煙氣NOx濃度變化無(wú)明顯規(guī)律，濃度場(chǎng)均勻性系數(shù)無(wú)明顯規(guī)律；B 反應(yīng)器入口煙氣NOx濃度降低，濃度場(chǎng)均勻性系數(shù)減小。低負(fù)荷時(shí)NOx濃度分布更均勻。

圖3 950 MW 工況SCR 入口NOx質(zhì)量濃度分布

圖4 750 MW 工況SCR 入口NOx質(zhì)量濃度分布

圖5 500 MW 工況SCR 入口NOx質(zhì)量濃度分布

圖6 不同負(fù)荷下SCR 入口NOx質(zhì)量濃度的變化

隨著機(jī)組負(fù)荷降低，主燃燒區(qū)氧量逐步升高，風(fēng)煤比呈上升趨勢(shì)，煤粉濃度隨負(fù)荷降低而降低，破壞了煤粉燃燒初始階段的缺氧燃燒，使得爐膛出口NOx質(zhì)量濃度升高［16］；而負(fù)荷降低時(shí)爐膛整體溫度水平降低，爐內(nèi)熱力型NOx生成量減小，又使得爐膛出口NOx質(zhì)量濃度降低。通過(guò)燃燒調(diào)整，優(yōu)化鍋爐過(guò)量空氣系數(shù)、二次風(fēng)箱及燃盡風(fēng)風(fēng)箱開(kāi)度、燃燒器就地內(nèi)外二次風(fēng)開(kāi)度、燃盡風(fēng)旋流強(qiáng)度、各粉管煤粉濃度、磨煤機(jī)組合方式等可優(yōu)化爐膛出口NOx濃度分布［17］。

2.2 入口煙氣流場(chǎng)

不同負(fù)荷下的SCR入口煙氣流場(chǎng)分布如圖7、圖8、圖9 所示。不同負(fù)荷下SCR 入口煙氣流速的變化如圖10 所示。入口煙氣流場(chǎng)分布不均，存在流速過(guò)高或過(guò)低區(qū)域，在950 MW、750 MW 和500 MW 工況下，A 反應(yīng)器入口煙氣流場(chǎng)均勻性系數(shù)分別為16.74%、19.04%和18.26%，B 反應(yīng)器入口煙氣流場(chǎng)均勻性系數(shù)分別為18.93%、18.40%和19.99%，均超過(guò)SCR 入口截面煙氣流速15%的允許最大偏差［18］。A 反應(yīng)器入口煙氣流場(chǎng)呈中間高兩邊低的分布，而B(niǎo)反應(yīng)器入口煙氣流場(chǎng)無(wú)明顯規(guī)律。流場(chǎng)分布不均會(huì)對(duì)SCR 性能產(chǎn)生不利影響。煙氣流速過(guò)高會(huì)加劇催化劑磨損失活，煙氣停留時(shí)間不足、反應(yīng)不充分，NOx排放超標(biāo)；反之則可能導(dǎo)致催化劑積灰堵塞失活，局部噴氨過(guò)量，氨逃逸超標(biāo)［19］。

圖7 950 MW 工況SCR 入口煙氣流場(chǎng)

圖8 750 MW 工況SCR 入口煙氣流場(chǎng)

圖9 500 MW 工況SCR 入口煙氣流場(chǎng)

圖10 不同負(fù)荷下SCR入口煙氣流速的變化

隨著機(jī)組負(fù)荷降低，SCR 入口煙氣平均流速下降，流場(chǎng)均勻性系數(shù)呈增大趨勢(shì)。SCR 反應(yīng)器進(jìn)行計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)均采用均勻入口邊界條件，假定省煤器出口煙氣流場(chǎng)分布均勻［19］。而大型燃煤機(jī)組鍋爐爐膛出口流場(chǎng)受各粉管煤粉濃度、一次風(fēng)速偏差、燃燒器內(nèi)外二次風(fēng)門開(kāi)度、各燃盡風(fēng)門開(kāi)度及燃燒器噴口結(jié)焦、尾部煙道積灰情況等影響，省煤器出口煙道的煙氣流場(chǎng)隨機(jī)組負(fù)荷、磨煤機(jī)組合方式及爐內(nèi)燃燒工況改變而變化較大。SCR 入口煙道導(dǎo)流板的磨損、積灰等也會(huì)影響SCR 入口煙氣流場(chǎng)分布的均勻性。通過(guò)爐內(nèi)燃燒調(diào)整和流場(chǎng)優(yōu)化改造可提高SCR 入口煙氣流場(chǎng)均勻性，在流場(chǎng)模擬時(shí)應(yīng)采用非均勻入口條件。SCR 反應(yīng)器入口A 側(cè)煙氣量高于B 側(cè)，運(yùn)行控制應(yīng)考慮兩側(cè)噴氨量與煙氣量相匹配。入口調(diào)整的重點(diǎn)在于煙氣流場(chǎng)均勻性優(yōu)化。

2.3 入口煙氣溫度場(chǎng)

不同負(fù)荷下的SCR 入口煙氣溫度場(chǎng)分布如圖11、圖12、圖13 所示。不同負(fù)荷下SCR 入口煙溫的變化如圖14 所示。SCR 反應(yīng)器入口溫度場(chǎng)呈由鍋爐中間線向兩側(cè)逐漸降低的分布趨勢(shì)。各負(fù)荷段，SCR 反應(yīng)器入口溫度場(chǎng)均勻性系數(shù)均小于5%，分布較均勻，但最大煙溫偏差均遠(yuǎn)大于SCR 入口截面煙溫10 ℃的允許最大偏差［18］。隨著機(jī)組負(fù)荷降低，SCR入口平均煙溫下降，平均煙溫均在催化劑反應(yīng)活性溫度區(qū)間內(nèi)，溫度場(chǎng)均勻性系數(shù)呈減小趨勢(shì)。950 MW負(fù)荷時(shí)，A、B 兩側(cè)SCR 反應(yīng)器煙溫最大值分別為424.9 ℃、431.1 ℃，已接近或超過(guò)催化劑正常反應(yīng)430 ℃的允許最高煙溫，存在局部催化劑高溫?zé)Y(jié)風(fēng)險(xiǎn)。500 MW 負(fù)荷時(shí)，A、B 兩側(cè)SCR 反應(yīng)器煙溫兩側(cè)最小值分別為299.7 ℃、292.3 ℃，已接近或低于295 ℃的允許最低煙溫，存在局部催化劑低溫中毒失活風(fēng)險(xiǎn)。爐內(nèi)燃燒調(diào)整是降低爐膛出口橫向煙溫偏差的有效手段。

圖11 950 MW 工況SCR 入口煙氣溫度場(chǎng)

圖12 750 MW 工況SCR 入口煙氣溫度場(chǎng)

圖13 500 MW 工況SCR 入口煙氣溫度場(chǎng)

圖14 不同負(fù)荷下SCR入口煙溫的變化

2.4 出口煙氣NOx質(zhì)量濃度場(chǎng)

不同負(fù)荷下的SCR 出口煙氣NOx質(zhì)量濃度場(chǎng)分布如圖15、圖16、圖17 所示。不同負(fù)荷下SCR 出口NOx質(zhì)量濃度的變化如圖18 所示。SCR 反應(yīng)器出口煙氣NOx質(zhì)量濃度場(chǎng)分布無(wú)明顯規(guī)律，兩側(cè)NOx質(zhì)量濃度偏差較小。SCR反應(yīng)器出口煙氣NOx質(zhì)量濃度場(chǎng)分布不均，在950 MW、750 MW 和500 MW 工況下，A反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度場(chǎng)均勻性系數(shù)分別為26.21%、26.99%和47.86%，B 反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度場(chǎng)均勻性系數(shù)分別為38.83%、24.16%和42.49%，均超過(guò)SCR 出口截面煙氣NOx質(zhì)量濃度場(chǎng)20%的允許最大偏差［15］，說(shuō)明各負(fù)荷段均存在不同程度的噴氨過(guò)量，需進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)行優(yōu)化降低過(guò)量噴氨。

圖15 950 MW 工況SCR 出口NOx質(zhì)量濃度場(chǎng)

圖16 750 MW 工況SCR 出口NOx質(zhì)量濃度場(chǎng)

圖17 500 MW 工況SCR 出口NOx質(zhì)量濃度場(chǎng)

圖18 不同負(fù)荷下SCR 出口NOx質(zhì)量濃度的變化

各負(fù)荷段SCR 反應(yīng)器出口平均NOx質(zhì)量濃度均低于25 mg/m3；500 MW 負(fù)荷下，B 反應(yīng)器出口平均NOx質(zhì)量濃度甚至低至8.73 mg/m3，過(guò)高的脫硝效率會(huì)導(dǎo)致氨逃逸的急劇增長(zhǎng)，各負(fù)荷下應(yīng)根據(jù)氨逃逸情況確定合適的最大脫硝效率［20］。不同負(fù)荷下，SCR反應(yīng)器出口煙氣NOx質(zhì)量濃度場(chǎng)分布偏差較大，這與入口煙氣NOx質(zhì)量濃度場(chǎng)、速度場(chǎng)分布不均有關(guān)。

SCR 入口煙氣NOx質(zhì)量濃度場(chǎng)和流場(chǎng)分布隨機(jī)組負(fù)荷變化而變化，兩者疊加可能引起更大的流場(chǎng)不均，不同的煙氣分布對(duì)應(yīng)不同的需氨量，即不同的噴氨支管手動(dòng)閥開(kāi)度。常規(guī)的人工噴氨優(yōu)化調(diào)整，在高負(fù)荷段優(yōu)化調(diào)整后，負(fù)荷變動(dòng)后仍可能出現(xiàn)噴氨不均的情況。當(dāng)前燃煤機(jī)組深度調(diào)峰已成為常態(tài)，機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)較大，不可能長(zhǎng)期在高負(fù)荷運(yùn)行。應(yīng)充分考慮負(fù)荷變化引起的流場(chǎng)變化、NOx質(zhì)量濃度分布變化對(duì)SCR 運(yùn)行特性的影響，進(jìn)行實(shí)時(shí)噴氨量調(diào)整?；贜Ox分區(qū)實(shí)時(shí)測(cè)量和噴氨量分區(qū)自動(dòng)調(diào)整的SCR脫硝系統(tǒng)精準(zhǔn)噴氨優(yōu)化技術(shù)可有效解決以上問(wèn)題［21］。

2.5 脫硝效率和氨逃逸

不同負(fù)荷下脫硝效率與氨逃逸的變化如圖19所示。各負(fù)荷段SCR 反應(yīng)器脫硝效率均大于90%，隨著負(fù)荷降低呈上升趨勢(shì)；SCR 反應(yīng)器出口氨逃逸均值均超過(guò)3 μL/L，且隨負(fù)荷的降低而降低。這是由于隨著負(fù)荷降低，煙氣量減小，煙氣平均流速降低，煙氣在催化劑表面停留時(shí)間增加，NOx與NH3反應(yīng)時(shí)間增加，脫硝效率較高。在滿足環(huán)保指標(biāo)的前提下，應(yīng)合理控制脫硝效率以降低氨逃逸。通過(guò)加裝第三層催化劑，增加煙氣停留時(shí)間，可提高SCR 反應(yīng)器的脫硝效率。

圖19 不同負(fù)荷下脫硝效率與氨逃逸的變化

3 結(jié)語(yǔ)

不同負(fù)荷下，SCR 煙氣脫硝系統(tǒng)入口煙氣流場(chǎng)、NOx濃度場(chǎng)分布偏差較大，不同負(fù)荷應(yīng)對(duì)應(yīng)不同的噴氨支管手動(dòng)閥開(kāi)度。噴氨優(yōu)化調(diào)整應(yīng)充分考慮負(fù)荷變化引起的流場(chǎng)變化、NOx濃度分布變化對(duì)SCR運(yùn)行特性的影響，基于NOx濃度分區(qū)實(shí)時(shí)測(cè)量和噴氨量分區(qū)自動(dòng)調(diào)整的SCR 脫硝系統(tǒng)精準(zhǔn)噴氨優(yōu)化技術(shù)可有效解決以上問(wèn)題。

不同負(fù)荷下SCR 入口煙氣溫度場(chǎng)分布規(guī)律接近，但煙溫最大偏差均遠(yuǎn)超10 ℃的設(shè)計(jì)值，存在催化劑高溫?zé)Y(jié)、低溫失活風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)通過(guò)燃燒調(diào)整優(yōu)化爐膛出口煙溫分布。

不同負(fù)荷下，SCR出口NOx濃度場(chǎng)均勻性系數(shù)均超過(guò)20%，氨逃逸均超過(guò)3 μL/L。各負(fù)荷下應(yīng)根據(jù)氨逃逸情況確定合適的最大脫硝效率。加裝第三層催化劑可提高SCR反應(yīng)器的脫硝效率。