燃煤鍋爐SCR脫硝系統調試介紹

王柏森，黎 耘

（北京巴布科克·威爾科克斯有限公司，北京100043）

隨著我國國民經濟的高速增長，對能源的需求也在迅速增加。雖然我國環境保護工作取得了積極的進展，但是總體環境形勢依然十分嚴峻，以煤為主導的能源結構導致大氣污染物排放總量居高不下，區域性大氣污染問題日趨明顯，酸雨的類型已經從硫酸型向硫酸和硝酸復合型轉化。

燃煤鍋爐脫硝裝置調試效果的好壞，直接影響著機組的長期達標排放和安全運行。鑒于調試工作的重要作用，筆者以天津軍糧城電廠（簡稱軍糧城電廠）五期2臺350MW供熱機組為例，介紹脫硝裝置的調試情況，以期對我國燃煤機組煙氣脫硝工作起到參考作用。

1 脫硝工藝

軍糧城電廠采用選擇性催化還原法（SCR）脫硝。脫硝裝置由北京巴布科克·威爾科克斯有限公司（簡稱巴威公司）提供，與鍋爐同步建設投運。

1.1 工藝原理

SCR脫硝基本原理是氨氣（NH3）與鍋爐煙氣中的氮氧化物（NOx）在催化劑的作用下發生化學反應生成無害的氮氣和水。

在脫硝反應中，參與反應的化學方程式如下：

其中，式（1）是脫硝主反應（因煙氣中NO占氮氧化物含量的95%左右）。

1.2 系統說明

軍糧城電廠SCR脫硝采用高塵布置方式，即脫硝反應器布置在鍋爐省煤器與空氣預熱器之間。工藝系統主要包括液氨存儲與供給系統、氨稀釋與噴射系統和脫硝反應系統等。SCR脫硝流程見圖1。

圖1 SCR脫硝流程簡圖

1.2.1 氨稀釋與噴射系統

氨稀釋與噴射系統包括稀釋風機、氨／空氣混合器、分配集箱、氨噴射格柵、流量計和相應管道及閥門等。

稀釋風機提供的空氣在氨／空氣混合器處將來自氨區的氨氣稀釋成5%左右體積濃度的稀釋氨氣，然后稀釋氨氣分成兩路輸送到兩側煙道的分配集箱，通過集箱上各供氨管路輸送至氨噴射格柵并噴入煙道。

1.2.2 脫硝反應系統

脫硝反應系統包括脫硝進出口煙道、反應器、直流格柵、催化劑、取樣格柵、吹灰系統、導流設備和相關儀表等。

氨噴射格柵噴入的稀釋氨氣與鍋爐煙氣在脫硝豎直上升煙道混合，經導流裝置及直流格柵整流送至反應器；氨氣在催化劑的作用下與煙氣中的NOx發生化學反應生成氮氣和水；反應產物隨煙氣一起進入空氣預熱器。

2 脫硝設計方案

2.1 脫硝入口煙氣參數

軍糧城電廠脫硝系統入口煙氣參數見表1，不同負荷下鍋爐脫硝系統入口煙氣量和溫度見表2，鍋爐BMCR工況下煙氣中污染物成分見表3。

表1 脫硝系統入口煙氣參數

表2 鍋爐不同負荷時的脫硝系統入口煙氣量和溫度

表3 鍋爐BMCR工況下脫硝系統入口煙氣中污染物成分（標準狀態，濕基，實際含氧量）

2.2 脫硝性能保證

在燃用設計煤種和校核煤種、鍋爐100%THA負荷、煙氣中NOx不大于500mg／m3、煙氣中含塵質量濃度不大于52g／m3（干基）時，滿足：

（1）性能考核期間（鍋爐168h后運行半年內），脫硝效率不小于80%，氨逃逸率不大于3×10-6，SO2／SO3轉化率小于1%。

（2）附加層催化劑投運前（脫硝裝置投運3年時），脫硝效率不小于61%，氨逃逸率不大于3×10-6，SO2／SO3轉化率小于1%。

3 脫硝系統調試

脫硝系統調試過程一般分為單體調試、分系統調試、熱態調試和氨噴射系統調試。

3.1 單體調試

單體調試是對脫硝系統的泵、風機、閥門和液氨卸料壓縮機等按照廠家說明書要求進行開關性試驗、連續運轉試驗，并測定軸承升溫、振動以及噪聲等；同時，要對所有設備按照施工圖紙進行跟蹤檢查，確保所有設備安裝無誤、KKS編碼懸掛標示正確。單體調試中發現的問題要及時解決，確保后續試驗的正常運行。

3.2 分系統調試

分系統調試是指對液氨存儲與供給系統、氨稀釋系統、氨噴射系統、脫硝反應系統、吹灰系統、消防系統和氨泄漏檢測系統等進行冷態模擬試運行，全面檢查各分系統的工作狀況，并進行相關的連鎖和保護試驗；同時，及時處理調試過程中發現的問題。

分系統調試期間，對氨罐、蒸發器、緩沖槽及承壓管線進行水壓試驗。水壓試驗壓力一般為設計壓力的1.2倍。水壓試驗時，對發現的漏點要及時解決。問題處理后，還要再進行一次水壓試驗，確保沒有漏點。水壓試驗完成后，排凈試水，并用大量的壓縮空氣吹掃，確保試水排干。

水壓試驗完成后，再對有氨流過的設備及管路系統進行氣密性試驗；同時，用肥皂水對所有法蘭、閥門及儀表接口等進行全面檢查。氣密性試驗進行30min以上，發現泄漏點要及時進行處理，確保系統的嚴密性。

氨氣在空氣中爆炸的極限體積分數為16%～25%。在氨罐裝氨前，要對卸氨管路、氨罐、蒸發器、緩沖槽和其他相關管路進行氮氣置換。

試運稀釋風機，確保稀釋風管路吹掃干凈；同時，打開各分區手動調節閥，檢查噴氨格柵上噴嘴是否暢通。

根據分析儀廠家的說明書校準NOx／O2分析儀、NH3逃逸分析儀，并對其信號進行連鎖控制。

調試蒸汽吹灰系統，確保其遠傳／就地控制靈活準確；同時對其程控系統進行調試，確保滿足運行需要。

對消防系統進行噴淋試驗，確保各閥門動作準確，噴淋正常。

3.3 熱態調試

熱態調試是指脫硝反應系統通入熱煙氣及氨系統運行后，校驗各種關鍵儀表（流量計、溫度計、分析儀、壓力表等）的準確性以及進行各子系統的運行優化試驗，包括稀釋氨系統、裝卸氨、氣化氨以及DCS模擬量的調節系統（氨蒸發器的溫度自動控制、緩沖罐的壓力控制、噴氨量的控制）等。熱態調試與氨噴射系統調試密切相關，必須及時正確處理發現的問題。

3.4 氨噴射系統調試

氨噴射系統調試即脫硝噴氨分布調試，是脫硝調試最重要的一環。機組穩定在80%BMCR負荷以上時，即可進行噴氨分布調試，其步驟見圖2。該工程氨噴射系統在每個分配集箱引出20個分區供氨管線，因不同管線上閥門開度調節引起的各管線流量變化相關性很大，手動調節閥需要進行多次調整才能使相應管線內流量達到預期要求。

圖2 噴氨分布調試步驟

根據脫硝主反應方程，脫硝噴氨分布調試時需使反應器進口各點NH3與NOx質量濃度相匹配，而反應器出口NOx的分布情況反映反應器進口NH3與NOx的匹配程度?？紤]到鍋爐省煤器出口煙氣中NOx成分是NO（95%）和NO2（5%），并且煙氣中的NO2不容易檢測，故通過測量NO分布情況的方法確定NOx的分布，進而判定反應器進口NH3與NOx的匹配程度。軍糧城電廠脫硝項目就是通過測量反應器出口取樣格柵處NO質量濃度的分布情況判定反應器進口NH3／NOx摩爾分布偏差是否達到設計要求。

計算反應器出口NOx質量濃度分布偏差的公式如下：

3.4.1 噴氨分布調試時氨區運行情況

對9號鍋爐的脫硝噴氨分布調試。此前實測鍋爐NOx質量分數最大排放僅為195×10-6（400mg／m3干態，6%氧量），按80%脫硝效率計算僅需氨耗量142kg／h?？紤]到噴氨分布調試期間氣溫較高，只依靠氨罐自身壓力和氨罐及管路從環境的吸熱即可滿足氨氣量的正常供給。因此噴氨分布調試期間，不需投入氨泵和氨蒸發器，將氣氨直接從這兩個設備的旁路輸送至脫硝反應區。

3.4.2 噴氨分布調試

首先在主控室設定脫硝效率為50%，自動調整氨氣調節閥使氨流量達到該設定值，此時將氨氣調節閥控制模式設為手動；隨后進行噴氨追蹤性試驗以確定噴氨分區（單煙道20個分區）與反應器出口取樣格柵各點（單煙道24個點）的對應關系；最后調節各分區閥門盡量使稀釋氨流量與相應分區NOx量相匹配。此時，記錄取樣格柵處各點NO測量值，計算實測反應器出口NO分布偏差，并與反應器出口NOx設計分布偏差比較。若不在設計偏差范圍內，則還需繼續調整50%脫硝效率的噴氨分布；若在設計偏差范圍內，則可認為脫硝效率50%的噴氨分布已經調整好。調試好50%脫硝效率噴氨分布后，再設置脫硝效率為80%，按照上述程序繼續進行調節，直至80%脫硝效率的噴氨分布調試完好。

通常，噴氨分布需要多次調整才能達到設計要求。在調試過程中，一定要仔細耐心，防止手動調節閥開度調過頭。

經過多次微調，噴氨分布達到比較理想的效果。最后記錄調試結束后反應器出口各取樣點NO質量濃度的實測值并進行計算，以確認調試效果。

為對比脫硝噴氨分布調試效果，在調整試驗前測試了反應器出口各點NOx質量濃度實測數據。噴氨分布調整試驗前，反應器A側、B側出口各點NOx質量濃度實測數據分別見表4、表5。

表4 A側反應器出口各點NOx質量濃度實測數據（6%氧量，干態） mg·m-3

根據式（4）、式（5）、式（6），得出 A 側反應器出口NOx質量濃度分布偏差為38.9%。

表5 B側反應器出口各點NOx質量濃度實測數據（6%氧量，干態） mg·m-3

根據式（4）、式（5）、式（6），得出 B側反應器出口NOx質量濃度分布偏差為41.2%。

噴氨分布調試后，反應器A側、B側出口各點NOx質量濃度實測數據分別見表6、表7。

表6 A側反應器出口各點NOx質量濃度實測數據（6%氧量，干態） mg·m-3

根據式（4）、式（5）、式（6），得出 A 側反應器出口NOx質量濃度分布偏差為11.2%。

表7 B側反應器出口各點NOx質量濃度實測數據（6%氧量，干態） mg·m-3

根據式（4）、式（5）、式（6），得出 B側反應器出口NOx質量濃度分布偏差為16.9%。

根據巴威公司的性能計算，該項目在80%脫硝效率情況下，反應器出口NOx質量濃度分布偏差不大于23.6%即可滿足反應器進口NH3／NOx摩爾分布偏差要求。通過上述數據可以看出：經過噴氨分布調試，兩側反應器出口NOx質量濃度分布偏差較調試前有了巨大的提高，調試效果比較理想，較好地滿足了巴威公司脫硝噴氨分布的目標范圍。

手動模式調試完畢后，進行DCS負荷變動自動控制聯調，以確保脫硝裝置在自動控制的情況下運行良好。

為切實考查本次試驗的調試效果，保持所有手動調節閥開度不變，增大噴氨量以提高脫硝效率。經過查看DCS歷史畫面，兩側煙道脫硝效率最大值均在95%以上；同時，兩側反應器出口漏氨測量值均在1×10-6以下?？紤]到單點測量的流場特性及儀表的測量誤差等各方面因素，單點測量數據不一定能代表反應器進、出口氮氧化物的整體情況。

為了提高數據的可靠性，在增加噴氨量的情況下，對反應器A側、B側出口各點NOx質量濃度值進行了網格法測量。反應器出口兩側各點NOx質量濃度數據分別見表8、表9。

表8 A側反應器出口各點NOx質量濃度實測數據（6%氧量，干態） mg·m-3

根據式（4）、式（5）、式（6），得出 A 側反應器出口NOx質量濃度分布偏差為30.4%。

表9 B側反應器出口各點NOx質量濃度實測數據 （6%氧量，干態） mg·m-3

根據式（4）、式（5）、式（6），得出 B側反應器出口NOx質量濃度分布偏差為30.9%。

從表8、表9可以看出：9號鍋爐A、B反應器出口各取樣點NO質量濃度值比較均勻，兩側脫硝效率均在95%以上；同時，兩側NOx數據沒有出現接近零點低值，說明氨氣反應的比較完全，反應器出口漏氨微乎其微，反應器出口氨逃逸檢測儀的監測數據還是比較準確的?？紤]到該項目脫硝效率在95%時，反應器出口NOx分布偏差不大于39.8%即可滿足反應器進口NH3／NOx摩爾分布偏差要求。結合以上數據進行分析，9號鍋爐噴氨分布的調試效果可使脫硝效率在95%以上?？紤]到測試時的數據測量誤差，可認為噴氨分布的調試效果可使9號鍋爐的脫硝效率在90%以上，脫硝系統設計和脫硝噴氨分布調試相當成功。

3.4.3 結果分析

針對軍糧城電廠脫硝調試結果，分析如下：

（1）脫硝性能保證為在性能考核期間（鍋爐168h后半年內），脫硝效率不小于80%。鍋爐168h脫硝調試期間是催化劑活性最高的時期，隨著脫硝裝置投運時間的增長，催化劑的活性將會逐漸降低，3年后脫硝效率的設計值為61%。

（2）脫硝噴氨分布調試在鍋爐168h期間進行，此時9號鍋爐燃用的煤質較設計煤好。另外，脫硝調試時尚未進行鍋爐燃燒調整，鍋爐省煤器出口NOx最高質量分數僅為195×10-6（400mg／m3干態，6%氧量），低于脫硝入口 NOx設計值244×10-6（500mg／m3干態，6%氧量）。

（3）通煙氣前，對催化劑模塊之間的密封進行詳細檢查，并對不足之處進行整改，保證了噴入的氨氣基本全部從催化劑孔中通過，幾乎全部與煙氣中的NOx發生反應，最終漏氨微乎其微。

（4）調試前，對不符合設計要求的施工作業進行了整改。

（5）因為尚未進行鍋爐燃燒調試，9號鍋爐A、B兩側脫硝入口煙道NO含量明顯不均勻。

（6）脫硝系統設計合理。

3.4.4 調試建議

結合軍糧城電廠脫硝的現場調試情況，筆者對燃煤鍋爐SCR系統調試提出幾點建議：

（1）鍋爐通煙氣前，認真檢查催化劑模塊之間的密封情況。對于密封效果不好的地方，認真給予補救，確保密封效果完好。

（2）由于噴氨格柵噴嘴的內徑很小，容易發生堵塞，在通煙氣前，要認真檢查每個噴嘴是否暢通。

（3）認真檢查各儀表的狀況，確保遠傳數據和就地數據準確；同時，分析儀表一定要用標準氣體校準。

（4）脫硝調試期間，與熱控人員及其他相關人員協調好，確保不會產生誤操作。

（5）脫硝噴氨分布調試前，單體調試、分系統調試和熱態調試完畢并處理完所有發現問題；同時，確保調試工具準備完好。

4 結語

筆者從脫硝工藝系統介紹入手，分析了脫硝調試的整個過程，并用現場記錄數據說明了調試結果。從調試數據來看，軍糧城電廠脫硝工程的脫硝效率、漏氨等各項性能指標優于設計要求，脫硝調試取得了圓滿成功。

自2010年10月起至今，該脫硝系統已成功運行3年。滿負荷時，脫硝效率能夠達到3年61%的保證值。由于鍋爐燃燒調試后，生成的NOx遠低于設計值，因此NOx排放基本上能夠滿足2011年新的排放標準的要求［1］。在低負荷運行時，鍋爐燃燒生成的NOx比滿負荷運行時要高，SCR實際運行的脫硝效率可高達到80%，以適應更嚴格的新的NOx排放標準的要求。

［1］中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB 13223—2011火電廠大氣污染物排放標準［S］.北京：中國環境科學出版社，2012.