600 MW燃煤機(jī)組SCR裝置噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)研究

郝功濤，廉珂，姜佳旭，朱躍

(華電電力科學(xué)研究院，杭州 310030)

600 MW燃煤機(jī)組SCR裝置噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)研究

郝功濤，廉珂，姜佳旭，朱躍

(華電電力科學(xué)研究院，杭州 310030)

以某電廠600 MW燃煤機(jī)組脫硝工程為例，介紹了氨逃逸的危害、選擇性催化還原技術(shù)(SCR)裝置噴氨優(yōu)化試驗(yàn)的判斷依據(jù)以及噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)的思路、流程及方法。通過噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)，SCR裝置A側(cè)和B側(cè)出口NOx質(zhì)量濃度分布相對標(biāo)準(zhǔn)偏差由60.8%和28.9%分別降至13.5%和8.8%，氨逃逸質(zhì)量濃度分別降低了63.4%和53.8%。反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度分布均勻性得到明顯改善，同時氨逃逸質(zhì)量濃度也得到了控制，提高了機(jī)組運(yùn)行的安全經(jīng)濟(jì)性。

煙氣脫硝；SCR；氨逃逸；噴氨優(yōu)化調(diào)整

0 引言

2014年9月，國家發(fā)改委、環(huán)保部及能源局聯(lián)合印發(fā)了關(guān)于《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)》的通知，NOx質(zhì)量濃度排放限值由原先的100.00 mg/m3(標(biāo)態(tài)、干基、6% O2，下同)降為50.00 mg/m3。由于選擇性催化還原技術(shù)(SCR)裝置具有較高的脫硝效率，目前國內(nèi)裝備SCR裝置的電廠約占火電總裝機(jī)容量的95%[1]。在實(shí)際運(yùn)行過程中受鍋爐燃燒工況、噴氨格柵和氨/空氣混合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、煙道流場均勻性、催化劑種類和性能等因素影響，普遍存在SCR反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度分布均勻性較差、局部氨逃逸過高和空氣預(yù)熱器(以下簡稱空預(yù)器)堵塞等嚴(yán)重問題。運(yùn)行人員一般根據(jù)在線氮氧化物監(jiān)測值調(diào)節(jié)噴氨量，來滿足達(dá)標(biāo)排放要求。因此，定期開展噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)，尋找SCR裝置噴氨量、NOx和氨逃逸質(zhì)量濃度之間的最佳對應(yīng)關(guān)系，對提高機(jī)組運(yùn)行可靠性和經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。

1 氨逃逸的危害及其應(yīng)對措施

SCR裝置實(shí)際運(yùn)行過程中受煙道流場不均勻、催化劑性能減退、吹灰不及時、噴嘴堵塞、氨/空氣混合不均勻、NH3/NOx摩爾比不均勻等因素影響，在保證脫硝效率的前提下會造成氨逃逸超標(biāo)現(xiàn)象。對于大型燃煤發(fā)電機(jī)組，當(dāng)SCR裝置氨逃逸質(zhì)量濃度大于3.79 mg/m3時，能感覺明顯異味，特別是北方寒冷地區(qū)全封閉式SCR裝置，當(dāng)氨逃逸質(zhì)量濃度大于18.97 mg/m3時，會造成嚴(yán)重人身傷害[2]。根據(jù)國外電廠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，約20%的氨逃逸會與煙氣中的SO3作用產(chǎn)生NH4HSO4(ABS)，且ABS的熔點(diǎn)為147 ℃，在低溫下以液滴形式分散于煙氣中，容易造成下游空預(yù)器冷端設(shè)備腐蝕和堵塞，影響鍋爐的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[3]。此外，NH3還可能與煙氣中的含氯物質(zhì)反應(yīng)生成氯化銨，產(chǎn)生煙羽現(xiàn)象。

常見的氨逃逸控制手段主要有：更換失活催化劑、優(yōu)化反應(yīng)器入口煙氣流場、噴氨格柵(AIG)優(yōu)化調(diào)整和反應(yīng)器內(nèi)部清灰等。對于現(xiàn)役的SCR煙氣脫硝系統(tǒng)，在系統(tǒng)設(shè)備和系統(tǒng)布置無法改變時，通過AIG優(yōu)化調(diào)整，能夠改善NH3/NOx摩爾比分布均勻性，降低氨逃逸質(zhì)量濃度，提高脫硝效率。

2 SCR裝置噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)

當(dāng)實(shí)際運(yùn)行過程中，出現(xiàn)SCR反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度分布偏差較大、與煙囪入口NOx質(zhì)量濃度偏差大于15.00～20.00 mg/m3、空預(yù)器的阻力明顯高于正常值、飛灰及脫硫漿液中氨含量較高等情況時，需考慮進(jìn)行噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)。使SCR反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度偏差系數(shù)(CV)控制在20%以內(nèi)[4-6]。

2.1 設(shè)備概況

某電廠2×600 MW超臨界凝汽機(jī)組，SCR裝置采用高溫高塵布置方式，每臺鍋爐配備2個SCR反應(yīng)器，催化劑采用“2+1”模式布置。設(shè)計條件下SCR反應(yīng)器入口NOx質(zhì)量濃度為500.00 mg/m3，加裝第三層預(yù)留層催化劑后，脫硝效率不低于90%，氨逃逸不大于2.28 mg/m3，SCR反應(yīng)器裝置入口設(shè)計參數(shù)詳見表1。

表1 SCR反應(yīng)器入口設(shè)計參數(shù)

SCR反應(yīng)器出口采用單點(diǎn)抽樣監(jiān)測方式，且使用抽取法測量NOx質(zhì)量濃度時，普遍存在信號傳輸滯后現(xiàn)象。煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)表盤數(shù)據(jù)不能完全反映整個煙道的截面處NOx和氨逃逸質(zhì)量濃度，SCR裝置在運(yùn)行過程中根據(jù)單點(diǎn)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。

2.2 噴氨格柵簡介

該SCR裝置采用分區(qū)控制式噴射格柵噴氨技術(shù)，將煙道截面沿寬度方向劃分成7個大控制區(qū)域，如圖1所示。每個大控制區(qū)域沿?zé)煹郎疃确较蚍殖?個子控制區(qū)域，一個反應(yīng)器共21個子控制區(qū)域，每個子控制區(qū)域有4個噴嘴。每個子控制區(qū)域中對應(yīng)一根噴氨支管。單個反應(yīng)器共21根噴氨支管，每根支管上配置1個節(jié)流閥，通過調(diào)整21個節(jié)流閥的開度來調(diào)節(jié)每根支管的噴氨量。

圖1 噴氨格柵噴嘴和噴氨節(jié)流閥布置

2.3 調(diào)整方法

噴氨格柵的優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)選擇在鍋爐常規(guī)負(fù)荷(480 MW)，NH3/NOx摩爾比在設(shè)計值的運(yùn)行條件下進(jìn)行。試驗(yàn)期間要求煤質(zhì)穩(wěn)定，負(fù)荷及配風(fēng)方式保持穩(wěn)定，SCR反應(yīng)器入口NOx質(zhì)量濃度穩(wěn)定；盡量避免蒸汽吹灰。噴氨優(yōu)化調(diào)整具體試驗(yàn)方法如圖2所示。

圖2 SCR裝置噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)方法

首先對SCR反應(yīng)器入口NOx質(zhì)量濃度、煙氣流速及溫度分布進(jìn)行摸底試驗(yàn)，查清噴氨格柵各閥門初始開度及其調(diào)節(jié)特性。然后測量SCR反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度及氨逃逸質(zhì)量濃度分布。根據(jù)常規(guī)工況的摸底試驗(yàn)結(jié)果，調(diào)整各噴氨格柵支管的噴氨量。首先適當(dāng)調(diào)高NOx較高的區(qū)域的噴氨量，減小NOx較低區(qū)域的噴氨量，調(diào)整后重新測量SCR反應(yīng)器出口的氮氧化物分布。優(yōu)化試驗(yàn)是逐步進(jìn)行的，需要進(jìn)行多次調(diào)整，直至調(diào)整合格。試驗(yàn)過程中不宜進(jìn)行大幅度的調(diào)整，應(yīng)選擇2～3個點(diǎn)進(jìn)行小幅調(diào)整，掌握具體反應(yīng)器的特征后再逐步調(diào)整，每次調(diào)整應(yīng)記錄被調(diào)閥門的原始位置及調(diào)整幅度，最終達(dá)到“削峰填谷”的效果。

為了能準(zhǔn)確地反映反應(yīng)器進(jìn)、出口截面的NOx質(zhì)量濃度分布情況，分別在反應(yīng)器A，B側(cè)煙道截面處設(shè)置7×5個測點(diǎn)。試驗(yàn)使用德國羅斯蒙特NGA2000型便攜式紅外煙氣分析儀及煙氣預(yù)處理裝置網(wǎng)格法測量NOx質(zhì)量濃度和O2體積分?jǐn)?shù)；煙氣流速采用S型皮托管和電子微壓計進(jìn)行測量；采用標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)溶液法采集氨逃逸樣品，使用靛酚藍(lán)分光光度法在12 h內(nèi)完成樣品分析。

3 AIG優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 SCR反應(yīng)器入口NOx質(zhì)量濃度分布情況

SCR反應(yīng)器A至B側(cè)方向的測孔位置依次編號為A1，A2…A7，B7，B6…B1，每個測點(diǎn)取5個不同深度，依次為P1，P2，P3，P4，P5。為了更好地對噴氨量作出精細(xì)化調(diào)整，試驗(yàn)前對脫硝反應(yīng)器入口NOx質(zhì)量濃度分布情況進(jìn)行了摸底測試，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

在常規(guī)運(yùn)行負(fù)荷下，SCR反應(yīng)器A側(cè)入口NOx質(zhì)量濃度平均值為491.00 mg/m3，NOx質(zhì)量濃度分布相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.1%；SCR反應(yīng)器B側(cè)入口NOx質(zhì)量濃度平均值為507.00 mg/m3，NOx質(zhì)量濃度分布相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.0%。SCR反應(yīng)器入口NOx質(zhì)量濃度接近設(shè)計值500.00 mg/m3，且NOx質(zhì)量濃度分布均勻性較好。

圖3 SCR反應(yīng)器入口NOx質(zhì)量濃度分布(截圖)

3.2 優(yōu)化調(diào)整前SCR反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度分布情況

在常規(guī)運(yùn)行負(fù)荷下，噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)前SCR反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度分布情況如圖4所示。

圖4 噴氨優(yōu)化調(diào)整前SCR反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度分布(截圖)

由圖4可看出，SCR反應(yīng)器A側(cè)出口沿反應(yīng)器外側(cè)至鍋爐中心線方向，NOx質(zhì)量濃度分布明顯呈兩側(cè)偏低中間偏高現(xiàn)象，特別是靠近鍋爐中心線一側(cè)NOx質(zhì)量濃度明顯處于異常較低水平。A側(cè)反應(yīng)器出口截面NOx質(zhì)量濃度最大值為67.00 mg/m3，最小值為7.00 mg/m3，平均水平為33.00 mg/m3，NOx質(zhì)量濃度分布相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為60.8%。

B側(cè)出口沿反應(yīng)器外側(cè)至鍋爐中心線，NOx質(zhì)量濃度分布呈兩側(cè)偏高中間偏低分布特點(diǎn)。B側(cè)反應(yīng)器出口截面NOx質(zhì)量濃度最大值為64.00 mg/m3，最小值為21.00 mg/m3，平均水平為40.00 mg/m3，NOx質(zhì)量濃度分布相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為28.9%。

與A側(cè)相比，B側(cè)反應(yīng)器出口均勻性較好。但SCR反應(yīng)器出口A，B兩側(cè)NOx質(zhì)量濃度分布相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均大于20.0%，有必要進(jìn)行噴氨格柵的優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)。

3.3 優(yōu)化調(diào)整后SCR反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度分布情況

根據(jù)SCR反應(yīng)器出口NOx分布及氨逃逸摸底測試結(jié)果，合理調(diào)節(jié)脫硝反應(yīng)器A，B兩側(cè)各噴氨格柵支管閥門開度，以期達(dá)到出口截面NOx質(zhì)量濃度分布相對標(biāo)準(zhǔn)偏差控制在20%以內(nèi)的目標(biāo)。

經(jīng)過數(shù)輪噴氨優(yōu)化調(diào)整后，反應(yīng)器出口截面NOx質(zhì)量濃度較高的區(qū)域有所降低，NOx質(zhì)量濃度較低的區(qū)域有所提高，達(dá)到了“削峰填谷”的效果。噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)后的NOx質(zhì)量濃度分布情況如圖5所示。

由圖5可看出，在機(jī)組常規(guī)負(fù)荷運(yùn)行、SCR反應(yīng)器入口NOx質(zhì)量濃度分布較為均勻的情況下，經(jīng)數(shù)輪噴氨優(yōu)化調(diào)整，反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度分布均勻性得到明顯改善。SCR反應(yīng)器A側(cè)和B側(cè)出口NOx質(zhì)量濃度分布相對標(biāo)準(zhǔn)偏差由調(diào)整前的60.8%和28.9%，分別降至13.5%和8.8%。

為進(jìn)一步驗(yàn)證噴氨優(yōu)化調(diào)整的結(jié)果，對SCR反應(yīng)器兩側(cè)出口共10個測孔的氨逃逸進(jìn)行了測試，調(diào)整前后各測孔平均氨逃逸質(zhì)量濃度試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。SCR反應(yīng)器A側(cè)和B側(cè)出口氨逃逸質(zhì)量濃度平均值由調(diào)整前的5.54 mg/m3和4.31 mg/m3分別下降至2.03 mg/m3和1.99 mg/m3，A側(cè)和B側(cè)SCR反應(yīng)器出口氨逃逸質(zhì)量濃度分別降低了63.4%和53.8%。

經(jīng)數(shù)輪噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)后，雖然個別測點(diǎn)平均氨逃逸率仍然有波動，但是相比優(yōu)化調(diào)整前，SCR反應(yīng)器A側(cè)和B側(cè)出口氨逃逸質(zhì)量濃度平均水平顯著降低，特別是A側(cè)氨逃逸質(zhì)量濃度降低更為明顯。

圖6 噴氨優(yōu)化調(diào)整前后SCR反應(yīng)器出口氨逃逸質(zhì)量濃度分布(截圖)

4 結(jié)論

(1)經(jīng)噴氨優(yōu)化調(diào)整，SCR反應(yīng)器出口A側(cè)和B側(cè)NOx質(zhì)量濃度分布相對標(biāo)準(zhǔn)偏差由60.8%和28.9%，分別降至13.5%和8.8%。氨逃逸質(zhì)量濃度分別降低了63.4%和53.8%。反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度分布均勻性得到明顯改善，同時氨逃逸質(zhì)量濃度也得到了控制。

(2)由于氨逃逸在線連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)與實(shí)際情況偏差較大，建議密切關(guān)注空預(yù)器差壓，定期進(jìn)行氨逃逸測試，由飛灰中氨含量輔助推斷氨逃逸狀況。

(3)停機(jī)檢修期間對脫硝催化劑層進(jìn)行嚴(yán)格檢查，觀察其堵塞與磨損狀況，并進(jìn)行必要的處理。

(4)鑒于影響脫硝效率的因素比較復(fù)雜，及催化劑問題具有隱蔽性，建議根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，定期進(jìn)行氨逃逸質(zhì)量濃度和脫硝效率聯(lián)合優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)工作。

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(本文責(zé)編：劉炳鋒)

2017-05-24；

2017-06-27

X 701.7

B

1674-1951(2017)07-0073-04

郝功濤(1987—)，男，山西孝義人，工程師，工學(xué)碩士，從事火電行業(yè)鍋爐及環(huán)保技術(shù)研究工作(E-mail:gongtao-hao @chder.com)。