寬負荷脫硝SCR入口煙氣流場優化系統研究與應用

常 琪 陸衛東 張堅明 顧錦繡 李郁峰

上海吳涇發電有限公司

寬負荷脫硝SCR入口煙氣流場優化系統研究與應用

常 琪 陸衛東 張堅明 顧錦繡 李郁峰

上海吳涇發電有限公司

燃煤機組鍋爐在低負荷運行狀態下，SCR （選擇性催化還原）進口煙道沿寬度方向煙溫偏差很大，外側低中間高，偏差最高可達17～18℃。煙溫低的區域處在催化劑低限值下面了，而噴氨槍仍然整個煙道均勻地在噴，造成氨氣與煙氣混合不均致使脫硝效率降低，同時對催化劑也產生不良影響。針對這一現象，本課題在SCR反應器入口煙道外側加裝均流擋板，使煙氣通流面積隨負荷變化而變化，充分保證噴氨槍斷面上的流速，提高充滿度確保煙氣流場均勻，與氨氣充分混合起到勻質的效果，從而提高脫硝效率。并使外側催化劑處于休息狀態，延長了催化劑壽命。

工程改造后進行性能測試，均質后的效果能將NOx值降低32～40 mg/Nm3，可實現20 mg/Nm3的近“0”排放，噴氨流量降低11%左右。獲得了環保與經濟的雙重收益。

機組低負荷；SCR（選擇性催化還原）；入口煙溫偏差；NOx含量

1 技術產生的背景

目前，國家對環保要求越來越嚴。燃煤電廠的氮氧化物NOx排放必須滿足國家的環保政策。燃煤電廠都裝有SCR（選擇性催化還原）煙氣脫硝裝置，使得鍋爐燃燒后NOx排放達標。但是鍋爐負荷降到60%以下時，煙氣溫度滿足不了SCR的技術投運要求（至少＞300℃），致使無法脫硝。而機組低負荷運行情況又合巧普遍運行在40%～50%范圍內，這就給環保帶來了無法逾越的困難。所以，燃煤電廠必須實施寬負荷脫硝技術，在低負荷時保證SCR投入。

寬負荷脫硝技術雖然可保證在低負荷時NOx排放達標，但由于技術局限性使煙道內煙氣分布不均，速度場、溫度場分布溫差較大，造成脫硝效果差，噴氨原料浪費，而且造成催化劑堵塞、中毒失效，有效壽命大幅下降，而催化劑在SCR系統中成本占50%以上。

由于煙道內煙氣分布不均，氨氣與煙氣混合不好，NH3逃逸率增加，NH3和煙氣中的SO2、SO3反應生成硫酸銨、硫酸氫銨，堵塞催化劑通道和下游設備空氣預熱器，降低了空氣預熱器的效率并腐蝕設備。

由于硫酸銨、硫酸氫銨堵塞催化劑通道，使得煙氣流速緩曼，灰塵容易沉積，灰塵堵塞催化劑通道，如此惡性循環，降低了催化劑活性，影響SCR系統的脫硝效率。于是，SCR入口煙氣流場的優化系統的研究提上了議事議程。

2 寬負荷脫硝工程簡介

吳涇電廠11號爐是上海鍋爐廠引進技術生產的強制循環、四角擺角燃燒的煤粉鍋爐。為適應國家環保政策，2015年3月鍋爐改造完成了寬負荷脫硝裝置。

電廠在省煤器部位煙氣側進行了寬負荷脫硝改造，提高了省煤器出口煙溫，使SCR入口煙溫在機組負荷降低到120MW時，仍能保持在315℃以上，確保了噴氨系統不退出運行。

2.1 SCR入口煙氣均質的必要性

（1）對于進入SCR反應塔的原煙氣要滿足以下2點：1）煙氣溫度≥315℃；2）煙氣與氨氣得到充分攪拌、混合均勻。

由于隨著機組的負荷下降，降到150 MW負荷時的煙氣量大約為100%負荷時的62.0%，煙氣急劇減少，使煙道內煙氣充滿度減低，產生沿鍋爐煙道寬度方向上的流量偏差。它的主要特征是中間高兩邊低，最后導致煙道中間煙溫高兩邊煙溫低的現象。

（2）SCR進口煙道的結構（圖1）

圖1 300 MW機組鍋爐脫硝進口煙道示意圖

鍋爐尾部煙道寬度為1 4022 mm，它對應的2個寬度為10 000 mm的SCR進口煙道。低負荷下：

1）鍋爐尾部煙道出口煙溫呈兩邊低中間高的拋物線形狀，進入SCR煙道（1.426倍鍋爐煙道）會加劇煙溫的偏差；

2）尤其是7.6 m突然擴大至10 m，造成外側的煙溫更低。

3）寬負荷脫硝裝置在低負荷下，左右兩個煙氣通道不通，煙氣往中間煙道通過，更進一步造成外側煙道的煙溫降低。

（3）鑒于SCR反應塔的要求和設備結構上的不足，為滿足高效脫硝和防止催化劑中毒的目的，必須要對設備進行優化改造。

2.2 工程改造方法

（1）設備結構

1）每側噴氨母管上共引出12根分管，均布在整個煙道上；

圖2 300 MW機組鍋爐脫硝進口設備示意圖

2）每根噴氨分管再一分為二供應2支噴氨槍。噴氨槍正上部600 mm處有一根擋桿；

3）改造設計每側有大、小均流板各一塊，布置在擋桿上面900 mm處。見圖2。（2）技術設計思路

1）原始狀態：

①煙道流通截面積是按最大負荷時設計的。當負荷降低后煙氣在煙道內的充滿度降低，形成流量偏差。由于流量偏差同時產生煙溫偏差；

②煙氣充滿度降低，煙氣的紊流程度降低，氨氣與煙氣的混合效果變差；

③因流量偏差，噴氨流量仍以原調整的方式噴射，流量分布曲線與噴氨分布不對應；

④鑒于上述3個因素，造成低負荷下SCR工作條件變差，促使脫硝效率降低。

2） 技術方案改造的預期：

①SCR進口煙道內的煙氣充滿度保持基本不變，相當于額定負荷時的狀態；

②當負荷在180～150 MW區段，將外側的“外側均流板”關閉，同時對應的4根噴氨管道關閉也關閉?！巴鈧染靼濉标P閉后所產生的效應是：

A.煙道內的煙氣流速提高，相當于額定負荷時的煙速，煙氣紊流程度提高。煙氣與氨氣的混合程度得到充分攪拌；

B.沿煙道寬度方向的煙溫偏差減少，煙溫場全部滿足和大于催化劑的溫度要求；

C.噴氨槍的單位流量增加，壓力提高。使得噴口出來的氣流霧化程度提高，同時噴口到檔桿的沖擊力抬高，致使氨氣散射更均勻；

D.鑒于煙氣流紊流度增加、氨氣散射更均勻、煙溫偏差減少促使了SCR 脫硝效率提高；

E.雖然單支噴氨槍的流量增加，但遠比關閉4根噴氨管道的流量來得小。所以，也可收到降低噴氨流量的效果。

③同理，當負荷在150～120MW區段，將內側的“內均流板”關閉，同時對應的2根噴氨管道電動閥也關閉。思路同A～E條款。

（3）設備安裝進程

施工從2016年11月29日開始，至2016年12月9日冷態調試結束，歷時11天。

3 試驗

3.1 試驗目的

（1）是否達到設計預期以及NOx變化特性；（2）改造后所能產生的經濟效益。

3.2 試驗方法

（1）加倉煤質要求：對燃燒煤質不做要求，按平時運行方式加倉。

（2） 磨煤機運行方式：對磨煤機運行方式不做要求，盡可能地提高再熱蒸汽汽溫。

3.3 試驗工況操作方式

（1）確保CEMS表計NOx值在允許范圍內，絕對不能超標排放。因此，寬負荷煙氣擋板可以做任何操作。

（2）在160～170 MW負荷區段，分2個測試工況；

1） SCR入口導流擋板全開，噴氨槍全開；

2）SCR入口“外側均流板”關閉，“內側均流板”開。兩側對應的噴氨槍編號9～12總閥門關閉。

（3）在130～140 MW負荷區段，分2個測試工況；

1） SCR入口導流擋板全開，噴氨槍全開；

2） SCR入口“外側均流板”和“內側均流板”都關閉，兩側對應的噴氨槍編號9～12電動總閥門和編號7、8電動小閥門均關閉。

4 試驗日期與測試結果

試驗時間與負荷見表1。

表1 試驗時間與負荷

4.1 160～170負荷段試驗

160～170負荷段性能指標變化情況見表2。

（1）圖3中A點是“外側均流板”關，對應的編號9～12號噴氨支管的電動總門也同時關。CEMS表計的NOx值明顯下降，最終穩定在20 mg/m3以下；

表2 160～170負荷段性能指標變化表

圖3 “外側均流板”的動態特性曲線注：右側縱坐標是NOx含量標尺

（2）B點是“外側均流板”恢復開的起始點；

（3）試驗中也采取了先關閉“外側均流板”，然后再關噴氨支管的電動總門，在這個過程中，SCR反應塔的效率會在關噴氨支管電動總門之前下降約7%～8%，CEMS表計值沒變化。當開始關噴氨支管的電動總門后，SCR反應塔的效率馬上提升直至超過原始狀態效率值約7%～8%。所以，“均流板”和對應的噴氨電動門必須同步開或關。

4.2 130～140負荷段試驗

（1）均流板開與關的特性變化

130～140負荷段性能指標變化情況見表3。

（2）煙道沿寬度的分布特性

進口煙道沿寬度方向的特性曲線見圖4

1）“◆”點的曲線是均流板前的煙溫，“■”點的曲線是均流板后的煙溫；

2）大均流板關閉時，圖中橫坐標的0～3煙道寬度被擋住，煙氣只能往內側流動，改變了外側溫度比較低的現象（A/B=317.5/306℃）,進入SCR的煙溫顯著抬升，達到了335℃以上；

表3 130～140負荷段性能指標變化表

圖4 137.0 MW時的SCR進口煙道沿寬度方向的煙溫曲線

3）大均流板關閉的同時，對應的噴氨槍也停止噴射，使得SCR催化反應的效率明顯提高。

4.3 兩個不同負荷下的SCR性能指標

僅僅調節“大均流板”開度由“開”到“關”，其他可控參數不變，觀察SCR性能變化。性能變化情況見表4。

表4 性能指標變化表

由表4可見，僅僅將SCR外側的“大均流板”關閉，其他控制參數不變，

（1）NOx值可以下降30～40 mg/m3。

隨著負荷降低，NOx下降值也有所下降，其原因是SCR進口NOx上升（從415 mg/m3上升到560 mg/m3）所導致的；

（2）低負荷下，CEMS表計NOx值通常在60 mg/m3，通過均流板的控制，可使NOx值控制在30 mg/m3以內。

（3）氨氣流量可以下降11%左右。

因噴氨槍兩側各減少了4支（噴氨槍兩側各有12支），從而使得噴氨流量降低。

（4）“大均流板”開關取得的效果非常明顯，并且重演性相當好；

（5）改變了原來的“脫硝氨氣流量”不隨負荷變化的弊病。

5 本項技術實施后的經濟性

本項技術實施后的經濟性明細情況見表5。

說明：

（1）均流板全開的狀態下，CEMS表計NOx值一般在58～65 mg/Nm3之間，一般很難再低；

（2）均流板投入運行后，CEMS表計NOx值降低到18～20 mg/Nm3之間；

（3）NOx排污費按上海市2017～2018年的收費標準計算，基準值為8.0元/ kg，

表5 11號爐改造后的經濟性明細表

排放值50～75 mg/Nm3：收費為8.0元/ kg×0.4= 3.2元 / kg；

排放值 ≤50 mg/Nm3：收費為8.0元/ kg×0.3 =2.4元/ kg

（4）勻質改造后，NOx排污費減少15.38萬元/a，尿素費用降低5.04萬元/a，合計降低20.42萬元/a。

6 試驗結論

負荷≤180 MW區段，在其他可控參數不變的情況下，均流板的作用非常明顯。

（1）降低NOx值（表6）

（2）降低噴氨流量（表7）

（3）“外側均流板”的動作對“NOx”值和“噴氨流量”的對應變化重演性非常好；

（4）改變了原始方式的“脫硝氨氣流量”不隨負荷變化的弊病。

（5）無論“外側均流板”還是“內側均流板”的操作，對引風機運行電流都沒有影響；

（6）在“內、外均流擋板”的同時作用下，機組負荷137.9 MW下，CEMS表計NOx值能達到不足20 mg/Nm3排放值，換言之即能達到近“0”排放，這是一個非常京喜的成果。若2019年上海市實施NOx排放值低于50 mg/Nm3標準，本次煙氣勻質改造是一個非常好的發現，可先實施煙氣勻質，再來考慮是否需要采用增加催化劑的方法。

表6 均流板對NOx的作用

表7 均流板對噴氨流量的作用

（7）煙氣勻質改造后，NOx排污費減少15.38萬元/年，尿素費用降低5.04萬元/a，合計降低20.42萬元/a。

目前國內還未有類似的脫硝概念和方法實施，屬于首創。它設備簡單、操作容易、煙氣擋板調節對鍋爐運行參數基本沒有影響；能非常方便地復制應用到其它鍋爐上。

總之，SCR進口煙氣均流板完全達到和超出了設計預期，不僅能明顯降低NOx排放值而且也帶來了客觀的經濟性收益，是節能與環保兩者難得的統一。另外也給SCR反應塔外側的催化劑得到了休養生息。

美舊金山15號碼頭探索博物館實現零能耗

位于美國舊金山15號碼頭的探索博物館采用可持續發展的設計理念和施工方式，以適應嚴酷的海洋性氣候。機械系統將海灣的水引進鈦制板式換熱器和水源熱泵系統，用于采暖制冷。建筑師充分利用歷史碼頭所擁有的自然光線，在244米長的屋頂上安裝能提供1.3 MW能源的太陽能光伏發電板，解決了大型展覽和其它用電的需求。全館安裝了110多個電力儀表，用于監控電負載，督促員工改進博物館的管理運營。與基準建筑相比，探索博物館能源消耗減少55%，被美國建筑師協會 (AIA)評為2016年10大綠色項目之一，并通過LEED白金認證。

（李忠東 譯）

Study and Application of Wide Load Denitrification SCR Inlet Flue Flow Distribution Optimization System

Chang Qi, Lu Weidong, Zhang Jianming, Gu Jinxiu, Li Yufeng
Shanghai Wujing Power Generation Co.,Ltd

Coal-Fired unit boiler runs at low load, SCR inlet flue temperature changes a lot along width direction, which shows outsides temperature is low and middle ones is high and deviation is around 17～18℃ . Ammonia gun is working in whole flue pipe while low flue temperature is below low limit value of catalyst and uneven ammonia and flue mixture results in low denitrification efficiency with bad influence on catalyst. Focus on fixing it, the author installs current sharing baffle outside of SCR reactor inlet flue, which makes flue flow area change with load changes and guarantee ammonia flow velocity to improve much evener flue distribution mixing with ammonia to increase denitrification efficiency with good influence on catalyst.

The performance test was carried out after engineering renovation and the effect of homogenization can reduce NOxvalue by 32-40 mg/Nm3, which achieves 'Zero' emission of 20 mg/Nm3and reduce ammonia injection rate by about 11%. It means double benefits of environment protection and economy value.

Low Load Unit, SCR (Selective Catalytic Reduction), Inlet Flue Temperature Deviation,NOxContent

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.11.007