660 MW機(jī)組脫硝系統(tǒng)性能綜合優(yōu)化分析研究

王加勇，何布朗，卞振江，鄔　平

(1.上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，上海　200093；2.蘇州熱工研究有限公司，江蘇 蘇州　215004)

隨著環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步提高，火電廠現(xiàn)有環(huán)保裝置的超低排放改造也在全國范圍內(nèi)迅速展開，目前國內(nèi)已有大量機(jī)組通過了超低排放改造的環(huán)保驗收[1-2]。在實際運(yùn)行過程中，電站難以達(dá)到超低要求，為提高脫硝效率，不得不增加噴氨量，勢必造成氨逃逸增加。逃逸氨超標(biāo)以及由此引發(fā)的空氣預(yù)熱器堵塞加劇、低溫省煤器發(fā)生堵塞甚至靜電除塵器除塵效率下降等問題時有發(fā)生，嚴(yán)重影響機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行，降低了機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性[3-5]。

目前電廠通過采取噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗解決此類問題，主要通過對脫硝系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，提高脫硝效率，減小氨逃逸率[6-8]。結(jié)合現(xiàn)場試驗，對脫硝系統(tǒng)性能評價不僅考慮脫硝系統(tǒng)脫硝效率、SO2/SO3轉(zhuǎn)化率、氨逃逸濃度，優(yōu)化噴氨量，以免造成二次污染，降低空氣預(yù)熱器的換熱效率；充分考慮NOx分布的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差，調(diào)整溫度分布均勻，保證催化劑的使用時間；考慮脫硝系統(tǒng)出口仍需關(guān)注選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)阻力，確保煙氣有序流動，減少系統(tǒng)阻力，防止飛灰堆積等綜合指標(biāo)，考慮更多因素對脫硝系統(tǒng)優(yōu)化性能優(yōu)化，對脫硝系統(tǒng)的優(yōu)化和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行給出合理建議。

1　機(jī)組系統(tǒng)簡介

660 MW燃煤機(jī)組鍋爐為超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行螺旋管圈直流爐，單爐膛、一次中間再熱、采用中速磨直吹式制粉系統(tǒng)、四角切圓燃燒方式、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼懸吊結(jié)構(gòu)π型露天布置燃煤鍋爐，其超低排放脫硝系統(tǒng)布置圖見圖1。

圖1　超低排放脫硝系統(tǒng)布置示意圖

2　脫硝系統(tǒng)性能指標(biāo)計算

2.1　脫硝效率

根據(jù)試驗期間測量和分析的SCR反應(yīng)器入口和出口煙道NOx和O2的濃度，按如下公式計算：

(1)

式中CNOXI——折算到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)、6%O2下的SCR入口煙氣中NOx濃度；CNOXO——折算到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)、6%O2下的SCR出口煙氣中NOx濃度。

2.2　煙道截面NOx分布

煙道截面NOx分布的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差由式(2)至式(4)進(jìn)行計算。

(2)

(3)

(4)

式中NOi——截面各點NO濃度值，(mg/m3)；NO——截面處NO濃度平均值，(mg/m3)，干基，6%O2；δ——NOx濃度分布標(biāo)準(zhǔn)偏差，(mg/m3)；CV——相對標(biāo)準(zhǔn)偏差，%。

2.3　NH3逃逸濃度

根據(jù)反應(yīng)器出口截面的NOx濃度分布，選取反應(yīng)器代表點作為NH3取樣點。氨逃逸樣品采用美國EPA的CTM-027標(biāo)準(zhǔn)以化學(xué)溶液法采集，并記錄所采集的干煙氣流量和O2濃度。通過分析樣品溶液中的氨濃度，根據(jù)所采集的煙氣流量和O2，計算各采集點處煙氣中干基NH3濃度。煙氣中的NH3取樣系統(tǒng)如圖2所示。

圖2　煙氣中的NH3取樣系統(tǒng)

2.4　SO2/SO3轉(zhuǎn)換率

煙氣經(jīng)過催化劑后，部分SO2被氧化成SO3。在低于220℃下，SO3會與NH3反應(yīng)生成硫酸氫銨，造成空預(yù)器冷段受熱面的堵塞和腐蝕，控制SO2/SO3轉(zhuǎn)化率勢在必行。依據(jù)EPA method 6和ASTM-3226-73T標(biāo)準(zhǔn)，同時在反應(yīng)器進(jìn)出口測量SO2/SO3濃度，利用化學(xué)滴定法分析樣品中的硫酸根離子濃度，結(jié)合干煙氣流量和O2濃度計算煙氣中的干基SO2、SO3濃度，進(jìn)而計算通過催化劑層的SO2/SO3轉(zhuǎn)換率。

2.5　系統(tǒng)阻力、溫降、還原劑消耗量

優(yōu)化試驗調(diào)整過程中，密切關(guān)注系統(tǒng)阻力的變化、溫度的分布及其還原劑的消耗。在脫硝系統(tǒng)進(jìn)出口測量壓力、溫度分布，監(jiān)視脫硝系統(tǒng)阻力變化和溫度場變化。

3　摸底試驗

3.1　冷態(tài)流場狀態(tài)分布摸底

在冷態(tài)條件下，在脫硝煙道截面處用手持式熱敏風(fēng)速計網(wǎng)格法測量速度場分布，掌握各層催化劑進(jìn)口流場分布偏差，為隨后熱態(tài)條件下的氨噴優(yōu)化調(diào)整提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和指導(dǎo)。冷態(tài)測試結(jié)果見表1。

表1　冷態(tài)流場分布相對標(biāo)準(zhǔn)偏差

3.2　SCR運(yùn)行現(xiàn)狀摸底

在90%負(fù)荷以上對SCR的入口速度分布、入口和出口的NOx分布、各噴氨支管的噴氨量分布進(jìn)行了摸底測試。圖3、圖4為測得的A、B側(cè)入口各噴氨支管噴氨量分布圖示；圖5、圖6為A、B側(cè)入口NOx分布圖示，A側(cè)入口NOx分布的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.39%，B側(cè)入口NOx分布的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.60%；圖7、圖8為A、B側(cè)入口速度場分布圖示，A側(cè)入口速度分布的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為23.85%，B側(cè)入口速度分布的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為32.20%；圖9、圖10為A、B側(cè)出口NOx分布圖示，A側(cè)出口NOx分布的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為46.09%，B側(cè)出口NOx分布的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為45.13%。由此可知，A、B側(cè)出口NOx分布的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差遠(yuǎn)大于15%的期望值，需要通過噴氨優(yōu)化調(diào)整，將出口過大的NOx分布相對標(biāo)準(zhǔn)偏差降下來。

圖3　A側(cè)SCR噴氨量分布

圖4　B側(cè)SCR噴氨量分布

圖5　A側(cè)SCR入口NOx分布(單位μL/L，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差3.39%)

圖6　B側(cè)SCR入口NOx分布(單位μL/L，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差2.60%)

圖7　A側(cè)入口速度場(單位m/s，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差23.85%)

圖8　B側(cè)入口速度場(單位m/s，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差32.20%)

圖9　A側(cè)SCR出口NOx分布(單位μL/L，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差46.09%)

圖10　B側(cè)SCR出口NOx分布(單位μL/L，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差45.13%)

對SCR進(jìn)口噴氨閥門的開度進(jìn)行有針對性調(diào)整，降低SCR出口NOx濃度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差，SCR反應(yīng)器整體的噴氨量和SCR出口的NH3逃逸濃度都會隨之線性降低，這對空預(yù)器及下游設(shè)備乃至整個機(jī)組的正常長期運(yùn)行，都非常有利。為此，進(jìn)行噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗十分必要。

4　調(diào)整試驗

4.1　理論計算

根據(jù)摸底試驗數(shù)據(jù)，確定各截面NOx摩爾流量分布，再按設(shè)計的最佳氨氮摩爾比進(jìn)行AIG噴氨格柵各支管摩爾流量計算，并結(jié)合截面各處的NOx濃度分布場和NH3逃逸濃度分布場，對各AIG噴氨摩爾流量矩陣進(jìn)行摩爾理論修正。其次，對各AIG噴氨支管的標(biāo)準(zhǔn)孔板進(jìn)行流量復(fù)核計算，確定該孔板的目標(biāo)壓差。最后，將其與摸底試驗結(jié)果進(jìn)行比對，確定最大偏差噴氨支管位置。

4.2　優(yōu)化調(diào)整

在機(jī)組帶500 MW及出口NOx濃度給定運(yùn)行方式下，對理論計算與實測流量偏差較大的噴氨支管優(yōu)先調(diào)整，并測量截面各處的NOx濃度分布場，與摸底測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對。根據(jù)催化反應(yīng)響應(yīng)狀況，進(jìn)行再次、重復(fù)調(diào)整，直至反應(yīng)器出口NOx分布相對標(biāo)準(zhǔn)偏差控制在15%左右。

根據(jù)摸底測試得到的SCR入口、出口的NOx分布、速度場分布，噴氨支管的噴氨量分布，對相應(yīng)噴氨支管開度進(jìn)行了若干調(diào)整，最后得到噴氨優(yōu)化后的出口NOx分布如圖11～圖12所示。

圖11　優(yōu)化后A側(cè)SCR出口NOx分布(單位：μL/L，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差14.53%)

圖12　優(yōu)化后B側(cè)SCR出口NOx分布(單位：μL/L，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差15.31%)

由圖11、圖12可知，經(jīng)對相關(guān)噴氨支管開度做有針對性調(diào)整后，A側(cè)出口NOx分布的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差由46.09%降為14.53%，B側(cè)出口NOx分布的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差由45.13%降為15.31%。

4.3　變負(fù)荷精細(xì)驗證

調(diào)整完畢后，分別在機(jī)組帶100%、380 MW工況下，于截面各處測量NOx濃度分布場和NH3逃逸率情況，并與對應(yīng)摸底工況進(jìn)行比較，評價調(diào)整效果。

在機(jī)組帶100%、80%、380 MW工況下，在同一截面處測量NOx濃度分布場并與對應(yīng)摸底工況進(jìn)行比較后，對SCR入口噴氨系統(tǒng)作了進(jìn)一步的精細(xì)調(diào)整。最后得到的各負(fù)荷下噴氨優(yōu)化后的出口NOx分布如圖13～圖18所示。

由圖13～圖14可知，660 MW噴氨優(yōu)化精細(xì)調(diào)整后，A、B側(cè)出口NOx分布的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為14.74%、13.90%；由圖15～圖16可知，500 MW噴氨優(yōu)化精細(xì)調(diào)整后，A、B側(cè)出口NOx分布的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為15.32%、14.64%；由圖17～圖18可知，380 MW噴氨優(yōu)化精細(xì)調(diào)整后，A、B側(cè)出口NOx分布的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為15.45%、14.98%。

圖13　660 MW精細(xì)調(diào)整后A側(cè)出口NOx分布(單位mg/Nm3,6%O2，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差14.74%)

圖14　660 MW精細(xì)調(diào)整后B側(cè)出口NOx分布(單位mg/Nm3,6%O2，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差13.90%)

圖15　500 MW精細(xì)調(diào)整后A側(cè)出口NOx分布(單位mg/Nm3,6%O2，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差15.32%)

圖16　500 MW精細(xì)調(diào)整后B側(cè)出口NOx分布(單位mg/Nm3,6%O2，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差14.64%)

圖17　380 MW精細(xì)調(diào)整后A側(cè)出口NOx分布(單位mg/Nm3,6%O2，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差15.45%)

圖18　380 MW精細(xì)調(diào)整后B側(cè)出口NOx分布(單位mg/Nm3,6%O2，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差14.98%)

4.4　脫硝效率與氨逃逸率優(yōu)化

在機(jī)組試驗負(fù)荷點下，同步在每臺反應(yīng)器進(jìn)、出口測量NOx濃度，并在反應(yīng)器出口采集氨逃逸樣品，用于計算脫硝效率與氨逃逸率，具體優(yōu)化結(jié)果見表2。

由表2可知，660 MW負(fù)荷下，SCR反應(yīng)器A進(jìn)、出口NOx濃度為270.17 mg/Nm3、45.12 mg/Nm3，SCR反應(yīng)器A的脫硝效率為83.30%；SCR反應(yīng)器B進(jìn)、出口NOx濃度為270.80 mg/Nm3、40.69 mg/Nm3，SCR反應(yīng)器B的脫硝效率為84.97%，平均的脫硝效率為84.14%，出口NOx濃度為42.91 mg/Nm3，出口氨逃逸濃度為0.28 μL/L。

表2　脫硝效率和氨逃逸率計算

500 MW負(fù)荷下，SCR反應(yīng)器A進(jìn)、出口NOx濃度為275.72 mg/Nm3、42.34 mg/Nm3，SCR反應(yīng)器A的脫硝效率為84.64%；SCR反應(yīng)器B進(jìn)、出口NOx濃度為253.35 mg/Nm3、38.58 mg/Nm3，SCR反應(yīng)器B的脫硝效率為84.77%，平均的脫硝效率為84.71%，NOx濃度為40.46 mg/Nm3，出口氨逃逸濃度為0.15 μL/L。

380 MW負(fù)荷下，SCR反應(yīng)器A進(jìn)、出口NOx濃度為125.83 mg/Nm3、27.71 mg/Nm3，SCR反應(yīng)器A的脫硝效率為77.97%；SCR反應(yīng)器B進(jìn)、出口NOx濃度為127.43 mg/Nm3、35.68 mg/Nm3， SCR反應(yīng)器B的脫硝效率為72.00%，平均的脫硝效率為74.99%，出口NOx濃度為31.70 mg/Nm3，出口氨逃逸濃度為0.17 μL/L。

4.5　氨耗量

根據(jù)SCR入口煙氣量、入口NOx濃度、脫硝效率和氨逃逸，計算得出系統(tǒng)氨耗量，見表3。試驗結(jié)果顯示，600 MW下平均氨耗量約為147.57 kg/h，500 MW下平均氨耗量約為129.95 kg/h，380 MW下平均氨耗量約為39.35 kg/h。

表3　氨耗量計算

5　脫硝系統(tǒng)綜合性能優(yōu)化

5.1　優(yōu)化前、后噴氨量和氨逃逸濃度等比較分析

通過試驗結(jié)果表明，本次噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗效果顯著，同樣的工況條件下調(diào)整后比調(diào)整前噴氨量降低20%，解決了脫硝裝置出口NOx濃度偏差較大、氨耗量較高、氨逃逸濃度較大的問題，消除了局部氨逃逸濃度超標(biāo)現(xiàn)象，達(dá)到了既定調(diào)整目標(biāo)。

5.2　系統(tǒng)阻力

通過電子微壓計的全壓示差，測量脫硝系統(tǒng)阻力，其入口布置于上升煙道噴氨格柵前，出口布置于反應(yīng)器出口煙道，優(yōu)化調(diào)整后試驗測試結(jié)果見表4。

表4　優(yōu)化調(diào)整后各負(fù)荷下系統(tǒng)阻力

5.3　系統(tǒng)溫降

利用熱電偶網(wǎng)格法實測SCR入口、出口煙溫，優(yōu)化結(jié)果見表5。機(jī)組滿負(fù)荷下，SCR裝置的煙溫降幅為5.71℃；500 MW負(fù)荷下下煙溫降幅為5.33℃；380 MW負(fù)荷下煙溫降幅為7.42℃。

5.4　SO2/SO3轉(zhuǎn)化率

機(jī)組在不同負(fù)荷下，確保滿足“SO2/SO3轉(zhuǎn)化率≤1.0%”的投產(chǎn)性能保證值，以減少對催化劑的危害。

表5　系統(tǒng)優(yōu)化后溫降

6　結(jié)語

(1) 通過試驗結(jié)果表明，本次噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗效果顯著。解決了脫硝裝置出口NOx濃度偏差較大、氨耗量較高、氨逃逸濃度較大的問題，消除了局部氨逃逸濃度超標(biāo)現(xiàn)象，有效減少硫酸氫銨的生成，空氣預(yù)熱器快速堵灰情況有明顯好轉(zhuǎn)，達(dá)到了既定調(diào)整目標(biāo)。

(2)考慮了更多因素對脫硝系統(tǒng)性能進(jìn)行優(yōu)化，在保證脫硝效率的同時，考慮氨耗量、系統(tǒng)阻力、溫降及其SO2/SO3等綜合因素。通過調(diào)整控制煙溫偏差，確保煙氣溫度在催化劑最佳作用的溫度范圍；優(yōu)化吹灰系統(tǒng)，最大程度低減少流動阻力，防止飛灰堆積，減少催化劑的磨損.在滿足環(huán)保要求，兼顧經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和延長設(shè)備壽命。

(3)設(shè)備運(yùn)行一段時間后，脫硝系統(tǒng)性能下降，以脫硝系統(tǒng)性能考核試驗結(jié)果為目標(biāo)，進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整試驗，應(yīng)考慮多種因素綜合優(yōu)化脫硝系統(tǒng)性能更為科學(xué)、合理，建議同行交流采納。

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