W型火焰鍋爐脫硝NOX分布優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用

方朝君，王麗朋，劉 鵬，梁俊杰，陳嵩濤，謝新華，韋振祖

(1.西安熱工研究院有限公司蘇州分公司，江蘇 蘇州 215153；2.華能國(guó)際電力股份有限公司，北京 100031)

0 引言

為達(dá)到《全面實(shí)施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》中提出的脫硝超低排放要求，即NOX濃度不大于50 mg/m3(6 % O2為基準(zhǔn))，燃煤電廠主要采用了進(jìn)一步發(fā)掘低氮燃燒器潛力以降低爐膛出口NOX初始排放水平和進(jìn)行選擇性催化還原(SCR)法脫硝的提效措施，并增加備用層催化劑或采用催化劑再生的方法。超低排放運(yùn)行條件下，備用層催化劑提高了煙氣中的SO3濃度，一般設(shè)置的脫硝效率也較高，但氨逃逸量較大，尤其是在氨逃逸分布不均勻時(shí)極易與煙氣中SO3結(jié)合形成硫酸氫銨，造成鍋爐下游空預(yù)器、低溫省煤器等設(shè)備的堵塞。這不但導(dǎo)致引風(fēng)機(jī)電流增大、電耗上升，甚至造成引風(fēng)機(jī)葉片表面硫酸鹽沉積，影響風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行。

對(duì)此，不少研究者開展了氨噴射裝置的改進(jìn)研究，深入分析了影響氨與NOX混合過程、混合質(zhì)量的各種因素，新型噴氨格柵得以不斷涌現(xiàn)。某電廠對(duì)脫硝噴氨格柵進(jìn)行了改造，將每根噴氨管的開孔數(shù)量約增至原來的2倍，同時(shí)增大邊側(cè)噴氨孔直徑，熱態(tài)下進(jìn)行了噴氨優(yōu)化調(diào)整，有效緩解了局部氨逃逸過高造成的空預(yù)器堵塞問題(見文獻(xiàn)6)。張文杰等研究表明，脫硝反應(yīng)器入口截面普遍存在NOX濃度分布不均勻現(xiàn)象，建議NOX濃度檢測(cè)或煙氣自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)(CEMS)取樣采用多點(diǎn)網(wǎng)格法，以提高數(shù)據(jù)的代表性和用于指導(dǎo)脫硝運(yùn)行，但是未提出有效的改進(jìn)NOX分布不均勻性的方法或措施(見文獻(xiàn)7)。梁秀進(jìn)等利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)某360 MW機(jī)組進(jìn)行了噴氨優(yōu)化和流場(chǎng)優(yōu)化的數(shù)值模擬(見文獻(xiàn)8)，結(jié)果表明:通過劃分控制區(qū)域，按照各區(qū)域內(nèi)氨氮比均衡原則，優(yōu)化各支管噴氨量，可將各控制區(qū)氨氮比的標(biāo)準(zhǔn)偏差從約10 %降到1．5 % 以下。

對(duì)于超低排放改造后的鍋爐，硫酸氫銨堵塞空預(yù)器等設(shè)備的問題變得越來越突出，不僅影響電廠的節(jié)能減排，而且給鍋爐設(shè)備的安全運(yùn)行留下隱患或者造成危害。超低排放對(duì)SCR脫硝入口和出口NOX分布均勻性均提出了更高的要求，有的鍋爐僅進(jìn)行噴氨優(yōu)化調(diào)整或者噴氨格柵加密改造，這并不能滿足安全運(yùn)行需要。如何盡可能降低NOX分布不均勻性是脫硝流場(chǎng)優(yōu)化升級(jí)改造的難點(diǎn)。

下面結(jié)合W型火焰鍋爐脫硝運(yùn)行實(shí)例，利用技術(shù)改造與噴氨優(yōu)化調(diào)整相結(jié)合的方法，探討同時(shí)提高SCR入口和出口NOX均勻分布的可行性，為鍋爐脫硝超低排放改造和設(shè)備安全運(yùn)行提供借鑒。

1 設(shè)備簡(jiǎn)介

某電廠1號(hào)機(jī)組額定容量為600 MW，配套亞臨界壓力、一次中間再熱、下沖W型火焰爐膛鍋爐，鍋爐最大蒸發(fā)量2 026 t/h。設(shè)計(jì)煤種為無煙煤，摻燒貧煤。鍋爐設(shè)有3層選擇性非催化還原(SNCR)噴槍和2個(gè)SCR反應(yīng)器。脫硝反應(yīng)器采用高灰型方式，布置在省煤器與空預(yù)器之間，不設(shè)煙氣旁路。反應(yīng)器內(nèi)的催化劑按“3+1”模式布置，單個(gè)反應(yīng)器中每層模塊數(shù)量為80個(gè)，初裝3層，最下層為備用層，超低排放改造時(shí)給予了加裝。脫硝還原劑采用液氨，自氨區(qū)供來的氨氣與稀釋風(fēng)混合后，通過布置在SCR入口的噴氨格柵注入煙道內(nèi)。噴氨格柵每根支管上均設(shè)置了手動(dòng)調(diào)閥，具備沿橫向和縱向分區(qū)調(diào)節(jié)噴氨量的功能。

SCR脫硝超低排放改造設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 SCR脫硝設(shè)計(jì)煙氣條件與性能

2 優(yōu)化技術(shù)方案

脫硝反應(yīng)器入口NOX和NH3混合的分布均勻性直接影響脫硝裝置整體性能和下游設(shè)備的安全運(yùn)行。對(duì)SCR入口NOX濃度在截面上分布偏差較大的問題，大體有2種解決思路。

(1) 直接通過物理性混合裝置，即通過SCR脫硝大尺度煙氣混合器，扭轉(zhuǎn)NOX濃度的分布偏差。將煙道中部分高NOX濃度的煙氣引流到低濃度區(qū)域，將部分低NOX濃度的煙氣引流到高濃度區(qū)域，再輔以擾流混合器使NOX絕對(duì)濃度偏差降低，速度場(chǎng)也同步得到優(yōu)化。缺點(diǎn)是需加裝物理性強(qiáng)制混合裝置，會(huì)增加一定的阻力。

(2) 對(duì)高NOX濃度區(qū)域多供氨，對(duì)低NOX濃度區(qū)域少供氨，即分區(qū)供氨控制，通過差異化供氨以匹配SCR入口NOX濃度較大的分布偏差。圖1為2個(gè)供氨分區(qū)示意圖，這與格柵噴嘴分區(qū)布置不同，可以在一定程度上避免單根供氨母管上不同支管“搶氨”現(xiàn)象;缺點(diǎn)是不能改變反應(yīng)器入口速度場(chǎng)的分布，需對(duì)單根供氨母管進(jìn)行分開，獨(dú)立并列設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)不同NOX濃度區(qū)域分別獨(dú)立供氨。但分區(qū)不易過多，單側(cè)反應(yīng)器設(shè)置2—4個(gè)供氨分區(qū)為宜，避免增加機(jī)組運(yùn)行人員控制脫硝的難度。

圖1 分區(qū)供氨示意(左側(cè)反應(yīng)器)

為提高脫硝反應(yīng)器出口NOX濃度分布的均勻性，此次改造采用噴氨優(yōu)化技術(shù)。通過在熱態(tài)下測(cè)量SCR反應(yīng)器出口NOX和氨逃逸濃度分布，改變不同噴氨支管的氨分配量。依次按以下4步開展:試調(diào)噴氨閥→噴氨支管間粗調(diào)→深度方向細(xì)調(diào)→不同效率水平和負(fù)荷下的噴氨校核，其實(shí)質(zhì)是借助易測(cè)的反應(yīng)器出口NOX和氨濃度場(chǎng)的分布情況來調(diào)節(jié)各支管噴氨量，提高反應(yīng)器第1層催化劑處氨氮分布的均勻性，從而減少局部噴氨不均勻?qū)ο掠卧O(shè)備的危害。

測(cè)試數(shù)據(jù)的計(jì)算，依據(jù)GB 10184—2015《電站鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程》和DL/T 260—2012《燃煤電廠煙氣脫硝裝置性能驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)范》執(zhí)行。下文中的NOX，氨逃逸濃度均已按標(biāo)準(zhǔn)折算到 6 % O2條件下。

3 優(yōu)化結(jié)果分析

3.1 脫硝入口NOX濃度分布優(yōu)化結(jié)果分析

試驗(yàn)在SCR反應(yīng)器入口和出口煙道均勻分布的16個(gè)法蘭測(cè)孔(由A至B反應(yīng)器方向依次編號(hào)為A1，A2，……，A8，B8，B7，……，B1)內(nèi)進(jìn)行煙氣取樣，每個(gè)測(cè)孔內(nèi)煙氣取樣點(diǎn)深度分別為1 m，1．5 m，2．0 m，2．5 m 處 (依次編號(hào)為 P1，P2，P3，P4)，按網(wǎng)格法布點(diǎn)取樣。

在600 MW負(fù)荷下，煙氣混合改造前的SCR入口NOX濃度及其分布如圖2所示，靠近鍋爐中心線區(qū)域的SCR入口NOX濃度高，遠(yuǎn)離鍋爐中心線區(qū)域的NOX濃度低，A，B側(cè)反應(yīng)器NOX濃度最大絕對(duì)偏差分別高達(dá)431 mg/m3，412 mg/m3，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差 (RSD)分別為 18．5 %，22．2 %。對(duì)于這樣的NOX濃度絕對(duì)偏差，僅調(diào)整噴氨優(yōu)化是難以使NOX與氨濃度分布均勻的。對(duì)此進(jìn)行了煙氣混合技術(shù)改造，增設(shè)SCR脫硝大尺度煙氣混合器，輔之?dāng)_流器、流場(chǎng)校核與導(dǎo)流板優(yōu)化，以提高SCR入口NOX分布的均勻性。

圖2 改造前SCR反應(yīng)器入口NOX濃度分布

改造后的SCR入口NOX濃度分布如圖3所示。單側(cè)反應(yīng)器SCR入口NOX濃度分布幾何外形有了一定的改觀，NOX濃度分布偏差得到顯著改善。A，B側(cè)反應(yīng)器NOX濃度的最大絕對(duì)偏差分別降至 164 mg/m3，115 mg/m3，RSD 分別降至 8．6 %，4．9 %。大尺度煙氣混合器的直接混合作用為后續(xù)噴氨優(yōu)化調(diào)整工作創(chuàng)造了良好的煙氣條件。

圖3 改造后SCR反應(yīng)器入口NOX濃度分布

應(yīng)當(dāng)說明的是:由于鍋爐為燃燒無煙煤的W型鍋爐，爐內(nèi)燃燒區(qū)域溫度較高，容易造成大量NOX產(chǎn)生，有時(shí)甚至超過了超低排放設(shè)計(jì)基準(zhǔn)值，以致鍋爐運(yùn)行人員為了NOX排放達(dá)標(biāo)，不得不過量供氨，使SCR脫硝裝置超設(shè)計(jì)效率運(yùn)行，氨逃逸濃度會(huì)增到5 μL/L以上，甚至更高。這不但造成了二次氨污染，同時(shí)給下游設(shè)備運(yùn)行帶來了較大負(fù)面影響。

3.2 脫硝出口NOX濃度分布優(yōu)化結(jié)果分析

經(jīng)過脫硝入口煙氣混合器改造后，在600 MW機(jī)組負(fù)荷下，未經(jīng)噴氨優(yōu)化調(diào)整的反應(yīng)器出口NOX濃度分布如圖4所示。2個(gè)反應(yīng)器出口NOX濃度分布均勻性較差，A側(cè)反應(yīng)器出口截面NOX濃度最高為35 mg/m3，最低為8 mg/m3，RSD為39．5 %;B側(cè)反應(yīng)器出口截面NOX濃度最高為85 mg/m3， 最 低 為 11 mg/m3，RSD 為 71．9 %。根據(jù)機(jī)組實(shí)際負(fù)荷情況，噴氨優(yōu)化試驗(yàn)首先在600 MW負(fù)荷下進(jìn)行摸底測(cè)試，然后根據(jù)摸底情況進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，并對(duì)脫硝效率及氨逃逸進(jìn)行測(cè)試。

圖4 噴氨優(yōu)化前SCR反應(yīng)器出口NOX濃度分布

經(jīng)過5輪噴氨優(yōu)化調(diào)整后，2個(gè)反應(yīng)器出口NOX濃度分布均勻性得到了改善。A側(cè)反應(yīng)器出口截面NOX濃度最高為45 mg/m3，最低為16 mg/m3，RSD為29．1 %;B側(cè)反應(yīng)器出口截面NOX濃度最高為46 mg/m3，最低為16 mg/m3，RSD 為 31．0 %(見圖 5)。

圖5 噴氨優(yōu)化后SCR反應(yīng)器出口NOX濃度分布

對(duì)氨逃逸取樣分析，發(fā)現(xiàn)2個(gè)反應(yīng)器出口氨逃逸濃度亦呈現(xiàn)明顯分布不均現(xiàn)象，在加裝煙氣混合器后未進(jìn)行噴氨優(yōu)化之前，A，B側(cè)反應(yīng)器出口平均氨逃逸濃度分別為 38．8 μL/L，33．5 μL/L，局部氨逃逸濃度峰值分別為 62．2 μL/L，59．6 μL/L。經(jīng)過噴氨優(yōu)化調(diào)整后，A，B側(cè)反應(yīng)器出口平均氨逃逸濃度分別下降至 3．5 μL/L，4．1 μL/L，局部氨逃逸濃度峰值分別下降至 6．1 μL/L，5．9 μL/L?？梢?，噴氨優(yōu)化調(diào)整可以使各支管噴氨量趨于合理，改善煙氣中NOX與氨分布均勻性，有效降低局部較高的氨逃逸濃度。

3.3 NOX濃度分布均勻性對(duì)測(cè)量的影響

大多數(shù)電廠鍋爐脫硝入口、出口及煙囪處的NOX在線檢測(cè)儀表皆采用有限數(shù)量取樣點(diǎn)(一般為1—3個(gè))。SCR出口NOX濃度和氨逃逸濃度的分布均勻性直接影響在線儀表取樣的代表性和對(duì)脫硝效率的運(yùn)行控制，進(jìn)而影響NOX的達(dá)標(biāo)排放。為此，有的鍋爐SCR出口采用了多點(diǎn)網(wǎng)格法在線取樣裝置系統(tǒng)，其取樣點(diǎn)布置全面、具有代表性，脫硝反應(yīng)器出口與煙囪處的NOX在線儀表顯示值基本一致。然而該電廠此處的儀表顯示值卻掩蓋了NOX和氨分布嚴(yán)重不均勻的問題，導(dǎo)致該鍋爐啟動(dòng)運(yùn)行了僅半個(gè)月，就發(fā)生了嚴(yán)重的空氣預(yù)熱器堵塞現(xiàn)象。

在對(duì)NOX濃度分布均勻性進(jìn)行優(yōu)化的過程中，不能忽略脫硝入口速度場(chǎng)分布均勻性（以上層為主）的影響。獲取速度場(chǎng)的直接方法是在機(jī)組啟動(dòng)前，風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、鍋爐冷態(tài)通風(fēng)條件下，采用網(wǎng)格法對(duì)第1層催化劑入口煙道截面進(jìn)行風(fēng)速測(cè)試，或者是間接觀察脫硝相關(guān)煙道內(nèi)部具體結(jié)構(gòu)狀況、SCR催化劑的積灰和磨損情況，定性判斷脫硝速度場(chǎng)是否滿足運(yùn)行要求。

4 結(jié)束語

對(duì)該臺(tái)W型火焰鍋爐(600 MW機(jī)組)的脫硝裝置系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化升級(jí)改造，利用SCR脫硝大尺度煙氣混合技術(shù)和噴氨優(yōu)化技術(shù)，合理調(diào)整SCR入口NOX濃度分布和優(yōu)化匹配各噴氨支管的供氨量，同時(shí)提高了SCR入口和出口NOX濃度分布的均勻性，降低了NOX分布相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差，為鍋爐安全穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)脫硝超低排放、預(yù)防和減輕空預(yù)器的銨鹽堵塞風(fēng)險(xiǎn)創(chuàng)造了良好條件，為同類鍋爐脫硝設(shè)備的運(yùn)行優(yōu)化與升級(jí)改造提供了參考。