W型火焰鍋爐脫硝NOX分布優化技術應用

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.華能國際電力股份有限公司，北京 100031)

0 引言

為達到《全面實施燃煤電廠超低排放和節能改造工作方案》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)，燃煤電廠主要采用了進一步發掘低氮燃燒器潛力以降低爐膛出口NOX初始排放水平和進行選擇性催化還原(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。超低排放運行條件下，備用層催化劑提高了煙氣中的SO3濃度，一般設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極易與煙氣中SO3結合形成硫酸氫銨，造成鍋爐下游空預器、低溫省煤器等設備的堵塞。這不但導致引風機電流增大、電耗上升，甚至造成引風機葉片表面硫酸鹽沉積，影響風機的正常運行。

對此，不少研究者開展了氨噴射裝置的改進研究，深入分析了影響氨與NOX混合過程、混合質量的各種因素，新型噴氨格柵得以不斷涌現。某電廠對脫硝噴氨格柵進行了改造，將每根噴氨管的開孔數量約增至原來的2倍，同時增大邊側噴氨孔直徑，熱態下進行了噴氨優化調整，有效緩解了局部氨逃逸過高造成的空預器堵塞問題(見文獻6)。張文杰等研究表明，脫硝反應器入口截面普遍存在NOX濃度分布不均勻現象，建議NOX濃度檢測或煙氣自動監控系統(CEMS)取樣采用多點網格法，以提高數據的代表性和用于指導脫硝運行，但是未提出有效的改進NOX分布不均勻性的方法或措施(見文獻7)。梁秀進等利用現場實測運行數據對某360 MW機組進行了噴氨優化和流場優化的數值模擬(見文獻8)，結果表明:通過劃分控制區域，按照各區域內氨氮比均衡原則，優化各支管噴氨量，可將各控制區氨氮比的標準偏差從約10 %降到1．5 % 以下。

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

下面結合W型火焰鍋爐脫硝運行實例，利用技術改造與噴氨優化調整相結合的方法，探討同時提高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備安全運行提供借鑒。

1 設備簡介

某電廠1號機組額定容量為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，鍋爐最大蒸發量2 026 t/h。設計煤種為無煙煤，摻燒貧煤。鍋爐設有3層選擇性非催化還原(SNCR)噴槍和2個SCR反應器。脫硝反應器采用高灰型方式，布置在省煤器與空預器之間，不設煙氣旁路。反應器內的催化劑按“3+1”模式布置，單個反應器中每層模塊數量為80個，初裝3層，最下層為備用層，超低排放改造時給予了加裝。脫硝還原劑采用液氨，自氨區供來的氨氣與稀釋風混合后，通過布置在SCR入口的噴氨格柵注入煙道內。噴氨格柵每根支管上均設置了手動調閥，具備沿橫向和縱向分區調節噴氨量的功能。

SCR脫硝超低排放改造設計參數如表1所示。

表1 SCR脫硝設計煙氣條件與性能

2 優化技術方案

脫硝反應器入口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備的安全運行。對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域，將部分低NOX濃度的煙氣引流到高濃度區域，再輔以擾流混合器使NOX絕對濃度偏差降低，速度場也同步得到優化。缺點是需加裝物理性強制混合裝置，會增加一定的阻力。

(2) 對高NOX濃度區域多供氨，對低NOX濃度區域少供氨，即分區供氨控制，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個供氨分區示意圖，這與格柵噴嘴分區布置不同，可以在一定程度上避免單根供氨母管上不同支管“搶氨”現象;缺點是不能改變反應器入口速度場的分布，需對單根供氨母管進行分開，獨立并列設計，以實現不同NOX濃度區域分別獨立供氨。但分區不易過多，單側反應器設置2—4個供氨分區為宜，避免增加機組運行人員控制脫硝的難度。

圖1 分區供氨示意(左側反應器)

為提高脫硝反應器出口NOX濃度分布的均勻性，此次改造采用噴氨優化技術。通過在熱態下測量SCR反應器出口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:試調噴氨閥→噴氨支管間粗調→深度方向細調→不同效率水平和負荷下的噴氨校核，其實質是借助易測的反應器出口NOX和氨濃度場的分布情況來調節各支管噴氨量，提高反應器第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對下游設備的危害。

測試數據的計算，依據GB 10184—2015《電站鍋爐性能試驗規程》和DL/T 260—2012《燃煤電廠煙氣脫硝裝置性能驗收試驗規范》執行。下文中的NOX，氨逃逸濃度均已按標準折算到 6 % O2條件下。

3 優化結果分析

3.1 脫硝入口NOX濃度分布優化結果分析

試驗在SCR反應器入口和出口煙道均勻分布的16個法蘭測孔(由A至B反應器方向依次編號為A1，A2，……，A8，B8，B7，……，B1)內進行煙氣取樣，每個測孔內煙氣取樣點深度分別為1 m，1．5 m，2．0 m，2．5 m 處 (依次編號為 P1，P2，P3，P4)，按網格法布點取樣。

在600 MW負荷下，煙氣混合改造前的SCR入口NOX濃度及其分布如圖2所示，靠近鍋爐中心線區域的SCR入口NOX濃度高，遠離鍋爐中心線區域的NOX濃度低，A，B側反應器NOX濃度最大絕對偏差分別高達431 mg/m3，412 mg/m3，相對標準偏差 (RSD)分別為 18．5 %，22．2 %。對于這樣的NOX濃度絕對偏差，僅調整噴氨優化是難以使NOX與氨濃度分布均勻的。對此進行了煙氣混合技術改造，增設SCR脫硝大尺度煙氣混合器，輔之擾流器、流場校核與導流板優化，以提高SCR入口NOX分布的均勻性。

圖2 改造前SCR反應器入口NOX濃度分布

改造后的SCR入口NOX濃度分布如圖3所示。單側反應器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側反應器NOX濃度的最大絕對偏差分別降至 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噴氨優化調整工作創造了良好的煙氣條件。

圖3 改造后SCR反應器入口NOX濃度分布

應當說明的是:由于鍋爐為燃燒無煙煤的W型鍋爐，爐內燃燒區域溫度較高，容易造成大量NOX產生，有時甚至超過了超低排放設計基準值，以致鍋爐運行人員為了NOX排放達標，不得不過量供氨，使SCR脫硝裝置超設計效率運行，氨逃逸濃度會增到5 μL/L以上，甚至更高。這不但造成了二次氨污染，同時給下游設備運行帶來了較大負面影響。

3.2 脫硝出口NOX濃度分布優化結果分析

經過脫硝入口煙氣混合器改造后，在600 MW機組負荷下，未經噴氨優化調整的反應器出口NOX濃度分布如圖4所示。2個反應器出口NOX濃度分布均勻性較差，A側反應器出口截面NOX濃度最高為35 mg/m3，最低為8 mg/m3，RSD為39．5 %;B側反應器出口截面NOX濃度最高為85 mg/m3， 最 低 為 11 mg/m3，RSD 為 71．9 %。根據機組實際負荷情況，噴氨優化試驗首先在600 MW負荷下進行摸底測試，然后根據摸底情況進行優化調整，并對脫硝效率及氨逃逸進行測試。

圖4 噴氨優化前SCR反應器出口NOX濃度分布

經過5輪噴氨優化調整后，2個反應器出口NOX濃度分布均勻性得到了改善。A側反應器出口截面NOX濃度最高為45 mg/m3，最低為16 mg/m3，RSD為29．1 %;B側反應器出口截面NOX濃度最高為46 mg/m3，最低為16 mg/m3，RSD 為 31．0 %(見圖 5)。

圖5 噴氨優化后SCR反應器出口NOX濃度分布

對氨逃逸取樣分析，發現2個反應器出口氨逃逸濃度亦呈現明顯分布不均現象，在加裝煙氣混合器后未進行噴氨優化之前，A，B側反應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。經過噴氨優化調整后，A，B側反應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。可見，噴氨優化調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濃度分布均勻性對測量的影響

大多數電廠鍋爐脫硝入口、出口及煙囪處的NOX在線檢測儀表皆采用有限數量取樣點(一般為1—3個)。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脫硝效率的運行控制，進而影響NOX的達標排放。為此，有的鍋爐SCR出口采用了多點網格法在線取樣裝置系統，其取樣點布置全面、具有代表性，脫硝反應器出口與煙囪處的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和氨分布嚴重不均勻的問題，導致該鍋爐啟動運行了僅半個月，就發生了嚴重的空氣預熱器堵塞現象。

在對NOX濃度分布均勻性進行優化的過程中，不能忽略脫硝入口速度場分布均勻性（以上層為主）的影響。獲取速度場的直接方法是在機組啟動前，風機運轉、鍋爐冷態通風條件下，采用網格法對第1層催化劑入口煙道截面進行風速測試，或者是間接觀察脫硝相關煙道內部具體結構狀況、SCR催化劑的積灰和磨損情況，定性判斷脫硝速度場是否滿足運行要求。

4 結束語

對該臺W型火焰鍋爐(600 MW機組)的脫硝裝置系統進行了優化升級改造，利用SCR脫硝大尺度煙氣混合技術和噴氨優化技術，合理調整SCR入口NOX濃度分布和優化匹配各噴氨支管的供氨量，同時提高了SCR入口和出口NOX濃度分布的均勻性，降低了NOX分布相對標準偏差，為鍋爐安全穩定地實現脫硝超低排放、預防和減輕空預器的銨鹽堵塞風險創造了良好條件，為同類鍋爐脫硝設備的運行優化與升級改造提供了參考。