SCR脫硝系統(tǒng)中噴氨格柵改造研究

姚彥龍 ，周 雷 ，劉 磊 ，倪 浩 ，周 靜 ，譚厚章 ，楊文俊 ，楊祖旺 ，金立梅

(1.華電寧夏靈武發(fā)電有限公司，銀川 751400；2.西安交通大學，西安 710049;3.西安格瑞電力科技有限公司，西安 710043)

0 引 言

為防止燃燒后煙氣產(chǎn)生過多的NOx污染環(huán)境，應對煙氣進行脫硝處理來達到國家低氮排放的標準?，F(xiàn)有的脫硝技術中選擇性催化還原(SCR)[1]、選擇性非催化還原(SNCR)[2]或混合SNCR-SCR脫硝技術[3]使用較為廣泛。SCR脫硝技術具有占地面積小、技術成熟、脫硝效率高等優(yōu)點[4]。SCR的反應原理是在催化劑的作用下，將還原劑(尿素、氨)在300～410 ℃煙氣溫度范圍內(nèi)噴入，選擇性地與煙氣中的氮氧化物反應生成氮氣和水[5]。氨氣與煙氣混合均勻與否對脫硝效率及氨逃逸情況影響顯著,目前SCR主要的噴氨混合裝置是噴氨格柵(AIG)[6]。

某公司對#3爐進行氮氧化物(NOx)排放濃度統(tǒng)計時發(fā)現(xiàn)，#3爐脫硝噴氨濃度場分布不均，使得流場內(nèi)分布的氨氮比(NH3/NOx)失衡，脫硝效率下降。為降低NOx排放濃度，該公司加大了噴氨量，造成氨逃逸增加，硫酸氫銨生成加劇。在150～200 ℃范圍內(nèi)，液態(tài)的硫酸氫銨捕捉煙氣中的飛灰，阻礙空氣預熱器的流通，降低換熱效率，且中度酸性的硫酸氫銨會加速蓄熱元件的腐蝕。為優(yōu)化脫硝裝置運行效果，增強噴氨均勻性，減少硫酸氫氨生成，減輕空預器堵塞，對#3爐脫硝噴氨格柵進行了改造。

1 設備概況

該公司#3機組鍋爐型號為DG3100/26.15-Π1，是由東方鍋爐廠設計生產(chǎn)的1 000 MW超超臨界參數(shù)變壓直流爐，采用單爐膛、一次中間再熱、平衡通風、全鋼構架、固態(tài)排渣、全懸吊結構Π型鍋爐，其正壓直吹式制粉系統(tǒng)配6臺中速碗式磨。

該公司#3鍋爐設計燃用靈武礦區(qū)靈州煤，校核煤種為磁窯堡煤礦產(chǎn)煤，實際燃用銀南煤和銀北煤的混煤，煤種成分及特性見表1。從表中可見，本次改造設計煤種的收到基灰分為37.92%，高于原設計煤種(22.89%)和原校核煤種(15.89%)。其中本次改造設計煤種的全水分和收到基碳含量低于原設計煤種和原校核煤種，分別為10.4%和40.52%。

表1 鍋爐煤質(zhì)參數(shù)

2 改造方案

2.1 現(xiàn)有噴氨格柵布置

該公司#3爐存在SCR脫硝入口截面上NH3/NOx混合不均勻、噴氨量偏大、空預器堵塞嚴重等問題。分析發(fā)現(xiàn)，噴氨格柵設計不合理是造成SCR脫硝系統(tǒng)噴氨過量、氨逃逸大的主要原因之一?，F(xiàn)有噴氨格柵布置如圖1所示。單側SCR的噴氨母管(Φ377×3)上接出24根噴氨支管(Φ89×4.5)，每根噴氨支管分成3根集管(Φ60×3)進入SCR入口煙道水平段，每根集管上布置14個噴嘴，其中噴嘴管為Φ30×2的圓管。單側SCR共布置72根集管、1008個噴嘴。

圖2為現(xiàn)有噴氨格柵的集管與噴嘴。噴嘴內(nèi)孔直徑為6 mm，呈90°夾角布置。核算后氨的噴射速度為40～50 m/s，噴射速度過大，氨射流的剛性太強，不利于氨在煙氣中的擴算與混合。噴嘴夾角偏大，氨射流直接沖刷煙道側壁板，停爐時發(fā)現(xiàn)煙道側壁板存在明顯的沖刷痕跡。

噴氨格柵目前存在的問題，對SCR脫硝系統(tǒng)的性能造成了不利影響，為保證氨氣通過噴氨格柵噴射入煙道后的均勻性與混合充分性，對現(xiàn)有噴氨格柵進行針對性的優(yōu)化改造，從而降低噴氨量、減小氨逃逸、減輕空預器的硫酸氫氨堵塞。

2.2 噴氨格柵改造方案

對現(xiàn)有噴氨格柵進行優(yōu)化改造，改造后的噴氨格柵如圖3和圖4所示。從圖中可見，單側SCR設置24個噴氨格柵模塊，每個模塊設有閥門(閥門利舊)。每個模塊設置80個噴嘴，一共設置1920個噴嘴。增加噴管孔徑，將氨噴射速度控制在合理的范圍之內(nèi)，縮小夾角，設置噴嘴擾流防磨板，利于氨在煙氣中的擴散與混合，防止噴口磨損積灰；加大集管直徑，增加噴管孔徑，減小了噴氨格柵管道阻力，保證稀釋風機的流量出力。

3 改造效果

3.1 SCR出口NOx分布均勻性比較分析

在#3機組負荷900 MW工況下，保持機組負荷穩(wěn)定、噴氨量穩(wěn)定，對脫硝出口截面NOx濃度進行測試。測試點定于24個噴氨支管，噴氨支管方向1-24為面對煙道從右至左。改造前后各噴氨支管手動蝶閥開度如圖5所示。從圖中可知，改造后的噴氨支管手動蝶閥開度最大為90°，最小為30°，整體上要大于改造前的手動蝶閥開度。

改造前后SCR脫硝裝置出口NOx分布如圖6所示。從圖中可知，改造前SCR出口NOx標準偏差為22.3 mg/Nm3(6%O2)，相對標準偏差(CV)為71.0%；改造后SCR出口NOx標準偏差降為5.2 mg/Nm3(6%O2)，CV降至24.6%。結果表明，改造前偏差較大，改造后SCR出口NOx均勻性較好。

圖7為改造后DCS脫硝系統(tǒng)運行參數(shù)。在圖7中，改造后SCR入口、出口NOx濃度分別為645.6 mg/m3、47.5 mg/m3，SCR出口NH3濃度為0.12 ppm，供氨量為474.5 kg/h，脫硝效率為93.6%。結果表明，改造后的SCR出口NH3濃度較低。

3.2 噴氨量及氨逃逸對比分析

為對比#3爐噴氨格柵改造前后的脫硝參數(shù)變化情況，現(xiàn)調(diào)取650、750、850 MW三個運行工況下的脫硝參數(shù)。

#3爐噴氨格柵在650 MW工況下改造前后參數(shù)變化如圖8所示。從圖中可以看出，改造前SCR噴氨量為360.4 kg/h，改造后SCR噴氨量為330 kg/h。將脫硝運行參數(shù)折算至同等NOx(550 mg/m3)情況下，#3爐噴氨量由363.5 kg/h降低至331.2 kg/h，下降8.9%。

#3爐噴氨格柵在750 MW工況下改造前后參數(shù)變化如圖9所示。從圖中可以看出，在脫硝運行參數(shù)折算至同等NOx(550 mg/m3)情況下，#3爐噴氨量由356.3 kg/h降低至323.5 kg/h，下降9.2%。

#3爐噴氨格柵在850 MW工況下改造前后參數(shù)變化如圖10所示。從圖中可以看出，改造后#3爐脫硝氨逃逸濃度由10.75 ppm降低至0.66 ppm，氨逃逸率下降95%。將改造前的脫硝運行參數(shù)換算至改后運行工況下(相同負荷、相同NOx濃度)，#3爐噴氨量由315.9 kg/h降低至285.6 kg/h，下降9.6%。

由圖8、圖9、圖10結果可得，改造后#3爐噴氨量下降，氨逃逸量大幅降低，空預器堵塞問題可較大程度改善。

3.3 改造前后空預器阻力分析

#3爐改造前后空預器阻力變化曲線分別如圖11(a)、圖9(b)所示。從圖中可得，改造前空預器阻力平均在3.5 kPa，最高達到4 kPa；改造后運行半個月的空預器阻力一直穩(wěn)定在1.35 kPa以下，空預器阻力大幅下降。按運行噴氨量減少30.3 kg/h，年運行時間按7 000 h計，一年減少212噸(每噸3 500元)，可產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益74萬元。結果表明，噴氨格柵進行優(yōu)化改造后，噴氨均勻性增強，氨逃逸減少，緩解空預器堵塞情況，降低空預器阻力，提高三大風機運行的安全裕度，增強空預器的換熱效果，保障空預器的正常運行。

4 結束語

#3爐噴氨格柵改造后，得出以下結論；

(1)SCR出口NOx相對標準偏差(CV)由改造前的71.0%降低至改造后的24.6%，改造后SCR出口NOx均勻性較好。

(2)#3爐在650 MW工況下的噴氨量(折算后)由363.5 kg/h降低至331.2 kg/h，下降8.9%；750 MW工況下#3爐噴氨量由356.3 kg/h降低至323.5 kg/h，下降9.2%；850 MW工況下#3爐噴氨量由315.9 kg/h降低至285.6 kg/h，下降9.6%。

(3)改造后850 MW工況下脫硝氨逃逸濃度由10.75 ppm降至0.66 ppm，氨逃逸率下降95%。

(4)改造前空預器阻力平均在3.5 kPa，最高達到4 kPa；結合空預器蓄熱元件改造運行半個月的空預器阻力一直穩(wěn)定在1.35 kPa以下。