350MW超臨界直流鍋爐脫硝技術改造及降低氨耗量優化調整

賈文飛，王曉峰，李中堯，霍英海，谷明亮

（內蒙古京能康巴什熱電有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017010 ）

SCR法即所謂的選擇性催化還原技術，SCR是最成熟的煙氣脫硝技術，它是一種爐后脫硝方法,是利用還原劑(NH3, 尿素)在金屬催化劑作用下，選擇性地與 NOx反應生成N2和H2O，而不是被O2氧化，故稱為“選擇性”[1]。康巴什熱電采用的還原劑即NH3，通過SCR反應器的噴氨格柵作為催化劑，與NOx反應生成N2和H2O降低污染物的排放，該法脫硝效率高，價格相對低廉，是電站煙氣脫硝的主流技術。

在2018年至2020年間，在經歷了一系列探索之后，康巴什熱電通過燃燒調整及優化噴氨控制將噴氨耗量由2018年的3.26kg/mwh降至2019年的2.7kg/mwh，2020年在過去的幾月中平均耗量也在2.6kg/mwh以下。

1 設備改造

1.1 全負荷脫硝改造

內蒙古京能康巴什熱電有限公司2×350MW機組鍋爐設計時采用了SCR脫硝技術，為確保脫硝效率以及設備的安全運行，脫硝裝置的投運對SCR入口煙溫有一定的要求，通常要求其進口煙溫在300℃～405℃范圍內，而鍋爐在設計時為降低排煙溫度，為提高鍋爐熱效率，設置了足夠的省煤器受熱面積，以盡可能降低省煤器的出口煙溫[2]。但在低負荷運行下，因省煤器出口煙溫較低，不能滿足SCR脫硝裝置的投運要求。省煤器出口煙溫實際運行數據及設計運行數據如下表所示。

從表1、表2數據可以看出，省煤器出口煙溫設計值與實際運行值十分接近，暫以設計的運行煙溫數據作為原始輸入數據。現場運行數據和設計計算數據均為50%THA負荷以下，SCR脫硝裝置入口處煙氣溫度達不到要求，無法投運SCR脫硝裝置。脫硝裝置廠家要求脫硝入口煙溫不得低于310℃，而投產以來1號機組脫硝入口煙溫低于310℃累計時長1658小時，機組運行總時長6503小時，煙溫低于310℃運行時間占機組運行時間的25.49%；2號機組脫硝入口煙溫低于310℃累計時長1350小時，機組運行總時長4109小時，煙溫低于310℃運行時間占機組運行時間的32.85%。脫硝入口煙溫長期低于310℃時，由于催化劑效率低，導致氨逃逸率高，產生硫酸氫氨，進而導致空預器堵塞等不良后果。

針對上述問題，康巴什熱電經過改造增加省煤器進口到脫硝入口的旁路煙道，在低負荷期間，開啟其旁路煙道使部分煙氣不經過省煤器，減少熱量傳遞，保證進入SCR反應器時能夠有足夠的溫度。

抽煙口選取位置位于后煙井后墻低溫再熱器與省煤器之間的空擋處。后煙井后墻置一個煙氣抽口，高溫煙氣經抽口進入匯合煙道。匯合煙道后設置兩路旁路煙道，分別進入省煤器出口煙道，高、低溫煙氣在此處混合，流向SCR入口煙道。同時，在原有的煙氣主路上設置一個煙風調節擋板，進行煙氣的節流調節，經過試驗，在50%BMCR負荷下，主路煙氣節流調節擋板在旁路全開的情況下關至13%對機組風煙調節無影響，30%BMCR負荷時SCR入口處煙氣溫度仍達到300℃以上。

表1 省煤器出口實際運行煙溫

表2 省煤器出口設計運行煙溫

圖1 低氮燃燒器改造情況及爐膛一二次風射流角度圖

1.2 低氮燃燒器改造

康巴什熱電燃燒方式采用擺動式四角切圓燃燒技術，原有的燃燒器布置為20只直流式燃燒器分5層布置于爐膛下部四角，煤粉和空氣從四角送入，在爐膛中呈切圓方式燃燒。在主燃燒器和爐膛出口之間布置有1組SOFA燃燒器噴嘴（共5層）。由于機組設計施工時國家污染物排放標準NOx排放濃度＜100mg/m3，但隨著超低排放要求的降低，原有的燃燒器設計結構不能夠滿足相關的運行要求，為此該電廠針對燃燒器進行了低氮燃燒器改造項目。此次改造現有燃燒器風箱殼體不動，一次風標高不動，一次風組件、緊鄰燃燒器的煤粉彎頭及二次風噴口重新設計。一次風噴口采用上下濃淡中間帶穩燃鈍體的燃燒器；采用新的二次風噴口，適當減小端部風室、油風室及中間空氣風室的面積；二次風噴口采用預偏置噴口設計，二次風噴口與一次風噴口形成4°夾角（改造前夾角為17°）。端部二次風及一次風設計為順時針方向旋轉，一次風切圓調整變為Φ493mm（改造前直徑為1193mm）；中間二次風改為與一次風小角度偏置，反向切入，形成橫向空氣分級。風量重新合理分配，并調整主燃燒器區一、二次風噴口面積，使一次風速滿足入爐煤種的燃燒特性要求，主燃燒器區的二次風量適當減小，形成縱向空氣分級。保留原SOFA燃盡風噴口，在原SOFA燃燒器與主燃燒器之間（標高32.715m）布置新的兩層SOFA噴口。原最上層燃盡風噴口設計時不考慮運行，改造過程中保留此層噴口，作為備用調整手段。總SOFA燃盡風風率按照35%設計（改造前為28%），新增燃盡風取自鍋爐二次風大風道。

燃燒器改造后，爐膛空間尺度和煤粉燃燒過程尺度有了更大的調整余度，將爐內大空間整體作為對象，通過爐內射流合理組合及噴口合理布置，爐膛內中心區形成具有較高溫度、較高煤粉濃度和較高氧氣區域。同時爐膛近壁區形成較低溫度、較低CO和較低顆粒濃度的區域，使在空間尺度上中心區和近壁區三場(溫度場、速度場及顆粒濃度場)特性差異化。

2 SCR裝置噴氨優化及燃燒調整方式優化降低噴氨耗量

經過設備的改造之后，兩臺機組均具備了超低排放的條件，NOx排放能夠控制在50mg/Nm3以下，滿足了環保對其相關參數的要求，但在改造投入使用后第一年的參數調整中發現，耗氨量偏大，2017年為3.10kg/mwh,2018年達到了3.26kg/mwh。

通過分析可知，設備容量滿足調整要求的前提下，調整方法是影響液氨耗量的主要因素，而在整個NOx從生成到排放的流程當中，降低初始NOx生成濃度，提高SCR反應器內轉化效率是調整過程中的重點控制方向。針對上述問題，康巴什熱電對SCR裝置噴氨進行了優化，并對燃燒調整方式進行了試驗優化，將液氨耗量大幅降低[3]。

2.1 噴氨格柵支管調節

在鍋爐180MW負荷條件下，脫硝裝置按常規方式運行，測試反應器進出口的NOx濃度和反應器出口氨逃逸，根據SCR反應器出口截面的NOx濃度分布，對反應器入口豎直煙道上的AIG噴氨格柵的手動閥門開度進行多次調節，最大限度提高反應器出口的NOx分布均勻性[4]。

經過多次調整后，噴氨格柵各方閥門開度如下。

表3 調整后各閥門開度表

經過調整后，在上述所示閥門開度下，340MW負荷下A側反應器出口NOx分布相對標準偏差為10.9%，B側反應器出口NOx分布相對標準偏差為8.7%，NOx濃度分布相對標準偏差大幅縮減，整個反應器內的NOx均勻性得以提高。

2.2 燃燒調整方式優化

1號機組污染物超低排放改造低氮燃燒器改造后，整體的二次風門及爐膛火焰中心情況有了很大的改變，這就對爐膛的燃燒調整方式及配風方式有了新的要求。設備改造為降低NOx生成濃度提供了先提條件，但若要降低NOx生成濃度就要保證風量不要過剩的前提下，讓爐膛出口的空氣流場變的更平穩。通過以往數據統計機組滿負荷（350MW）運行工況下，爐膛出口NOx濃度值約230～310 mg/Nm3，總的噴氨量約90kg/h，SCR出口煙氣NOx濃度值約65 mg/Nm3；50%BMCR（175MW）運行工況下，爐膛出口NOx濃度值約260～330 mg/Nm3，總的噴氨量約75kg/h，SCR出口煙氣NOx濃度值約60 mg/Nm3。而在新改造后燃燒器布置改變的情況下，又通過實驗對二次風進行了重新配比，整體對燃燒方式進行了改變，通過歸納總結出二次風配比時開大SOFA-1、SOFA-I可以有效地降低NOx生成濃度，使爐膛出口空氣動力場更平穩，同時優先開大周界風關小輔助風可以在防止結焦的同時滿足燃燒要求。

1號機組鍋爐低氮燃燒器改造和修改配風方式之后，根據現場運行數據，在330MW工況下，爐膛出口NOx排放約180-190mg/Nm3，低于200mg/Nm3，總的噴氨量約80kg/h，SCR出口煙氣NOx濃度值約20 mg/Nm3；在50%BMCR負荷的工況下，爐膛出口NOx排放控制＜250mg/Nm3，有效的控制了爐膛出口NOx的生成濃度。

2.3 優化脫硝噴氨控制調門特性

原有的PID控制是根據以前的被調量偏差來進行調節，屬于“事后”調節，無法提前調節，它只能依靠“過量”調節使噴氨盡可能跟上NOx生成濃度擺動。若噴氨的“過量”量小，噴氨控制跟不上NOx波動；“過量”量大，則系統不穩定，NOx參數容易振蕩。模型預測控制器（MPC）將噴氨的“過量調節”變為“不過量或少過量的提前調節”，這樣不僅可以使噴氨跟上煙囪入口的NOx變化，而且可以有效減緩過調引起的振蕩[5]。

3 結論總結

通過上述方式的綜合調整之后該電廠的液氨耗量有了明顯的降低。

2019年2月液氨耗量在3.55kg/mwh，其他月份的液氨耗量均在3kg/mwh以下，2019年2月，公司為降低燃煤成本摻燒了大量高硫煤，因摻燒高硫煤防止硫化物生成濃度超標，整體調整風量要求比平時偏高，導致NOx濃度生成高，液氨耗量大幅增加。除2019年2月的個體數據偏高以外，其他月份的耗氨量均在控制范圍以內，并且每年的氨耗量減少幅度較大。

經過四年的試驗觀察可以看出，在降低NOx濃度生成物方面，主要是通過設備改造能夠滿足調整前提后，通過二次風的配比來降低其生成濃度，在二次風配比的時候還要兼顧好爐膛結焦情況及空氣動力場的分布情況，同時煤種不要選用例如高硫煤等其他影響因素的煤種。當爐膛出口NOx濃度降的較低，空氣動力場較為平穩的進入SCR反應器后，提高SCR反應器的效率便成了另外一個關鍵因素，調整每一個噴氨格柵的噴氨情況，使其混合均勻的進行反應，盡量維持SCR反應器內的溫度在催化劑活性較高的區域，同時對噴氨調門進行優化，保證整個反應的過程平穩。當上述調整都滿足后，液氨耗量即可平穩的降低。