鍋爐脫硝噴氨系統均勻性優化研究與應用

董志強

(山西臨汾熱電有限公司，臨汾 041000)

0 引 言

隨著我國對環境保護政策要求的逐年提高，火電機組排放煙氣中的NOx已納入嚴格監管，因此，如何開發出高效的、可靠的、經濟的煙氣脫硝技術已迫在眉睫。選擇性催化還原法(SCR)的煙氣脫硝技術因其具有很高的脫硝率(可達90%以上)、技術可靠、結構簡單等優點已成為燃煤電站鍋爐控制NOx排放的主要選擇。但由于SCR常用還原劑為NH3，導致SCR脫硝設備出口不可避免存在未反應的氨，稱之為氨逃逸。逃逸的氨在尾部煙道中與三氧化硫反應生成粘結性的硫酸銨/硫酸氫銨，易造成空預器以及尾部煙道腐蝕及積灰堵塞。氨利用率的不均勻性是導致氨逃逸率偏大的重要因素，不均勻性的形成因素包括噴氨口噴氨不均勻、流場流動不均勻、催化劑催化效果不均勻等。

1 設備概況

某300 MW機組鍋爐型號為DG1060/17.4-Ⅱ4，是由東方鍋爐股份有限公司制造的亞臨界自然循環汽包爐、單爐膛、∏型布置、一次中間再熱、平衡通風、固態排渣、全鋼架懸吊結構、爐頂帶金屬防雨罩。脫硝裝置與主機同步設計、同步施工完成，采用選擇性催化還原法(SCR)脫硝裝置，每臺爐安裝有兩臺SCR反應器，左右兩側結構完全一致。單側煙氣流量Q=520 766.5 Nm3/h；煙氣溫度t=374 ℃。單側噴氨量為73.8 m3/h，稀釋風量1 402.2 m3/h，溫度20 ℃。高溫煙氣離開省煤器后，沿煙道向下進入脫硝系統，經過90°轉向進入水平段，水平煙道布置斜置的大小口。煙氣經斜置大小口后，接90°轉向段，進入豎直向上的煙道，在豎直段煙道上部布置噴氨格柵，混合定量的氨氣后，煙氣經兩個轉向段和整流格柵段，進入催化劑段發生脫硝反應，脫硝后的凈煙氣進入鍋爐空氣預熱器。

2 現存問題分析及解決方案

1#爐存在噴氨量大，氨逃逸大造成空預器阻塞導致運行阻力大，SCR出口幾個測點氮氧化物濃度不一致，脫硝出口NOx值與煙囪入口NOx值不對應，變負荷時煙囪入口NOx值響應慢導致噴氨無法投自動等問題。解決上述問題分三步進行：(1)通過模擬SCR煙氣流場，對現有煙道結構內煙氣流場分布進行分析，設計噴氨管道等壓優化方案和噴氨格柵后加裝氨-煙擾流混態發生器解決噴氨不均勻以及氨與煙氣混合不均勻的問題；(2)在SCR出口網格法布置多點采樣，通過試驗分析，最終確定具有代表性的測點；(3)進行噴氨優化調整試驗，選取具有代表性的測點，使得脫硝出口NOx值與煙囪入口NOx值接近，使用脫硝出口NOx值來控制噴氨，煙囪入口NOx值作為調節限值。

3 研究與革新內容及創新點

3.1 噴氨管道優化

SCR噴氨管道長度較長，一般設計為通長等直徑，每經過一根噴氨直管其管道內的流量都會減少，這樣就造成了噴氨管道在每個支管處的壓力不一致，導致噴氨支管的流速不一致，從而使得噴氨格柵截面氨氣分布不均。同時，我們注意到噴氨管道管徑僅為270 mm。噴氨管徑太小不僅會造成流通阻力大，而且會進一步增加噴氨管道內各分支管段壓力的衰減，導致噴氨支管內流量不均勻。對噴氨管道采用等壓力設計，使得噴氨管道長度方向各處的流速基本一致，保證噴氨支管的流速基本一致，進而使得噴氨格柵截面氨氣分布均勻。改造方案如圖1所示。

圖1 改造方案示意圖

3.2 噴氨后加裝氨-煙擾流混態發生器

現有國內SCR脫硝設備煙道進口的煙氣速度場及成分濃度場分布是不均勻的，一般采用在AIG(噴氨格柵)前面加裝導流板來消除煙氣的速度偏差，但煙氣成分的濃度偏差(主要指NH3與NOX混合不均勻)難以用該設備消除，因此AIG到催化劑之間的煙道長度必須足夠長，才能保證足夠的煙氣擴散、稀釋和混合時間。然而現有系統的煙道都較短，無法使NH3與NOX充分混合，使進入催化劑的NH3/NOX(物質的量比)均勻性不盡如人意。因此提出了在AIG后面加裝氨-煙擾流混態發生器，用以改善SCR反應器入口處的煙氣速度分布及NH3/NOX分布的均勻性。改造方案如圖2所示。

3.3 全截面均布式取樣系統

SCR出口煙氣取樣裝置，采用網格法在多點分別取樣，用以分析SCR出口截面不同區域的NOx和NH3濃度分布情況，通過噴氨優化調整試驗確定具有代表性的測點，使脫硝出口NOx值與煙囪入口NOx值接近一致。

3.4 噴氨優化實驗

SCR流場優化可以達到脫硝出口NOx濃度場分布基本均勻，脫硝出口氨逃逸達標，進而解決空預器因氨逃逸大而堵塞的目的。通過噴氨優化調整試驗，使得SCR出口各測點NOx值區域均勻，并選取具有代表性的測點使得脫硝出口NOx值與煙囪入口NOx值接近一致，使用脫硝出口NOx值來控制噴氨，煙囪入口NOx值作為調節限值。

圖2 改造方案示意圖

(1)通過模擬SCR煙氣流場，對現有煙道結構內煙氣流場分布進行分析，設計噴氨管道等壓優化方案和噴氨格柵后加裝氨-煙擾流混態發生器解決噴氨不均勻以及氨與煙氣混合不均勻的問題；

優化后SCR出口各測點NOx的均勻性增強，便于進行噴氨優化實驗調整。

(2)在SCR出口安裝全截面均布式取樣系統，通過試驗分析，對SCR出口氨逃逸進行精準測量，并最終確定具有代表性的NOx測點，并可指導噴氨投運；

(3)進行噴氨優化調整試驗，選取具有代表性的測點，使得脫硝出口NOx值與煙囪入口NOx值接近，優化噴氨控制，使用脫硝出口NOx值來控制噴氨，煙囪入口NOx值作為調節限值。

改造后解決噴氨不均勻以及氨與煙氣混合不均勻的問題，改造后噴氨區域流場分布均勻，氨與煙氣混合均勻；改造后脫硝出口氮氧化物濃度標準偏差明顯降低，降低氨逃逸率。

4 結束語

#1爐脫硝噴氨系統均勻性優化綜合改造前后各項統計數據分析，#1機組脫硝噴氨優化改造后，機組噴氨量至少下降10%，噴氨量減少，反應效率增加，可以使NH3逃逸降低，進而空預器、布袋除塵器因硫酸氫銨堵塞的問題明顯緩解。

通過脫硝系統優化均勻性優化改造，按照#1爐日噴氨量下降238 m3，年運行時間7 200 h，氨的價格3 500元/t計算，每年可節約費用18萬元。且改造后可緩解空預器堵塞的問題，提高機組接帶負荷能力，具有較大的經濟效益。在國內同類供熱機組具有良好的示范效應及推廣前景。