某電廠330 MW 機組低溫氧化脫硝裝置性能評價

馬希紅 李雷鳴 寧建軍 王建國 樊孝華

（1 河北建投宣化熱電有限責任公司 河北張家口 075100 2 河北建投能源科學技術研究院有限公司 河北石家莊 050056）

0 引言

隨著環境形勢的日趨嚴峻和人民群眾對環境質量的關注度越來越高，國家已經將生態文明建設提升到戰略高度。作為我國能源結構的主要組成部分和煤炭消耗大戶，火電行業實現燃煤清潔利用對促進生態環境改善具有重要意義。自《煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014—2020 年）》實施后，為滿足NOx 達到50 mg/m3的排放限值，國內很多電廠都對機組進行了低氮燃燒調整、升級選擇性催化還原裝置等技術改造［1-2］。然而在實際運行過程中，機組普遍存在氨逃逸超標、空預器堵塞以及尾部設施結垢等問題，嚴重時甚至會影響機組穩定安全運行［3-4］。在資源和環境約束加劇、節能減排政策逐漸嚴厲的背景下，有必要采取新的技術手段實現進一步減排NOX。

近年來，為解決現有脫硝裝置的弊端，低溫氧化脫硝技術逐漸受到行業關注。低溫氧化脫硝技術是指在鍋爐尾部將低價氮氧化為高價氮，然后被脫硫塔內漿液吸收實現NOX脫除［5］。該技術理論上運用了現有環保設施的協同脫除效應，且不會對脫硫正常運行產生影響，可以作為現有脫硝技術的補充。然而，現有研究結論大多來源于實驗室模擬裝置，工程應用數據較少，限制了該技術的發展。因此，本文以某火電廠為例，對低溫氧化脫硝裝置的實際性能進行評價研究，以期為技術的優化設計以及合理化運行調整提供參考。

1 機組情況介紹

某電廠1 號機組最大發電量為330 MW［鍋爐最大連續蒸發量（BMCR）工況］，鍋爐為北京巴布科克·威爾科克斯有限公司制造的亞臨界參數、自然循環、前后墻對沖燃燒方式、一次中間再熱、單爐膛平衡通風、固態排渣、緊身封閉、全鋼構架的∏型汽包爐，尾部沿煙氣流向順序布置了選擇性催化還原脫硝裝置、靜電除塵器和濕法煙氣脫硫裝置。原有脫硝在3 層催化劑全部投運的情況下，總排口NOX排放濃度部分時段仍超過50 mg/m3。為滿足《河北省燃煤電廠深度減排攻堅方案》中提出的NOX排放低于30 mg/m3的要求，機組采用了低溫氧化脫硝工藝，即在引風機出口煙道增設了臭氧氧化裝置，臭氧采用母管投放，將噴射裝置布置固定在煙道內，并增設煙氣分布器，以保證臭氧與煙氣中的NOX能夠充分接觸而發生反應。氧化后形成的高價態NOX進入脫硫系統，在噴淋區與漿液逆流接觸轉化成硝酸鹽。1 號機組低溫氧化脫硝裝置主要設計參數如表1 所示。

表1 1 號機組低溫氧化脫硝裝置設計參數

2 性能評價測試過程及方法

為了能夠全面反映低溫氧化脫硝裝置性能，評價過程分別在50%BMCR、75%BMCR 和100%BMCR 3 個工況下進行。測試參數包括煙氣溫度、全壓、煙氣量、煙氣成分（包括NOX、SO2、SO3）等，采用網格布點法。網格點布置參照《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態污染物采樣方法》（GB/T 16157—1996），測試位置分別設在低溫氧化脫硝裝置入口（測點1）、出口（測點2）和脫硫出口（測點3，即機組總排口），如圖1 所示。O3濃度由Ideal Machine 公司的UV-1000 型分析儀測量；NOX、SO2、O2等濃度采用Gasmet 公司的DX4000 型傅里葉煙氣分析儀測試；氨逃逸濃度參照《燃煤電廠煙氣脫硝裝置性能驗收試驗規范》（DL/T 260—2012）推薦的靛酚藍分光光度法測定；煙氣溫度、全壓以及煙氣量等采用嶗應公司的3012H 型分析儀測試。主要計算公式如下。

圖1 低溫氧化脫硝裝置性能評價測試位置

脫除效率計算見式（1）。

式中：c0、c 分別為低溫氧化脫硝裝置入口、出口組分濃度，mg/m3。

壓降計算見式（2）。

式中：Pin、Pout分別為低溫氧化脫硝裝置入口、出口全壓，Pa。

3 系統性能評價結果及分析

3.1 NOX 減排和脫硝效率

脫硝效率能夠最直觀表征裝置對煙氣中NOX的脫除能力。在3 個工況下，原有脫硝裝置設定出口NOX濃度為40 mg/m3，向煙道內噴射50 kg/h 的臭氧，考察了NOX減排和脫硝效率變化情況，結果如表2 所示。可以看出，負荷在50%～100%BMCR時，低溫氧化脫硝聯合脫硫裝置均可以將出口NOx 濃度控制在設計值25 mg/m3以下，充分驗證了系統的脫硝能力。并且負荷越低，NOX濃度降低越明顯，脫硝效率也越高，50%負荷時NOX排放濃度甚至可以降至10 mg/m3以下。這是由于低負荷煙氣量小，NOx 濃度偏低，噴入等量臭氧時，其對應的O3/NOX摩爾比較高所致。研究表明，高O3/NOX摩爾比能促進以NO 為主的NOX氧化成更高價態，從而更有利于被漿液吸收。

表2 NOx 減排和脫硝效率測試結果

3.2 煙氣溫度

臭氧是一種不穩定氣體，具有在高溫下快速分解的特性［6-7］，因此在煙氣溫度較高時無法及時氧化NOx，從而降低脫硝效率。研究表明，停留時間為2 s 時，溫度從100 ℃升至200 ℃，臭氧自分解率將從2%增加至25%，并且這種效應受初始濃度的影響較小［8］。因此，控制煙氣溫度對提高臭氧利用率至關重要。不同工況下低溫氧化脫硝裝置入口煙氣溫度測試結果如表3 所示，機組負荷在50%～100%BMCR 時，進入低溫氧化脫硝裝置的煙氣溫度變化范圍相對較窄，且最高不超過123 ℃。可以看出，煙氣溫度不會對低溫氧化脫硝裝置運行效果產生明顯影響。

表3 不同工況下低溫氧化脫硝裝置入口煙氣溫度測試結果

3.3 氨逃逸濃度

選擇性催化還原裝置投運后，氨逃逸濃度一直是機組運行監控的重點。氨逃逸濃度超標不僅造成氨耗量增加，提高脫硝裝置運行成本，而且氨極易在低溫區域與SO3反應形成硫酸氫銨，粘附在空預器冷端、除塵器極線以及引風機葉片等位置，惡化了機組運行條件。為分析增加低溫氧化裝置對前端脫硝運行的影響，設定脫硫出口NOX濃度為20 mg/m3，分別檢測臭氧噴入前后時段的低溫氧化裝置入口氨逃逸濃度變化，結果如圖2 所示。在控制相同NOX排放濃度下，僅投運選擇性催化還原裝置，氨逃逸濃度最高已經超過了10 mg/m3。雖然低負荷工況下，由于鍋爐出口NOX總量低、空速小等原因，促進噴氨量下降，但最低氨逃逸濃度仍達到6.17 mg/m3，超過2.28 mg/m3的設計值。噴入臭氧后，通過降低噴氨量提高前端脫硝裝置出口濃度至40 mg/m3，可以減少氨逃逸至0.62 mg/m3～0.87 mg/m3。可以看出，投運低溫氧化脫硝裝置可以有效降低氨逃逸濃度，不僅有利于節約氨耗，也可以降低煙風系統阻力上升風險，提升機組負荷調節性能，延長檢修周期。

圖2 低溫氧化脫硝裝置投運對氨逃逸的影響

3.4 臭氧耗量

臭氧耗量是影響低溫氧化裝置運行成本的關鍵指標。控制脫硝和脫硫出口NOX濃度分別為40 mg/m3、20 mg/m3，測試了臭氧耗量并計算了O3/NOX摩爾比，結果見表4。可以看出，為實現尾部約50%的脫硝效率，臭氧實際耗量為38.35 kg/h～50.13 kg/h，且隨著負荷的升高而增加，這是由于負荷越高煙氣量越大，NOX的實際減排量也越高所致。利用臭氧耗量和NOX減排量計算O3/NOX摩爾比，范圍為2.30～2.74，均超過了理論值。研究表明，NO 的氧化過程為逐級反應，理論上臭氧將NO氧化為NO2所需的O3/NOX摩爾比為1.0，進一步氧化成極易溶于水的N2O5所需摩爾比則為2.0［9-10］。由O3/NOX摩爾比的實際值與理論值對比推測，可能是臭氧和煙氣中NOX的混合相對較差限制了氧化效果。另外，對比3 個工況數據，發現75%BMCR 條件下O3/NOX摩爾比最低，說明該工況下臭氧和NOx的混合效果相對較好。建議電廠后期對煙氣流動特性進行分析優化，以改善二者混合均勻性，提高臭氧利用率。

表4 臭氧耗量測試結果

3.5 壓降

煙氣壓降等同于系統阻力，其大小不僅關聯送風機和引風機等主要設備的選型以及調整方式，也直接對整臺機組的電耗產生影響。研究表明，對于300 MW 機組，其煙風系統阻力降低100 Pa，風機電耗將降低約60 kW，廠用電率下降約0.02%［11］。低溫氧化裝置壓降測試結果見表5。

表5 低溫氧化裝置壓降測試結果 單位：Pa

由表5 可知，50%～100%BMCR 條件下，煙氣流經低溫氧化脫硝裝置的壓降僅為29 Pa～48 Pa，相對較低且均低于60 Pa 的設計值。這與改造前相比，煙道內部只增加了臭氧噴射裝置、煙氣均布裝置，不會對煙氣流動產生明顯阻礙作用，故系統阻力增加相對較小。另外如前所述，投運低溫氧化裝置會顯著降低氨逃逸濃度，解決了氨逃逸濃度過高引起的空預器堵塞問題，從而降低整臺機組的煙風系統阻力，最終實現引風機功率下降。

4 結論

對低溫氧化脫硝裝置進行評價發現，該裝置結合濕法脫硫具有較好的脫除NOX能力：在選擇性催化還原裝置出口NOX濃度為40 mg/m3條件下，脫硫出口NOX排放濃度可以降至10 mg/m3以下；50%～100%BMCR 負荷區間內，煙氣溫度對該裝置的氧化能力影響較小；噴射臭氧后，氨逃逸濃度顯著下降，不僅節約了氨耗，而且解決了高氨逃逸對機組的負面影響；煙氣流經裝置后的壓降最高僅為48 Pa，表明裝置阻力較小，并且能夠解決空預器堵塞的問題，最終可以降低引風機功率。然而該裝置的臭氧消耗較高，實際O3/NOX摩爾比超過了理論值，建議電廠對臭氧噴射后的煙氣流動特性進行分析及優化，以改善臭氧與NOX混合均勻性，進而減少臭氧用量。