孟永杰， 呂為智， 張 濤， 周文臺， 何 翔

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院有限責(zé)任公司， 上海 200240)

NOx是燃煤電廠排放的主要污染物之一[1]，過多的NOx排放到大氣中，不但對人體健康造成重大危害[2-3]，而且會導(dǎo)致酸雨、光化學(xué)煙霧及霧霾[4-6]。為了控制NOx的排放，在2003年我國頒布了GB 13223—2003 《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，對NOx排放限值作了嚴(yán)格規(guī)定。為了進(jìn)一步控制燃煤電廠污染物排放、降低環(huán)境污染，國家發(fā)改委、能源局和環(huán)保部聯(lián)合發(fā)布了《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014—2020)》[7]，促使國內(nèi)燃煤電廠進(jìn)行脫硫、脫硝、除塵等方面的超低排放改造，要求NOx排放質(zhì)量濃度低于50 mg/m3。

為了應(yīng)對更為嚴(yán)格的環(huán)保排放要求，降低NOx的排放，燃煤機(jī)組一般配備有選擇性催化還原(SCR)脫硝系統(tǒng)。SCR脫硝系統(tǒng)具有效率高、氨逃逸體積分?jǐn)?shù)低、運(yùn)行穩(wěn)定、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為大型火力發(fā)電機(jī)組的主流脫硝技術(shù)。目前，針對SCR脫硝裝置的性能考核試驗(yàn)主要集中在各性能保證值是否符合設(shè)計值的要求等方面[8-10]，對于脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行狀況分析等方面的研究較少。筆者以某350 MW超臨界機(jī)組SCR性能考核試驗(yàn)為例，從反應(yīng)器流場分布均勻性、噴氨均勻性、氨逃逸體積分?jǐn)?shù)控制等方面評估機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，并為后續(xù)的運(yùn)行調(diào)試及超低排放改造提供相應(yīng)的技術(shù)指導(dǎo)。

1 性能試驗(yàn)結(jié)果

表1為SCR脫硝裝置性能考核測試結(jié)果，所示結(jié)果為多次測量后A側(cè)和B側(cè)兩個反應(yīng)器的平均值。從表1中可以看出：在不同負(fù)荷下，SCR脫硝裝置的脫硝效率、SO2轉(zhuǎn)化為SO3的轉(zhuǎn)化率、系統(tǒng)壓降及溫降、噴氨量等均符合性能保證值的要求；而氨逃逸體積分?jǐn)?shù)嚴(yán)重超標(biāo)，明顯超出設(shè)計保證值3×10-6的要求；試驗(yàn)過程中還發(fā)現(xiàn)，脫硝系統(tǒng)A側(cè)和B側(cè)的運(yùn)行狀況存在較大差異。

表1 SCR脫硝系統(tǒng)性能測試結(jié)果

2 運(yùn)行狀態(tài)分析

為研究SCR脫硝系統(tǒng)的流場均勻性和噴氨均勻性，引入不均勻系數(shù)σ進(jìn)行定量分析[11]。σ可以反應(yīng)被考察對象的數(shù)據(jù)離散程度。

(1)

2.1 流場分布

反應(yīng)器內(nèi)流場分布的均勻性是影響脫硝性能的關(guān)鍵因素。流場分布均勻性高，可明顯減少反應(yīng)器內(nèi)的高速區(qū)和低速區(qū)，使還原劑與NOx充分混合，提高NOx的脫除效率。流場分布不均會造成局部流速過大，導(dǎo)致煙氣中的灰顆粒加劇對催化劑的沖刷磨損；流場分布不均還會造成煙氣中的NOx質(zhì)量濃度分布不均，使有的區(qū)域NOx質(zhì)量濃度過大，超過催化劑的催化還原能力，導(dǎo)致脫硝效率不高，運(yùn)行過程中運(yùn)行人員會根據(jù)脫硝效率增加氨的噴入量，這樣不但增加氨耗量，而且容易造成SCR反應(yīng)器出口的氨逃逸體積分?jǐn)?shù)超標(biāo)，長時間運(yùn)行逃逸的氨與SO2反應(yīng)產(chǎn)生的硫酸氫銨會對空氣預(yù)熱器等下游設(shè)備產(chǎn)生腐蝕和堵塞[12]。

圖1和圖2為SCR脫硝系統(tǒng)A側(cè)、B側(cè)反應(yīng)器出口斷面流速分布。從圖1、圖2中可以看出反應(yīng)器出口斷面各通道流速偏差較大。A側(cè)反應(yīng)器在5通道1 m處的煙氣流速最大，為13.9 m/s，在2通道1 m處的煙氣流速最小，為8.5 m/s，經(jīng)計算A側(cè)反應(yīng)器流場的不均勻系數(shù)為12.45%；B側(cè)反應(yīng)器在5通道 2m位置處的煙氣流速最大，為10.2 m/s，在3通道1 m位置處的煙氣流速最小，為7.02 m/s，B側(cè)反應(yīng)器的不均勻系數(shù)高達(dá)24.79%。SCR脫硝系統(tǒng)的不均勻系數(shù)為18.6%，流場分布均勻性較差。

圖1 A側(cè)反應(yīng)器斷面流速分布

圖2 B側(cè)反應(yīng)器斷面流速分布

根據(jù)姜曉明等[11]的研究，流場不均勻系數(shù)隨整流格柵傾斜角的增大呈現(xiàn)先降后升的趨勢，一方面是由于整流格柵的加入能夠改善脫硝反應(yīng)器內(nèi)流場的均勻性，另一方面隨著整流格柵傾角的不斷增加，流線不斷偏斜，流場開始變得紊亂且不均勻趨勢不斷增加。因此，脫硝系統(tǒng)在運(yùn)行過程中應(yīng)適當(dāng)調(diào)整整流裝置的狀態(tài)，降低流場的不均勻系數(shù)，保證反應(yīng)器內(nèi)的煙氣流場分布均勻，增加NH3和NOx的混合程度，提高系統(tǒng)脫硝效率。

2.2 噴氨分布

噴氨均勻性是脫硝裝置運(yùn)行過程中控制的難點(diǎn)和重點(diǎn)，SCR脫硝系統(tǒng)中噴氨量是否均勻可以通過脫硝出口煙道斷面的NOx質(zhì)量濃度分布來判斷。圖3和圖4為SCR脫硝系統(tǒng)A側(cè)、B側(cè)反應(yīng)器出口煙道的NOx質(zhì)量濃度分布。從圖3、圖4中可以看出，該脫硝系統(tǒng)A側(cè)、B側(cè)兩個反應(yīng)器的噴氨量極不均勻。A側(cè)反應(yīng)器出口NOx的最高質(zhì)量濃度在5通道1 m處，為111.36 mg/m3，最低質(zhì)量濃度在1通道3 m處，為1.66 mg/m3；且5通道1 m處的NOx排放質(zhì)量濃度已經(jīng)超過了SCR脫硝系統(tǒng)性能保證值的要求，經(jīng)過計算A側(cè)反應(yīng)器的噴氨不均勻系數(shù)為88.9%。B側(cè)反應(yīng)器出口NOx的最高質(zhì)量濃度在3通道3 m處，達(dá)到21.61 mg/m3，最低質(zhì)量濃度在1通道3m處，為1.66 mg/m3，B側(cè)反應(yīng)器的不均勻系數(shù)高達(dá)126.2%，嚴(yán)重超過系統(tǒng)性能保證值，給系統(tǒng)運(yùn)行帶來極大危害。噴氨均勻性差還導(dǎo)致NH3與NOx不能充分混合，影響系統(tǒng)的脫硝效率，降低系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

圖3 A側(cè)反應(yīng)器出口煙道的NOx質(zhì)量濃度分布

圖4 B側(cè)反應(yīng)器出口煙道的NOx質(zhì)量濃度分布

一般造成噴氨均勻性差的原因主要有：噴氨格柵(AIG)噴氨均勻但煙氣流場不均勻，或者煙氣流場均勻但AIG噴氨不均勻[13]。從性能測試的結(jié)果可以看出：反應(yīng)器中噴氨均勻性差是噴氨和流場不均勻兩方面造成的，應(yīng)根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行噴氨優(yōu)化調(diào)整，并輔以流場優(yōu)化。調(diào)節(jié)噴氨量調(diào)節(jié)閥門，調(diào)整各路進(jìn)氨支管的調(diào)節(jié)閥開度，動態(tài)調(diào)整反應(yīng)器內(nèi)不同區(qū)域的噴氨量，使得還原劑與NOx充分混合，提高脫硝效率進(jìn)而提高系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

2.3 氨逃逸分布

脫硝反應(yīng)是可逆反應(yīng)，NH3與NOx不能完全反應(yīng)，會有少量的NH3不參與反應(yīng)，連同煙氣一起從反應(yīng)器內(nèi)逃逸出來，因此氨逃逸體積分?jǐn)?shù)就是未參與脫硝反應(yīng)的NH3的體積與煙氣體積(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)、干基、6%O2體積分?jǐn)?shù))之比。圖5和圖6為SCR反應(yīng)器出口檢測到的氨逃逸體積分?jǐn)?shù)。

圖5 SCR反應(yīng)器A側(cè)出口氨逃逸體積分?jǐn)?shù)

圖6 SCR反應(yīng)器B側(cè)出口氨逃逸體積分?jǐn)?shù)

從圖5、圖6中可以看出，A側(cè)、B側(cè)兩個反應(yīng)器出口的氨逃逸體積分?jǐn)?shù)均超出設(shè)計保證值3×10-6的要求。A側(cè)反應(yīng)器的氨逃逸體積分?jǐn)?shù)最高值在1通道處，為7.13×10-6，氨逃逸體積分?jǐn)?shù)最低值在3通道處，為3.40×10-6；B側(cè)反應(yīng)器的最高氨逃逸體積分?jǐn)?shù)在5通道處，高達(dá)6.244×10-5，嚴(yán)重超過脫硝系統(tǒng)性能保證值限定的要求，最低氨逃逸體積分?jǐn)?shù)在1通道處，為4.65×10-6。由于兩側(cè)反應(yīng)器出口的氨逃逸體積分?jǐn)?shù)均超過性能保證值，說明系統(tǒng)噴氨過量，這一點(diǎn)也可以從性能考核試驗(yàn)中噴氨均勻性的結(jié)果看出；另一方面，B側(cè)反應(yīng)器的氨逃逸體積分?jǐn)?shù)高于A側(cè)反應(yīng)器的氨逃逸體積分?jǐn)?shù)，說明B側(cè)反應(yīng)器的噴氨量大于A側(cè)，因此B側(cè)反應(yīng)器出口的NOx較低，這與噴氨均勻性的分析結(jié)果一致。

造成氨逃逸體積分?jǐn)?shù)超標(biāo)的主要原因有：煙氣流場和噴氨均勻性較差；噴氨量隨負(fù)荷變化響應(yīng)較差；催化劑積灰堵塞、中毒失活等降低了催化劑的有效反應(yīng)面積[14]。由于脫硝裝置剛投運(yùn)不久，催化劑堵塞、中毒失活的可能性較小，可以推斷脫硝系統(tǒng)氨逃逸體積分?jǐn)?shù)超標(biāo)歸因于煙氣流場和噴氨均勻性較差及噴氨量隨負(fù)荷變化響應(yīng)較差，應(yīng)對脫硝系統(tǒng)進(jìn)行流場和噴氨均勻性優(yōu)化，并對噴氨量響應(yīng)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，使脫硝系統(tǒng)的氨逃逸體積分?jǐn)?shù)在性能保證值范圍內(nèi)。

3 結(jié)語

針對該350 MW機(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)行了性能考核試驗(yàn)，同時對脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下：

(1) 在不同負(fù)荷下，SCR脫硝裝置的脫硝效率、SO2轉(zhuǎn)化為SO3的轉(zhuǎn)化率、系統(tǒng)壓降及溫降、噴氨量等均符合性能保證值的要求；然而氨逃逸體積分?jǐn)?shù)嚴(yán)重超標(biāo)，明顯超出設(shè)計保證值3×10-6的要求。

(2) 脫硝反應(yīng)器內(nèi)煙氣流場分布極不均勻，A側(cè)反應(yīng)器的斷面流速不均勻系數(shù)為12.45%，B側(cè)反應(yīng)器斷面流速不均勻系數(shù)為24.79%，反應(yīng)器內(nèi)存在明顯的高速區(qū)和低速區(qū)。

(3) 脫硝系統(tǒng)的噴氨均勻性較差，A側(cè)反應(yīng)器NOx質(zhì)量濃度的不均勻系數(shù)為88.9%，B側(cè)反應(yīng)器NOx質(zhì)量濃度的不均勻系數(shù)高達(dá)126.2%，超過性能保證值限定的要求。

(4) 脫硝系統(tǒng)噴氨過量，B側(cè)反應(yīng)器的噴氨量大于A側(cè)。

(5) 針對脫硝系統(tǒng)運(yùn)行中存在的問題，建議對脫硝系統(tǒng)進(jìn)行流場優(yōu)化及噴氨均勻性優(yōu)化，同時對噴氨量控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，控制脫硝裝置出口的氨逃逸體積分?jǐn)?shù)，提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性。