葛 銘，胡 珺，楊希剛,3，李昌松，劉 柱，賁晶晶

(1.國(guó)家能源集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，江蘇 南京 210023；2.國(guó)能蚌埠發(fā)電有限公司，安徽 蚌埠 233511；3.東南大學(xué)，江蘇 南京 210096；4.國(guó)家能源集團(tuán)廣西電力有限公司，廣西 南寧 530007；5.國(guó)電南寧發(fā)電有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530000)

0 引言

電站鍋爐SCR煙氣脫硝技術(shù)根據(jù)氨噴射方式主要分為兩大種類：渦盤式脫硝系統(tǒng)和格柵式脫硝系統(tǒng)。渦盤式脫硝系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、不易堵塞等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛使用[1]。

渦流靜態(tài)混合器利用空氣動(dòng)力學(xué)中的“駐渦”原理，在煙道直管段部分，布置渦流盤，在渦流盤上游位置安裝氨氣噴嘴，在煙氣流動(dòng)的作用下，會(huì)在渦流盤背面形成渦流區(qū)，在渦流的強(qiáng)制混合下，煙氣與氨氣混合均勻[2]。國(guó)內(nèi)電站鍋爐應(yīng)用的渦盤式靜態(tài)混合器主要為單排圓盤傾斜結(jié)構(gòu)，但在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)單排圓盤傾斜結(jié)構(gòu)存在著噴氨不均、氨逃逸量大等問(wèn)題[3-4]。

為了解決電站鍋爐渦盤式脫硝系統(tǒng)的噴氨不均問(wèn)題，學(xué)者們進(jìn)行了深入全面的研究。具體包括導(dǎo)流板優(yōu)化設(shè)計(jì)[5-7]、流場(chǎng)優(yōu)化[8-11]、靜態(tài)混合器結(jié)構(gòu)優(yōu)化[12-16]、噴氨優(yōu)化調(diào)整[17-20]、控制策略[21-24]等。針對(duì)單排圓盤傾斜結(jié)構(gòu)的渦流盤改造方案之一就是改為雙排結(jié)構(gòu)。

目前，在碳達(dá)峰碳中和的大背景下，電站鍋爐的環(huán)保壓力進(jìn)一步加大，各地紛紛出臺(tái)政策，要求電廠進(jìn)一步降低NOx排放，單排渦流盤系統(tǒng)難以適應(yīng)新要求。很多電廠發(fā)現(xiàn)，單排渦流盤SCR脫硝系統(tǒng)在噴氨混合均勻性上效果較差，在進(jìn)一步壓低凈煙氣NOx排放值時(shí)會(huì)導(dǎo)致氨逃逸加大，尾部煙道硫酸氫銨結(jié)晶嚴(yán)重。目前國(guó)內(nèi)主流渦流盤結(jié)構(gòu)有三種，單排傾斜式布置、雙排傾斜式布置和圓盤對(duì)折式布置。雙排渦流盤結(jié)構(gòu)在原來(lái)單排傾斜式結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上在深度方向上多增加了一排渦流盤，同時(shí)改動(dòng)少，成本低，是最經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的一種改造方案。

學(xué)者們對(duì)于單排渦流盤改造為雙排渦流盤的研究成果較少。田原潤(rùn)等[25]利用數(shù)值模擬手段對(duì)比研究了單、雙排渦流混合裝置，結(jié)果發(fā)現(xiàn)雙排結(jié)構(gòu)更有助于改善氨氣分布不均現(xiàn)象。鄭妍[26]等通過(guò)模擬手段分析了單、雙排渦流盤噴氨均勻性、第一層催化劑前煙氣流速偏差等問(wèn)題，結(jié)果驗(yàn)證了雙渦流盤結(jié)構(gòu)優(yōu)于單排結(jié)構(gòu)。關(guān)于雙排渦流盤改造效果的試驗(yàn)研究還未見(jiàn)報(bào)道。

某350MW機(jī)組為了解決脫硝系統(tǒng)NOx濃度分布嚴(yán)重不均的問(wèn)題進(jìn)行了噴氨改造。噴氨渦流盤由單排結(jié)構(gòu)改為雙排結(jié)構(gòu)。本文對(duì)改造前后脫硝出口NOx濃度分布、氨逃逸量進(jìn)行對(duì)比研究，驗(yàn)證了雙排渦流盤結(jié)構(gòu)均勻噴氨的優(yōu)越性，對(duì)電廠脫硝系統(tǒng)改造提供了參考思路。

1 研究方法

1.1 研究對(duì)象

某電廠鍋爐為前后墻對(duì)沖燃燒方式。脫硝系統(tǒng)采用選擇性催化還原脫硝(SCR)工藝，每臺(tái)爐布置2臺(tái)SCR反應(yīng)器，采用高灰型SCR布置方式。脫硝裝置不設(shè)煙氣旁路，處理100%煙氣量。

入口NOx濃度設(shè)計(jì)值400mg/m3，出口NOx濃度不大于50mg/m3。催化劑按三層布置，氨逃逸不大于3μL/L，脫硝系統(tǒng)阻力不大于1000Pa。最高噴氨煙氣溫度420℃，最低噴氨煙氣溫度306℃。

1.2 優(yōu)化改造方案

脫硝系統(tǒng)改造前，每側(cè)煙道布置6根噴氨支管，對(duì)應(yīng)6個(gè)渦流靜態(tài)混合器，其直徑為1900mm。渦流靜態(tài)混合器以一定角度傾斜固定在橫肋上。改造前單排結(jié)構(gòu)噴氨支管布置如圖1(a)所示。

為了從根本上解決SCR脫硝系統(tǒng)噴氨不均導(dǎo)致的NOx分布不均問(wèn)題，該機(jī)組進(jìn)行了脫硝系統(tǒng)改造，將原單排渦流盤結(jié)構(gòu)改為雙排渦流盤結(jié)構(gòu)，同時(shí)增加了寬度方向的渦流盤數(shù)量。

改造后，噴氨支管由原來(lái)的單側(cè)6根增加到12根。每6根為一個(gè)深度，總共布置兩個(gè)深度。每根噴氨支管分出左右兩個(gè)噴氨小支路，分別對(duì)應(yīng)一個(gè)渦流靜態(tài)混合器。渦流盤個(gè)數(shù)由原來(lái)的6個(gè)增加到24個(gè)。改造后渦流盤尺寸變小，直徑為1000mm。改造后的噴氨系統(tǒng)既增加了噴氨點(diǎn)，還保留了大口徑噴管防堵的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)為避免在煙道外噴氨支管數(shù)目過(guò)多，調(diào)試難度大的問(wèn)題，將2根小噴氨支管合并為1根大支管后布置在煙道外。改造后雙排結(jié)構(gòu)噴氨支管布置如圖1(b)所示。

圖1 改造前后噴氨支管分布示意

1.3 試驗(yàn)儀器與方法

試驗(yàn)儀器與標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 試驗(yàn)儀器及標(biāo)準(zhǔn)

利用德圖Testo350型煙氣分析儀測(cè)量出口煙氣的NOx濃度；利用便攜式激光氨氣分析儀測(cè)量出口的氨濃度。不均勻度Cv定義如下[25]：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：NOx(O2=6%)為氧量折算到6%的NOx排放濃度，mg/m3；(NO)測(cè)試值為實(shí)際測(cè)量NO排放濃度，μL/L；(O2)測(cè)試值為煙氣中實(shí)際測(cè)量O2濃度，%。

2 結(jié)果與討論

2.1 改造前脫硝出口NOx濃度分布及氨逃逸

在脫硝系統(tǒng)改造之前，對(duì)該機(jī)組進(jìn)行噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)，摸清脫硝系統(tǒng)存在的問(wèn)題，將脫硝出口NOx濃度不均勻度調(diào)整到最優(yōu)狀態(tài)。穩(wěn)定工況下，通過(guò)噴氨支管手動(dòng)蝶閥的調(diào)節(jié)，對(duì)脫硝出口NOx濃度進(jìn)行“削峰填谷”。脫硝出口NOx濃度值如表2所示。脫硝入口NOx濃度分布如圖2所示。

表2 改造前脫硝出口NOx濃度值

圖2 脫硝入口NOx濃度分布圖

從圖2可知，A側(cè)脫硝入口NOx濃度分布不均勻度為8.2%，B側(cè)不均勻度為5.4%。脫硝入口NOx濃度場(chǎng)分布均勻，不存在明顯的深度方向分布不均問(wèn)題。經(jīng)過(guò)噴氨優(yōu)化試驗(yàn)后，脫硝出口NOx濃度分布如圖3所示，出口煙氣流速分布如圖4所示。

從圖3可知，經(jīng)過(guò)噴氨優(yōu)化調(diào)整后，脫硝出口A側(cè)NOx濃度均值18.1mg/m3，NOx濃度分布不均勻度64.1%。噴氨優(yōu)化調(diào)整后，脫硝出口B側(cè)NOx濃度均值32.7mg/m3，NOx濃度分布不均勻度達(dá)到63.0%。A、B兩側(cè)出口都存在著一定程度的深度方向不均問(wèn)題。根據(jù)出口截面NOx濃度的最大值和最小值可以算出最大偏差。改造前A側(cè)深度方向NOx濃度值最大偏差達(dá)到17.2倍，B側(cè)深度方向NOx濃度最大偏差達(dá)到10.5倍。同時(shí)由于噴氨支管數(shù)量少，缺少寬度方向調(diào)節(jié)的裕度。

圖3 脫硝出口NOx濃度分布圖

從圖4可知，A側(cè)煙道煙氣流速均值8.9m/s，流速不均勻度23.0%；B側(cè)煙氣流速均值9.2m/s，流速不均勻度為24.9%。對(duì)比脫硝進(jìn)出口NOx濃度分布圖可知脫硝出口NOx濃度沿深度方向分布不均與NOx濃度場(chǎng)分布、流速偏差等因素關(guān)系不大，主要原因是單排渦流盤結(jié)構(gòu)限制導(dǎo)致的噴氨不均。單排渦流盤的駐渦效應(yīng)在煙道深度方向影響較小，缺少深度方向的調(diào)整手段。

圖4 脫硝出口流速分布圖

利用LDAS-3000便攜式氨逃逸分析儀對(duì)脫硝出口氨逃逸進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量深度為1.5m，氨逃逸數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 改造前氨逃逸數(shù)據(jù) μL/L

脫硝系統(tǒng)為單排渦流盤結(jié)構(gòu)時(shí)，經(jīng)過(guò)噴氨優(yōu)化調(diào)整降低脫硝出口NOx濃度分布不均勻度后，脫硝出口氨逃逸量仍較大。該機(jī)組采用單排渦流盤結(jié)構(gòu)時(shí)，盡管經(jīng)過(guò)噴氨優(yōu)化調(diào)整，但由于結(jié)構(gòu)限制無(wú)法進(jìn)一步降低脫硝出口NOx濃度分布不均勻度，氨逃逸量也較大，空預(yù)器存在硫酸氫銨堵塞風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 改造后脫硝出口NOx濃度分布及氨逃逸

在穩(wěn)定負(fù)荷下，對(duì)單排渦盤結(jié)構(gòu)改為雙排渦盤結(jié)構(gòu)后的脫硝系統(tǒng)進(jìn)行噴氨優(yōu)化，降低脫硝出口NOx分布不均勻度，優(yōu)化后脫硝出口NOx濃度如表4所示，分布如圖5所示。改造前后各測(cè)點(diǎn)NOx濃度均值變化如圖6所示。

表4 改造后脫硝出口NOx濃度值

圖5 改造后脫硝出口NOx濃度分布

圖6 改造前后各測(cè)孔NOx濃度均值變化

改造前后脫硝出口NOx濃度分布對(duì)比時(shí)，保證凈煙氣NOx排放值相同。從圖5可知，噴氨優(yōu)化調(diào)整后，脫硝出口A側(cè)NOx濃度均值12.2mg/m3，NOx分布不均勻度35.8%，與改造前相比下降了28.3個(gè)百分點(diǎn)；B側(cè)NOx濃度均值38.7mg/m3，NOx分布不均勻度37%，與改造前相比下降了26個(gè)百分點(diǎn)。由改造前后脫硝出口NOx分布圖對(duì)比可知，將單排渦流盤結(jié)構(gòu)改為雙排渦流盤結(jié)構(gòu)，可以有效提高噴氨均勻性，降低脫硝出口NOx分布不均勻度。從圖6可知，雙渦流盤改造后，脫硝系統(tǒng)雖然仍存在著一定的深度方向分布不均問(wèn)題，但改造后A側(cè)深度方向NOx濃度值最大偏差為2.5倍，B側(cè)深度方向NOx濃度值最大偏差為3.1倍，相比于改造前，NOx深度方向分布的最大偏差已經(jīng)大大降低。此時(shí)的NOx濃度分布不均勻度基本滿足了脫硝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，氨逃逸量下降明顯，硫酸氫銨堵塞風(fēng)險(xiǎn)大大降低。從圖6可知，改造前A、B兩側(cè)各測(cè)孔均值變化幅度遠(yuǎn)大于改造后的均值，表明雙渦流盤改造能夠顯著降低NOx濃度的不均勻度，效果顯著。改造后該機(jī)組穩(wěn)定負(fù)荷下脫硝出口氨逃逸數(shù)據(jù)如表5所示。

從表5可知，雙渦流盤改造后，脫硝出口氨逃逸量明顯下降，氨逃逸普遍小于1μL/L，較改造前下降約3μL/L，雙渦流盤改造效果明顯。

表5 改造后氨逃逸數(shù)據(jù) μL/L

2.3 小結(jié)

(1)單排渦流靜態(tài)混合器脫硝系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)的限制，存在噴氨的深度方向不均問(wèn)題，導(dǎo)致脫硝出口NOx濃度分布不均勻度大，局部區(qū)域氨逃逸量大。噴氨優(yōu)化試驗(yàn)不能從根本上解決噴氨不均帶來(lái)的氨逃逸量大的問(wèn)題。

(2)單排渦流盤結(jié)構(gòu)改造為雙排渦流盤結(jié)構(gòu)可以緩解深度方向噴氨不均問(wèn)題，有助于降低脫硝出口NOx濃度分布不均勻度，降低氨逃逸量。

(3)雙排結(jié)構(gòu)不能完全解決噴氨深度不均問(wèn)題，必須結(jié)合導(dǎo)流板、整流器、催化劑等因素綜合考慮，才能徹底解決噴氨不均問(wèn)題。

3 結(jié)語(yǔ)

在煤電機(jī)組排放政策日益嚴(yán)格的趨勢(shì)下，電廠的凈煙氣NOx排放值越來(lái)越低，給SCR脫硝系統(tǒng)帶來(lái)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。眾多電廠原有的單排渦流盤結(jié)構(gòu)不能適應(yīng)新形勢(shì)，容易帶來(lái)空預(yù)器堵塞等問(wèn)題。雙排渦流盤結(jié)構(gòu)相較于單排渦流盤結(jié)構(gòu)能夠有助于緩解深度方向噴氨不均問(wèn)題，有助于降低脫硝出口NOx濃度分布不均勻度，有助于降低氨逃逸量。雙排渦流盤結(jié)構(gòu)為新形勢(shì)下煤電機(jī)組的超低排放改造提供了思路。