潘娟琴, 余 靖, 周 健, 陳國宏

(1.安徽新力電業(yè)科技咨詢有限責任公司, 安徽 合肥 230601； 2.國網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院, 安徽 合肥 230601)

0 引言

目前，國內(nèi)大部分燃煤電廠采用SCR脫硝技術(shù)來脫除NOx。然而，受鍋爐燃燒調(diào)整以及催化劑積灰等影響，脫硝系統(tǒng)在運行過程中常出現(xiàn)氮氨混合不均、局部氨逃逸過量等問題，影響機組運行[1,2]。因此，燃煤機組需要定期進行噴氨優(yōu)化試驗，使脫硝裝置處于最佳運行狀態(tài)。

王文飚等人[3]以手動調(diào)節(jié)噴氨支管蝶閥開度為主要手段，對雙排渦流混合器改造的脫硝系統(tǒng)展開噴氨優(yōu)化試驗，同時結(jié)合SIS數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)了CEMS測點零點漂移問題,為電廠噴氨優(yōu)化運行和改造提供了思路。王艷鵬[4]等人針對某600 MW超臨界燃煤機組在運行過程中存在的局部噴氨過量的問題，通過對噴氨支管手動調(diào)門開度進行多輪優(yōu)化調(diào)整，最大程度地提高了脫硝裝置出口NOx濃度的均勻性，保障了機組安全穩(wěn)定地運行。劉高軍[5]等人在噴氨優(yōu)化的過程中分析了脫硝系統(tǒng)存在的缺陷，優(yōu)化了噴氨裝置的程控邏輯以及導(dǎo)流板的安裝位置，提高了機組運行的安全性。

某650 MW超臨界燃煤機組在超低排放改造后發(fā)現(xiàn)SCR脫硝裝置出口存在NOx濃度分布不均、氨逃逸量大等問題。本文根據(jù)實測的氨逃逸和NOx濃度分布情況，以手動調(diào)節(jié)反應(yīng)器入口噴氨蝶閥開度為主要手段，進行噴氨優(yōu)化調(diào)整，提高了機組的運行參數(shù)，可為同類型的鍋爐在噴氨優(yōu)化的過程中提供經(jīng)驗。

1 設(shè)備簡介

某650 MW超臨界燃煤機組選用哈爾濱鍋爐廠設(shè)計、制造的超臨界本生(Benson)直流鍋爐，型號：HG-1890/25.4-YM4。一次中間再熱、滑壓運行，配內(nèi)置式再循環(huán)泵啟動系統(tǒng)，固態(tài)排渣、單爐膛、平衡通風、Π型布置、全鋼構(gòu)架懸吊結(jié)構(gòu)、露天布置。燃燒方式為為前后墻對沖燃燒，30只低NOx軸向旋流燃燒器，分三層對稱布置，前后墻各15只。每臺燃燒器(B層燃燒器配等離子裝置)配有一支油槍，油槍采用機械霧化噴嘴，油槍的最大出力按30%BMCR工況設(shè)計。

該鍋爐采用SCR工藝脫硝，脫硝還原劑為氨氣。SCR反應(yīng)器布置在鍋爐省煤器和空氣預(yù)熱器之間,不設(shè)反應(yīng)器煙氣旁路系統(tǒng)。SCR反應(yīng)器采用蜂窩式催化劑，催化劑層數(shù)按照“2+1”布置,即2層運行,1層備用。

2 研究內(nèi)容及研究方法

2.1 研究方法

研究方法包括摸底試驗、噴氨調(diào)整以及結(jié)果驗證三個部分。首先，在650 MW負荷下對脫硝裝置進行摸底測試，測量SCR脫硝裝置出口NOx濃度場以及氨逃逸分布情況,從而評估SCR脫硝系統(tǒng)的運行狀態(tài)；然后，在650 MW負荷下根據(jù)摸底試驗結(jié)果來進行噴氨優(yōu)化調(diào)整，最大程度地提高NOx濃度場分布的均勻性；最后，在480 MW和340 MW負荷下對調(diào)整后的煙道內(nèi)NOx濃度和氨逃逸的分布情況進行測試，驗證調(diào)整后的效果。

2.2 數(shù)據(jù)測量

2.2.1 測點布置

試驗測點位于SCR反應(yīng)器出口垂直煙道的橫截面上，采用網(wǎng)格法布置，橫截面的長寬分別為12 m和3 m。從圖1可以看出，A、B兩側(cè)SCR脫硝裝置出口各布置10個測孔，從左往右依次編號A1～A10；B10～B1。每個測孔沿不同深度布置3個測點，測點深度分別為1 m、1.75 m和2.5 m。

圖1 脫硝裝置出口測點布置

2.2.2 NOx濃度場測量

采用NOVA PLUS智能煙氣分析儀在布置的測點處測量煙氣中NOx的濃度，并通過計算NOx分布的相對平均標準偏差(CV)來評估NOx分布均勻性[6]。

煙氣中NOx濃度和CV值由下列公式來進行計算：

(1)

(2)

(3)

式中：CNOx為SCR出口截面NOx平均濃度，mg/m3；CNOxi為SCR出口截面各點NOx濃度，mg/m3；m為NOx濃度標準差，%；CV為NOx濃度相對平均標準差，%。

2.2.3 氨逃逸測量

采用LAS14112C氨逃逸分析儀在測孔深度為1.5 m處測量氨逃逸濃度。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 摸底試驗

在650 MW負荷下對機組脫硝裝置展開摸底試驗，測量脫硝裝置出口NOx濃度場以及氨逃逸分布情況，以此評估SCR脫硝系統(tǒng)的運行狀態(tài)。摸底試驗的結(jié)果如圖2和3所示。

(a)A側(cè)出口 (b)B側(cè)出口圖2 優(yōu)化前脫硝裝置出口NOX濃度

圖3 優(yōu)化前脫硝裝置出口氨逃逸濃度

從圖2可以看出，脫硝裝置出口NOx的濃度場分布均勻性較差，其中A側(cè)NOx濃度最高為116.74 mg/m3,最低為3.52 mg/m3，NOx濃度的相對平均標準偏差值達76.81%；B側(cè)NOx濃度最高為125.88 mg/m3，最低為1.78 mg/m3，NOx濃度的相對平均標準偏差值達112.82%。從整體來看，A側(cè)區(qū)域表現(xiàn)為兩側(cè)NOx濃度較低，中間較高，而B側(cè)區(qū)域表現(xiàn)為右側(cè)NOx濃度較低，左側(cè)較高。A、B兩側(cè)反應(yīng)器出口沿深度方向表現(xiàn)為較深區(qū)域的NOx濃度較低，較淺區(qū)域的較高。

從圖3可以看出，氨逃逸濃度分布與反應(yīng)器出口NOx濃度場的分布相對應(yīng)，在A、B兩側(cè)區(qū)域的分布也明顯存在不均。其中A側(cè)氨逃逸濃度最高為5.0 uL/L,最低為0.7 uL/L，平均值為3.04 uL/L；B側(cè)氨逃逸濃度最高為5.9 uL/L,最低為0.7 uL/L，平均值為3.18 uL/L。相關(guān)研究表明[7-9]，頂層催化劑入口處不合理的氮氨摩爾比是造成脫硝裝置出口氨逃逸濃度偏差大的主要原因。氨逃逸濃度偏差大將會加劇脫硝系統(tǒng)后面的空預(yù)器堵塞。因此，需要對脫硝裝置進行噴氨優(yōu)化調(diào)整，合理分配催化劑入口處的氨流量，降低SCR反應(yīng)器出口NOx濃度場分布的不均勻性。

3.2 噴氨優(yōu)化與調(diào)整

在650 MW負荷下對SCR脫硝系統(tǒng)開展噴氨優(yōu)化試驗。由摸底測試結(jié)果可知，SCR反應(yīng)器出口A側(cè)1～2號測點區(qū)域、8～10號測點區(qū)域以及B側(cè)1～5號下層測點區(qū)域、6～10號測點區(qū)域的NOx濃度較低；SCR反應(yīng)器出口A側(cè)3～7號中上層測點區(qū)域以及B側(cè)1～4號中上層測點區(qū)域的NOx濃度較高。因此，在調(diào)整過程中應(yīng)盡量減小SCR反應(yīng)器出口A側(cè)1～2號測點區(qū)域、8～10號測點區(qū)域以及B側(cè)1～5號測點下層區(qū)域、6～10號測點區(qū)域?qū)?yīng)的噴氨蝶閥開度。同時，增大SCR反應(yīng)器出口A側(cè)3～7號中上層測點區(qū)域和B側(cè)1～4號中上層測點區(qū)域?qū)?yīng)的噴氨蝶閥開度。噴氨支管調(diào)整前后的閥門開度見表1，閥門開度范圍為0～90，其中0為全關(guān)，90為全開。

經(jīng)過噴氨調(diào)整后的SCR反應(yīng)器出口NOx濃度場和氨逃逸分布如圖4和圖5所示。從圖4可以看出，脫硝裝置出口A、B兩側(cè)區(qū)域NOx的濃度分布經(jīng)噴氨優(yōu)化后得到了明顯地改善，濃度范圍主要集中在30～55 mg/m3之間。兩側(cè)區(qū)域NOx濃度沿深度方向基本一致。沿左右方向A側(cè)區(qū)域NOx濃度表現(xiàn)為左側(cè)高，右側(cè)低；B側(cè)區(qū)域為兩側(cè)低，中間高。A、B兩側(cè)相對平均標準偏差分別降低至14.63%和14.85%，符合國標要求[10]。從圖5可以看出，優(yōu)化后A、B兩側(cè)出口氨逃逸濃度的最大值分別由調(diào)整前的5.0 uL/L和5.9 uL/L下降至2.9 uL/L和2.2 uL/L，兩側(cè)氨逃逸濃度的平均值由3.04 uL/L和3.18 uL/L下降至1.48 uL/L和1.88 uL/L。由此可見，SCR脫硝系統(tǒng)局部氨逃逸過大的問題得到改善。這主要是因為經(jīng)過噴氨優(yōu)化調(diào)整后，NOx濃度較低區(qū)域的噴氨量減小，該處之前不合理的氨氮摩爾比情況得到改善。

表1 噴氨支管手動蝶閥開度匯總

續(xù)表

(a)A側(cè)出口 (b)B側(cè)出口圖4 優(yōu)化后脫硝裝置出口NOx濃度

圖5 優(yōu)化后脫硝裝置出口氨逃逸濃度

3.3 結(jié)果驗證

為了驗證噴氨優(yōu)化調(diào)整的效果，在機組負荷為340 MW和480 MW下測試SCR脫硝裝置出口NOx濃度場和氨逃逸的分布情況，結(jié)果如圖6和7所示。由圖6可知，經(jīng)過噴氨優(yōu)化后，不同機組負荷下的反應(yīng)器出口NOx濃度偏差較小，未出現(xiàn)局部NOx濃度過高或者過低的現(xiàn)象。其中，在480 MW負荷下,A、B兩側(cè)脫硝裝置出口NOx濃度的相對平均標準偏差為17.03%和16.56%；在340 MW負荷下,A、B兩側(cè)脫硝裝置出口NOx濃度的相對平均標準偏差為18.14%和14.42%，這與650 MW負荷下反應(yīng)器出口NOx濃度的相對平均標準偏差基本一致。從圖7可以看出，在480 MW負荷下，A、B兩側(cè)反應(yīng)器出口氨逃逸濃度平均值分別為2.17 uL/L和2.45 uL/L；在340 MW負荷下，A、B兩側(cè)氨逃逸濃度平均值分別為2.2 uL/L和2.09 uL/L。由此可知，經(jīng)過噴氨優(yōu)化后，不同負荷的氨逃逸濃度均值低于調(diào)整前的，這與反應(yīng)器出口NOx濃度的分布相對應(yīng)，說明噴氨優(yōu)化對不同機組負荷的適應(yīng)性良好[11,12]。

(a)A側(cè)出口 (b)B側(cè)出口圖6 優(yōu)化后不同負荷下脫硝裝置出口NOx濃度

圖7 優(yōu)化后不同負荷下脫硝裝置出口氨逃逸濃度

4 結(jié)論

本文以調(diào)節(jié)噴氨支管蝶閥開度為手段，對鍋爐SCR脫硝系統(tǒng)開展噴氨優(yōu)化試驗，并在不同機組負荷下對噴氨優(yōu)化的結(jié)果進行驗證。結(jié)果表明：經(jīng)過噴氨優(yōu)化后,脫硝裝置出口NOx和氨逃逸濃度偏差大的問題得到改善。在650 MW負荷下脫硝裝置出口A側(cè)NOx濃度的相對平均標準偏差從76.81 %下降至14.63%，氨逃逸濃度均值從3.04 uL/L下降至1.48 uL/L；脫硝裝置出口B側(cè)NOx濃度相對平均標準偏差從112.82%下降至14.85%，氨逃逸濃度均值從3.18 uL/L下降至1.88 uL/L。在340 MW和480 MW負荷下脫硝裝置出口NOx的相對平均標準偏差與650 MW的偏差不大，且出口氨逃逸濃度平均值低于調(diào)整前，說明噴氨優(yōu)化對不同機組負荷的適應(yīng)性良好。