沈保中

（華能上海石洞口第二電廠，上海 200942）

0 引言

為了應(yīng)對(duì)“十二五”國(guó)家環(huán)保部對(duì)火電行業(yè)的氮氧化物減排要求，為了執(zhí)行即將發(fā)布的新版《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，目前絕大部分燃煤電廠均在加大力度，進(jìn)行氮氧化物減排治理的改造工作。由于是在老機(jī)組上實(shí)施改造，受老設(shè)備原設(shè)計(jì)的約束和現(xiàn)場(chǎng)條件限制，會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問題，通過梳理2臺(tái)600MW超臨界機(jī)組氮氧化物減排治理過程中遇到的問題和總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，提供給需要改造的電廠作為參考。

1 配套低氮燃燒系統(tǒng)改造的必要性

被改造的2臺(tái)600MW超臨界機(jī)組的鍋爐，絕大部分設(shè)計(jì)時(shí)沒有采用低氮燃燒系統(tǒng)或采用較早的低氮燃燒技術(shù)，鍋爐日常運(yùn)行時(shí)氮氧化物的排放濃度較高，平均濃度超過650mg／m3。如果在改造中不進(jìn)行配套低氮燃燒系統(tǒng)的改造，直接采用選擇性催化（SCR）脫硝系統(tǒng)，氮氧化物的排放濃度要達(dá)到新排放標(biāo)準(zhǔn)要求的100mg／m3以下，就需要達(dá)到85%以上的脫硝效率；在催化劑的配置上需要增加催化劑的體積和高度，造成投資增加、運(yùn)行時(shí)的壓差增加，引起廠用電增加、還原劑的消耗量增加。如果在改造時(shí)同時(shí)配套進(jìn)行低氮燃燒系統(tǒng)的改造，通過改造將氮氧化物的排放濃度下降到350mg／m3左右后再采用SCR脫硝系統(tǒng)，脫硝效率只要達(dá)到75%左右就可滿足氮氧化物排放濃度小于100mg／m3的新排放標(biāo)準(zhǔn)要求。此時(shí)催化劑配置的體積和高度會(huì)明顯減少，相應(yīng)的投資、運(yùn)行成本也會(huì)明顯下降。

以1臺(tái)600MW超臨界機(jī)組為例，如果每層催化劑的高度從1.3m下降到0.95m左右，那么滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)每小時(shí)還原劑尿素的消耗量，將從777kg／h下降到436kg／h左右。而依照目前的低氮燃燒技術(shù)，將四角切圓燃燒鍋爐的氮氧化物濃度下降到350mg／m3左右的改造，可以做到基本不影響鍋爐的效率，是非常環(huán)保和經(jīng)濟(jì)的氮氧化物減排措施。所以，從總體上考慮，鍋爐配套低氮燃燒系統(tǒng)改造，是氮氧化物減排治理改造的首選方案，再考慮在尾部增加SCR脫硝技術(shù)，是1條可行、可靠和經(jīng)濟(jì)的技術(shù)改造路線。

部分早期僅僅進(jìn)行SCR脫硝改造的鍋爐，由于沒有同時(shí)配套進(jìn)行低氮燃燒系統(tǒng)改造，改造投運(yùn)后發(fā)現(xiàn)運(yùn)行不經(jīng)濟(jì)性、無法達(dá)到新的排放標(biāo)準(zhǔn)等問題，需要進(jìn)行第二次的追加低氮燃燒系統(tǒng)改造，造成了不必要的浪費(fèi)。

對(duì)于鍋爐配套進(jìn)行低氮燃燒系統(tǒng)改造的鍋爐，由于燃燒系統(tǒng)進(jìn)行了較大的改動(dòng)，鍋爐投運(yùn)后應(yīng)該盡快開展鍋爐燃燒優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)，通過優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)將鍋爐的燃燒工況調(diào)整到最優(yōu)化，確保在不影響鍋爐效率的情況下將氮氧化物的排放濃度降到最低，使改造的效果實(shí)現(xiàn)最大化。

2 流場(chǎng)模擬計(jì)算和物模試驗(yàn)的重要性

在老鍋爐上加裝SCR脫硝系統(tǒng)改造時(shí)，由于原鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮到加裝SCR脫硝系統(tǒng)，鍋爐后部鋼架設(shè)計(jì)時(shí)沒有預(yù)留足夠的空間來引出和引入脫硝煙道及布置SCR脫硝反應(yīng)塔的位置，鍋爐鋼架承重鋼梁和主要立柱的位置會(huì)影響到煙道的布置優(yōu)化，而對(duì)鍋爐鋼架承重鋼梁和主要立柱進(jìn)行移位是非常困難的，使得SCR脫硝系統(tǒng)改造時(shí)煙道和反應(yīng)塔的布置就很難有較理想的流場(chǎng)。脫硝系統(tǒng)煙道的引出和引入普遍存在不規(guī)則的縮口和擴(kuò)口現(xiàn)象，而且脫硝系統(tǒng)的引出和引入煙道普遍非常短，造成脫硝系統(tǒng)的引出和引入煙道內(nèi)的流場(chǎng)分布非常不均勻。

為此，有必要委托經(jīng)驗(yàn)豐富的單位開展SCR脫硝系統(tǒng)流場(chǎng)模擬計(jì)算和物模試驗(yàn)，通過試驗(yàn)找出解決流場(chǎng)均勻性的措施并在工程實(shí)施時(shí)給予落實(shí)，使得煙氣在進(jìn)、出口煙道和整個(gè)反應(yīng)塔內(nèi)的流動(dòng)非常均勻，為脫硝系統(tǒng)的安全正常運(yùn)行創(chuàng)造條件。如果沒有開展SCR脫硝系統(tǒng)流場(chǎng)模擬計(jì)算和物模試驗(yàn)，或委托的試驗(yàn)單位沒有足夠的經(jīng)驗(yàn)找出解決流場(chǎng)均勻性的措施，SCR脫硝系統(tǒng)投運(yùn)后就有可能發(fā)生煙道內(nèi)大量積灰、部分催化劑表面大量積灰和磨損嚴(yán)重，進(jìn)而引起空氣預(yù)熱器表面堵塞等問題，影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3 還原劑的選擇

1）液氨 需要壓力容器進(jìn)行運(yùn)輸和儲(chǔ)存，運(yùn)輸、接卸、儲(chǔ)存時(shí)具有較大的危險(xiǎn)性；液氨單價(jià)較高，但折算到等摩爾的氨氣的單價(jià)較低；使用系統(tǒng)簡(jiǎn)單、使用方便、調(diào)節(jié)靈活。尿素的運(yùn)輸、接卸、儲(chǔ)存比較方便，沒有任何危險(xiǎn)性。

2）尿素 單價(jià)較低，但折算到等摩爾的氨氣的單價(jià)較高；尿素制造過程中需要消耗更多的能源和水資源；使用系統(tǒng)比較復(fù)雜，改造的初期投資較高；使用時(shí)需要消耗電能進(jìn)行高溫裂解，能耗較高、系統(tǒng)調(diào)節(jié)較困難，每次系統(tǒng)啟停比較麻煩，需要經(jīng)過較長(zhǎng)的時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定；尿素屬于農(nóng)資產(chǎn)品，價(jià)格波動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)較高。

3）選擇方案 從電廠的使用方便性、運(yùn)行成本控制、改造投資控制及總體環(huán)保效益最大化出發(fā)，選擇液氨作為還原劑是較合理的。但是，如果改造工程處在大城市邊緣、液氨供應(yīng)源較遠(yuǎn)，需要長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)碾姀S，從考慮社會(huì)環(huán)境大安全考慮，建議選擇尿素作為還原劑。

4 調(diào)平衡試驗(yàn)要及時(shí)

1）濃度不均勻的原因 雖然在設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)過流場(chǎng)模擬計(jì)算和物模試驗(yàn)，使得SCR脫硝反應(yīng)塔內(nèi)的煙氣流場(chǎng)盡量做到均勻，但是由于煙氣本身存在濃度的不均勻性，加上各噴氨系統(tǒng)也存在一定的不均勻性，造成SCR脫硝系統(tǒng)改造投運(yùn)后，反應(yīng)塔內(nèi)氮氧化物濃度與氨氣濃度的比例存在不均勻性，造成SCR脫硝系統(tǒng)反應(yīng)塔出口氮氧化物濃度與氨氣逃逸濃度存在不均勻性，部分出口氮氧化物濃度較低的部位氨氣的逃逸濃度升高。

2）調(diào)平衡試驗(yàn)的重要性 由于煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CEMS）和氨逃逸表安裝位置的限制，目前只能測(cè)量局部的氮氧化物濃度和氨氣的逃逸濃度，無法做到測(cè)量整個(gè)反應(yīng)塔內(nèi)的實(shí)際情況。如果反應(yīng)塔內(nèi)有嚴(yán)重的不平衡性存在，投運(yùn)后沒有立即進(jìn)行調(diào)平衡試驗(yàn)，就有可能造成SCR脫硝系統(tǒng)投運(yùn)不久引起空氣預(yù)熱器堵塞、運(yùn)行壓差上升，情況嚴(yán)重的有可能危險(xiǎn)到機(jī)組的安全運(yùn)行。為此，需要及時(shí)開展調(diào)平衡試驗(yàn)，通過現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行網(wǎng)格法測(cè)量脫硝系統(tǒng)出口氮氧化物的濃度，找出不平衡的位置，調(diào)整相對(duì)應(yīng)的噴氨門，使反應(yīng)塔出口氮氧化物濃度達(dá)到均勻。

3）調(diào)平衡試驗(yàn)分析 為了方便開展調(diào)平衡試驗(yàn)，建議設(shè)計(jì)時(shí)在SCR脫硝系統(tǒng)末層的每1塊催化劑出口安置1根取樣管，形成1個(gè)與催化劑模塊相對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格，使得每塊催化劑均有1個(gè)網(wǎng)格坐標(biāo)。調(diào)平衡試驗(yàn)時(shí)可以方便地測(cè)量每塊催化劑出口的氮氧化物濃度，通過分析測(cè)量到的氮氧化物濃度網(wǎng)格數(shù)據(jù)，可以查出反應(yīng)塔內(nèi)部的不平衡性。如果沒有安裝上述取樣管，進(jìn)行調(diào)平衡試驗(yàn)時(shí)需要通過大量的人力在脫硝出口煙道上進(jìn)行人工網(wǎng)格法測(cè)量，測(cè)量的數(shù)據(jù)與噴氨門的對(duì)應(yīng)性較差，調(diào)平衡難度就大。例如：某尿素SCR脫硝系統(tǒng)初次投運(yùn)調(diào)平衡前后的反應(yīng)塔A側(cè)出口氮氧化物濃度分布如表1所示。

表1 調(diào)平衡前的反應(yīng)塔A側(cè)出口氮氧化物濃度分布mg／m3

由表1可以看出，氮氧化物濃度最大為115mg／m3，最小為1mg／m3，平均為33.8mg／m3，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為84.7%，說明存在嚴(yán)重的不平衡性。根據(jù)表1所測(cè)數(shù)據(jù)，重新調(diào)整了相應(yīng)噴氨門的開度，再次測(cè)試的數(shù)據(jù)如表2所示。

由表2得知，氮氧化物濃度最大為60mg／m3，最小為16mg／m3，平均為39.7mg／m3，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為28.5%。說明調(diào)整后，脫硝反應(yīng)塔A側(cè)的平衡度已經(jīng)明顯好轉(zhuǎn)，達(dá)到了基本可以接受的程度。

對(duì)于采用尿素作為還原劑的系統(tǒng)，由于兩側(cè)反應(yīng)塔共用一個(gè)裂解爐，2個(gè)反應(yīng)塔內(nèi)噴氨的均勻性更差，而且受外界的干擾因素更多，出現(xiàn)不平衡的可能性更大。所以，建議每次機(jī)組檢修后要盡快做調(diào)平衡試驗(yàn)，或者當(dāng)SCR脫硝出口氮氧化物濃度與煙囪入口氮氧化物濃度偏差較大時(shí)就需要開展調(diào)平衡試驗(yàn)。

表2 調(diào)平衡后的反應(yīng)塔A側(cè)出口氮氧化物濃度分布 mg／m3

5 考核存在不足

目前，部分省市出臺(tái)的脫硝電價(jià)考核條款中，將氮氧化物排放濃度小于100mg／m3、脫硝效率必須大于70%或更高指標(biāo)作為考核標(biāo)準(zhǔn)，顯然存在不足。

1）不實(shí)施同步配套改造的考核可行 對(duì)于不實(shí)施同步配套、單一進(jìn)行低氮燃燒系統(tǒng)改造的機(jī)組，將氮氧化物排放濃度小于100mg／m3、脫硝效率大于70%或更高指標(biāo)作為考核標(biāo)準(zhǔn)是可行的。這是因?yàn)镾CR脫硝系統(tǒng)入口的氮氧化物排放濃度較高，采取降氮氧化物措施是非常必要的。

2）實(shí)施同步配套改造的考核欠妥 對(duì)于實(shí)施同步配套進(jìn)行低氮燃燒系統(tǒng)改造的機(jī)組，降氮氧化物的手段是通過低氮燃燒系統(tǒng)和SCR脫硝系統(tǒng)協(xié)同實(shí)現(xiàn)的。在正常情況下，50%左右的氮氧化物下降幅度由非常環(huán)保和經(jīng)濟(jì)的低氮燃燒系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，剩余的30%左右的氮氧化物下降幅度則由運(yùn)行成本相對(duì)較高的SCR脫硝系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。

如果將低氮燃燒系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整到最佳，在不影響鍋爐效率的情況下，可以將氮氧化物排放濃度降到最低，此時(shí)SCR脫硝系統(tǒng)入口的氮氧化物濃度就可能較低。

如果鍋爐燃燒比設(shè)計(jì)煤種揮發(fā)分更高的煤種時(shí)，氮氧化物的濃度可能會(huì)更低，SCR脫硝系統(tǒng)入口的氮氧化物濃度會(huì)大大低于設(shè)計(jì)濃度。

如果某SCR脫硝系統(tǒng)入口設(shè)計(jì)濃度按照400mg／m3設(shè)計(jì)，實(shí)際運(yùn)行時(shí)如果SCR脫硝系統(tǒng)入口濃度在200mg／m3以下或更低，此時(shí)要同時(shí)滿足上述考核條件，SCR脫硝系統(tǒng)出口氮氧化物濃度就會(huì)很低，總的氮氧化物下降幅度較小，對(duì)按照較高氮氧化物下降幅度設(shè)計(jì)的反應(yīng)塔需要的氮氧化物和氨氣的摩爾比就要上升、氨逃逸濃度就會(huì)升高。同時(shí)，過低的SCR脫硝系統(tǒng)出口氮氧化物濃度對(duì)反應(yīng)塔內(nèi)的不均勻性敏感度就會(huì)提高，局部催化劑出口氨逃逸濃度就會(huì)升高，造成潛在的系統(tǒng)堵塞、催化劑中毒的危險(xiǎn)性增加。

3）考核標(biāo)準(zhǔn)要合理 鑒于上述兩種情況分析，對(duì)實(shí)施同步配套改造工程的機(jī)組，同時(shí)考核氮氧化物排放濃度和脫硝效率是非常不科學(xué)的，相關(guān)部門在制定政策時(shí)應(yīng)以排放氮氧化物濃度作為絕對(duì)考核標(biāo)準(zhǔn)，適度的脫硝效率作為參考標(biāo)準(zhǔn)，鼓勵(lì)企業(yè)努力運(yùn)行好低氮燃燒系統(tǒng)，達(dá)到環(huán)保效應(yīng)的最大化。

6 選擇合理的取樣點(diǎn)

由于參與改造的機(jī)組，脫硝系統(tǒng)進(jìn)、出口煙道普遍較短，即使是場(chǎng)地相對(duì)寬余的新建工程，脫硝系統(tǒng)進(jìn)、出口煙道上取樣點(diǎn)的布置位置也無法完全符合相關(guān)規(guī)范的要求。為此，需要在現(xiàn)場(chǎng)尋找一個(gè)合理的取樣點(diǎn)。

一般SCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)、出口煙道布置采用水平方向較寬、高度較窄的方式，而且鍋爐煙道到省煤器出口存在一定偏差，造成SCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)、出口煙氣氧濃度和氮氧化物濃度存在水平方向偏差，普遍是兩側(cè)偏高、中間偏低。所以，CEMS取樣點(diǎn)建議布置在水平段煙道的上部居中位置，同時(shí)盡可能布置在煙道流向的下游位置，人工比對(duì)測(cè)孔盡量安裝在CEMS測(cè)點(diǎn)上游1m左右。對(duì)于采用直接測(cè)量法的氨逃逸表的安裝位置，由于必須要安裝在煙氣通流處，安裝位置離脫硝系統(tǒng)越遠(yuǎn)越有利于系統(tǒng)混合，建議將氨逃逸表安裝在空氣預(yù)熱器的入口垂直段。

7 結(jié)語(yǔ)

上述分析表明，配套低氮燃燒改造加SCR脫硝改造路線，是最優(yōu)化的老機(jī)組氮氧化物減排治理改造路線；精確的流場(chǎng)模擬計(jì)算和物模試驗(yàn)結(jié)果是SCR脫硝系統(tǒng)改造成功的關(guān)鍵；及時(shí)開展調(diào)平衡試驗(yàn)是保障SCR脫硝系統(tǒng)安全運(yùn)行的有效措施。

SCR脫硝系統(tǒng)運(yùn)行是我國(guó)近幾年剛開始實(shí)施的減排措施，許多運(yùn)行問題還有待技術(shù)人員在今后的工作中不斷加以總結(jié)，通過總結(jié)、交流用以提高整體的運(yùn)行水平。