夏 斌，何陸燦，嚴(yán)曉勇，陳國慶，李朝兵，孫俊威

(1.國能南京電力試驗研究有限公司，江蘇 南京 210023；2.國能(福州)熱電有限公司，福建 福州 350309)

1 引言

選擇性催化還原(SCR)技術(shù)因其工藝成熟、脫硝效率高，被普遍應(yīng)用于火電廠氮氧化物減排中[1-4]，其原理是將NH3與空氣預(yù)混，經(jīng)噴氨格柵(Ammonia Injection Grid, AIG)與煙氣混合后，在催化劑的作用下，將煙氣中的NOx還原成N2和H2O。利用選擇性催化還原技術(shù)能有效減少NOx排放，但也帶來了一些新問題。其中，最為普遍的問題就是脫硝反應(yīng)器內(nèi)局部氨氮摩爾比不匹配，氨氮摩爾比偏低的區(qū)域脫硝效率低，影響NOx的超低排放；氨氮摩爾比偏高的區(qū)域氨逃逸量大，易產(chǎn)生硫酸氫氨，并與飛灰等附著在空預(yù)器上，增大空預(yù)器阻力，影響空預(yù)器的安全運行[5-6]。因此，有必要進行噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗，以保證脫硝反應(yīng)器內(nèi)噴氨量與煙氣中NOx的良好匹配。本文介紹了進行噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗方法，并結(jié)合某廠AIG改造，對兩種型式AIG調(diào)整效果進行對比。

2 研究方法

2.1 噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗方法

現(xiàn)場進行噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗具體步驟如下：(1)測量脫硝反應(yīng)器出口NO質(zhì)量濃度分布；(2)根據(jù)NO質(zhì)量濃度分布，計算脫硝反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度分布不均勻度；(3)將計算得到的NOx質(zhì)量濃度不均勻度與目標(biāo)不均勻度進行比較，當(dāng)脫硝反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度分布不均勻度小于目標(biāo)不均勻度時，噴氨優(yōu)化調(diào)整完成；當(dāng)脫硝反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度分布的不均勻度大于目標(biāo)不均勻度時，根據(jù)脫硝反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度分布特性，調(diào)整噴氨支管手動蝶閥開度，重復(fù)第(1)～(3)步驟，直至脫硝反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度分布不均勻度小于目標(biāo)不均勻度。

上述調(diào)整方法以及諸多文獻(xiàn)[7-10]均采用不均勻度(vx)概念來衡量脫硝反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度分布的均勻性，即噴氨優(yōu)化調(diào)整結(jié)果，計算公式：

(1)

(2)

(3)

式中：Ex為脫硝反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度算術(shù)平均值；σx脫硝反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)方差；vx為脫硝反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度分布不均勻度。

2.2 噴氨格柵簡介

2.2.1 噴氨格柵類型

工程上通常稱NH3噴射混合裝置為噴氨格柵(AIG)，其主要作用是將稀釋后的NH3噴入煙道內(nèi)與煙氣均勻混合[11-13]。AIG按結(jié)構(gòu)型式主要分為三大類[14-15]：渦流靜態(tài)混合式AIG、線性控制式AIG、分區(qū)控制式AIG。

渦流靜態(tài)混合式AIG的主要特點是噴嘴孔徑大，噴氨管及噴嘴數(shù)量少，堵塞風(fēng)險低；噴嘴與靜態(tài)混合器配合使用，且噴嘴個數(shù)與靜態(tài)混合器的片數(shù)一致[11]。線性控制式AIG的主要特點是通常沿?zé)煹酪粋€方向或者相互垂直的兩個方向布置若干支配有噴嘴的噴氨管，每支噴氨管的噴氨量可根據(jù)煙氣中NOx含量可單獨調(diào)整[12]。分區(qū)控制式AIG的主要特點是將煙道橫截面劃分為若干個面積相同的區(qū)域，每片區(qū)域布置相同數(shù)量的噴嘴，每片區(qū)域的噴氨量可根據(jù)煙氣中NOx含量單獨調(diào)整[16]。

2.2.2 某廠AIG改造概況

某電廠鍋爐為哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司生產(chǎn)的超臨界600MW純凝式燃煤發(fā)電機組鍋爐，π型布置，燃燒器為軸向旋流燃燒器，為前后墻對沖布置方式。該鍋爐配套的脫硝系統(tǒng)采用選擇性催化還原技術(shù)，SCR反應(yīng)器布置在省煤器與空氣預(yù)熱器之間的高含塵區(qū)域，采用尿素作為脫硝還原劑。每側(cè)脫硝反應(yīng)器入口安裝6支噴氨支管，每根支管配備一組渦流靜態(tài)混合式AIG，支管上安裝手動蝶閥，噴氨流量沿?zé)煹缹挾确较蚩烧{(diào)。為了改善脫硝出口NOx質(zhì)量濃度分布的均勻性、降低局部氨逃逸體積濃度、防止空預(yù)器堵塞，電廠進行了噴氨格柵改造，將渦流靜態(tài)混合式AIG改造為分區(qū)控制式AIG，根據(jù)煙道尺寸以及數(shù)值模擬結(jié)果將每側(cè)脫硝反應(yīng)器入口劃分為3×6個區(qū)，每個區(qū)均布置手動蝶閥，可實現(xiàn)深度和寬度兩個維度調(diào)節(jié)噴氨量的功能。

2.2.3 噴氨支管與出口測點位置關(guān)系

噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗時，調(diào)整噴氨支管手動閥門開度的原則：NOx質(zhì)量濃度高的區(qū)域?qū)?yīng)的噴氨手動蝶閥要開大，NOx質(zhì)量濃度低的區(qū)域?qū)?yīng)的噴氨手動蝶閥要關(guān)小[17-20]。因此，在調(diào)整噴氨支管手動閥門開度前，先確定噴氨支管噴氨覆蓋區(qū)域與出口測點位置的對應(yīng)關(guān)系。噴氨位置與測點位置布置示意圖、渦流靜態(tài)混合式AIG以及分區(qū)控制式AIG脫硝系統(tǒng)噴氨支管噴氨覆蓋面與出口測點位置的對應(yīng)關(guān)系見圖1-圖3，其中圖3小支管噴氨手動蝶閥未示出。

圖1 噴氨位置與測點位置布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of location of ammonia injection and measuring point

圖2 渦流靜態(tài)混合式AIG脫硝系統(tǒng)噴氨支管噴氨覆蓋面與出口測點位置對應(yīng)關(guān)系圖Fig.2 The corresponding relationship between ammonia injection coverage of ammonia injection branch pipe and the position of outlet measuring point in denitrification system under vortex static hybrid AIG

圖3 分區(qū)控制式AIG脫硝系統(tǒng)噴氨支管噴氨覆蓋面與出口測點位置對應(yīng)關(guān)系圖Fig.3 The corresponding relationship between ammonia injection coverage of ammonia injection branch pipe and the position of outlet measuring point in denitrification system under partition-controlled AIG

3 結(jié)果與討論

為了驗證噴氨格柵改造后效果，在噴氨格柵改造前后均進行了噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗。根據(jù)噴氨支管手動閥調(diào)整方法，閥門本著先開后關(guān)的原則，開大NOx質(zhì)量濃度偏高的區(qū)域?qū)?yīng)的噴氨手動蝶閥，關(guān)小NOx質(zhì)量濃度偏低的區(qū)域?qū)?yīng)的噴氨手動蝶閥。所有試驗均在500MW負(fù)荷下進行，試驗過程中，煙囪出口NOx質(zhì)量濃度均控制在40 mg/m3左右，試驗采用網(wǎng)格法[21-25]測量了優(yōu)化調(diào)整前后脫硝反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度分布以及氨逃逸體積濃度分布。每側(cè)脫硝反應(yīng)器出口均有7個測孔，沿測孔深度方向，由外向內(nèi)依次布置4個不同深度NOx質(zhì)量濃度測點，同時在每個測孔中央布置一個氨逃逸體積濃度測點。

3.1 渦流靜態(tài)混合式AIG試驗結(jié)果

3.1.1 優(yōu)化調(diào)整前后噴氨閥門開度

500MW負(fù)荷下，采用渦流靜態(tài)混合式AIG，噴氨優(yōu)化調(diào)整前后，噴氨閥門開度如表1所示。

表1 渦流靜態(tài)混合式AIG噴氨優(yōu)化調(diào)整前后噴氨閥門開度Tab.1 Opening degrees of the ammonia injection valve before and after the optimization adjustment of the vortex static mixing AIG ammonia injection

3.1.2 優(yōu)化調(diào)整前后NOx質(zhì)量濃度分布

500MW負(fù)荷下，采用渦流靜態(tài)混合式AIG，噴氨優(yōu)化調(diào)整前后，NOx質(zhì)量濃度分布如圖4所示。

圖4 渦流靜態(tài)混合式AIG噴氨優(yōu)化調(diào)整前后脫硝出口NOx質(zhì)量濃度分布圖Fig.4 Distribution diagram of NOx mass concentration at outlet of denitrification system under vortex static hybrid AIG before and after the adjustment

500MW負(fù)荷下，采用渦流靜態(tài)混合式AIG，噴氨優(yōu)化調(diào)整前，A側(cè)脫硝反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度為0mg/m3～110.3mg/m3，分布不均勻度72.8%；B側(cè)脫硝反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度0mg/m3～111.2mg/m3，分布不均勻度為90.3%。A、B兩側(cè)脫硝反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度分布不均。

噴氨優(yōu)化調(diào)整后，A側(cè)脫硝反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度11.1mg/m3～84.9mg/m3，分布不均勻度為39.3%；B側(cè)脫硝反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度5.9mg/m3～75.6mg/m3，分布不均勻度為40.2%。

經(jīng)噴氨優(yōu)化調(diào)整后，雖在一定程度上提高了脫硝反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度分布均勻性，由于NOx深度方向上的不均無法調(diào)整，限制了NOx質(zhì)量濃度分布的進一步降低。

3.1.3 優(yōu)化調(diào)整前后氨逃逸體積濃度分布

500MW負(fù)荷下，采用渦流靜態(tài)混合式AIG，噴氨優(yōu)化調(diào)整前后，氨逃逸體積濃度分布如圖5所示。噴氨優(yōu)化調(diào)整前，A、B側(cè)脫硝反應(yīng)器出口NH3逃逸體積濃度平均值分別為2.39μL/L、2.97μL/L。

圖5 渦流靜態(tài)混合式AIG噴氨優(yōu)化調(diào)整前后脫硝出口氨逃逸體積濃度分布圖Fig.5 Distribution diagram of NH3 escape volume concentration at outlet of denitrification system under vortex static hybrid AIG before and after the adjustment

噴氨優(yōu)化調(diào)整后，A、B側(cè)脫硝反應(yīng)器出口NH3逃逸體積濃度平均值分別為0.97μL/L、0.96μL/L。

經(jīng)過噴氨優(yōu)化調(diào)整，脫硝系統(tǒng)內(nèi)氨氮摩爾比匹配狀況有效改善，脫硝出口NH3逃逸體積濃度降低，局部氨逃逸過高現(xiàn)象消失。

3.2 分區(qū)控制式AIG試驗結(jié)果

3.2.1 優(yōu)化調(diào)整前后噴氨閥門開度

500MW負(fù)荷下，采用分區(qū)控制式AIG，調(diào)整手動蝶閥將SCR出口橫截面NOx濃度縱向分布調(diào)勻后，電動調(diào)節(jié)閥門由系統(tǒng)自行調(diào)整。噴氨優(yōu)化調(diào)整前所有噴氨手動蝶閥開度均為80%，噴氨優(yōu)化調(diào)整后，噴氨手動蝶閥開度如表2所示。

表2 分區(qū)控制式AIG噴氨優(yōu)化調(diào)整后噴氨手動蝶閥開度Tab.2 Opening degrees of the manual butterfly valve for ammonia injection after the optimization and adjustment of the partition control type of AIG ammonia injection

3.2.2 優(yōu)化調(diào)整前后NOx質(zhì)量濃度分布

500MW負(fù)荷下，采用分區(qū)控制式AIG，噴氨優(yōu)化調(diào)整前后，NOx質(zhì)量濃度分布如圖6所示。

從圖6可知，采用分區(qū)控制式AIG，噴氨優(yōu)化調(diào)整前，A側(cè)脫硝反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度8.4mg/m3～81.8mg/m3，分布不均勻度為36.2%。B側(cè)脫硝反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度7.8mg/m3～71.9mg/m3，分布不均勻度為45.4%。A、B兩側(cè)脫硝反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度分布不均。

圖6 分區(qū)控制式AIG噴氨優(yōu)化調(diào)整前后脫硝出口NOx質(zhì)量濃度分布圖Fig.6 Distribution diagram of NOx mass concentration at outlet of denitrification system under partition controlled AIG before and after the adjustment

噴氨優(yōu)化調(diào)整后，A側(cè)脫硝反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度30.6mg/m3～47.6mg/m3，分布不均勻度為13.2%；B側(cè)脫硝反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度范圍21.7mg/m3～46.9mg/m3，分布不均勻度為18.8%。

經(jīng)噴氨優(yōu)化調(diào)整后，脫硝反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度分布在寬度和深度方向均得到有效改善。

3.2.3 優(yōu)化調(diào)整前后氨逃逸體積濃度分布

500MW負(fù)荷下，采用分區(qū)控制式AIG，噴氨優(yōu)化調(diào)整前后，氨逃逸體積濃度分布如圖7所示。

圖7 分區(qū)控制式AIG噴氨優(yōu)化調(diào)整前后脫硝出口氨逃逸體積濃度分布圖Fig.7 Distribution diagram of NH3 escape volume concentration at outlet of denitrification system under partition-controlled AIG before and after the adjustment

500MW負(fù)荷下，采用分區(qū)控制式AIG，噴氨優(yōu)化調(diào)整前，A、B側(cè)脫硝反應(yīng)器出口NH3逃逸體積濃度平均值分別為0.78μL/L、1.91μL/L。

噴氨優(yōu)化調(diào)整后，A、B側(cè)脫硝反應(yīng)器出口NH3逃逸體積濃度平均值0.57μL/L、0.79μL/L。

與渦流靜態(tài)混合式AIG相比，對分區(qū)控制式噴氨優(yōu)化調(diào)整后，脫硝系統(tǒng)內(nèi)氨氮摩爾比更加合理，使得脫硝出口NH3逃逸體積濃度更低。

4 結(jié)論

(1)500MW負(fù)荷下，采用渦流靜態(tài)混合式AIG，經(jīng)過噴氨優(yōu)化調(diào)整，A、B兩側(cè)脫硝反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度分布不均勻度分別由72.8%、90.3%下降至39.3%、40.2%；A、B兩側(cè)脫硝反應(yīng)器出口NH3逃逸濃度平均值分別由2.39μL/L、2.97μL/L下降至0.97μL/L、0.96μL/L。

(2)500MW負(fù)荷下，采用分區(qū)控制式AIG，經(jīng)過噴氨優(yōu)化調(diào)整，A、B兩側(cè)脫硝反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度分布不均勻度分別由36.2%、45.4%下降至13.2%、18.8%；A、B兩側(cè)脫硝反應(yīng)器出口NH3逃逸濃度平均值分別由0.78μL/L、1.05μL/L下降至0.57μL/L、0.68μL/L。

(3)渦流靜態(tài)混合式AIG，NOx質(zhì)量濃度深度方向上不均問題無法調(diào)整，限制了NOx質(zhì)量濃度分布的進一步降低。分區(qū)控制式AIG，經(jīng)噴氨優(yōu)化調(diào)整后，脫硝反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度分布在寬度和深度方向均得到有效改善，脫硝系統(tǒng)內(nèi)氨氮摩爾比更加合理，脫硝出口NOx質(zhì)量濃度分布更加均勻，NH3逃逸體積濃度更低。分區(qū)控制式AIG效果優(yōu)于渦流靜態(tài)混合式AIG。