韓 軍 唐吉安 顧沛淵 范辰浩 姜偉華

上海電力股份有限公司吳涇熱電廠

0 概述

燃煤鍋爐燃燒過(guò)程中所生成的主要氮氧化物是NO和NO2，將這兩種氮氧化物通稱(chēng)NOx，一般NO占90%以上，NO2占5%～10%左右。選擇性催化還原法（Selective Catalytic Reduction，SCR）脫硝技術(shù)成熟，脫硝效率高，裝置簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，占地面積小，便于維護(hù)，是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的煙氣脫硝技術(shù)[1]，其原理是在煙氣中加入還原劑（最常用的是氨和尿素），在一定溫度下，還原劑與煙氣中的NOx反應(yīng)，生成氮?dú)夂退?/p>

目前，國(guó)家政策要求[2]具備改造條件的燃煤電廠應(yīng)實(shí)現(xiàn)超低排放，包括在基準(zhǔn)氧含量6%條件下，NOx排放濃度不高于50 mg/Nm3。部分地區(qū)燃煤電站的NOx排放濃度控制在30 mg/Nm3以下。為實(shí)現(xiàn)更高的脫硝效率，必須增加耗氨量，然而煙氣和氨的不均勻分布會(huì)增加反應(yīng)器出口的氨逃逸率[3-7]。有文獻(xiàn)介紹通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等方法，提出多種方法提高脫硝入口反應(yīng)物混合的均勻性，包括增加煙氣導(dǎo)流板[8-10]，動(dòng)態(tài)混合器[11]等。上述方法著重?zé)煔鈧?cè)的改造，技術(shù)方案粗獷、工程量大。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)完成鍋爐脫硝系統(tǒng)的性能診斷，得到噴氨格柵位置處各細(xì)分區(qū)域氨氮摩爾比分布，尋找到噴氨系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷。通過(guò)改變細(xì)分區(qū)域的噴氨格柵阻力，主動(dòng)適應(yīng)煙氣流速變化，實(shí)現(xiàn)非均勻精準(zhǔn)噴氨，提高脫硝入口反應(yīng)物混合均勻程度。

1 設(shè)備概況

本文的研究對(duì)象為300 MW亞臨界π型鍋爐、控制循環(huán)、四角切向燃燒、一次中間再熱、單爐膛平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、露天布置、全鋼結(jié)構(gòu)的汽包爐。燃煤機(jī)組脫硝改造受限于物理空間，脫硝入口煙道存在截面明顯突擴(kuò)和多處90°拐角。以A側(cè)尾部煙道為例（見(jiàn)圖1），省煤器出口水平煙道內(nèi)布置棋盤(pán)式噴氨格柵（見(jiàn)圖2），下游煙道經(jīng)突擴(kuò)后布置脫硝反應(yīng)器。省煤器出口至脫硝出口存在4處90°煙道拐角。脫硝出口NOx運(yùn)行表計(jì)布置在偏煙道外側(cè)。

圖1 鍋爐尾部煙道

2 運(yùn)行現(xiàn)狀

根據(jù)環(huán)保排放要求，鍋爐煙囪排放口的NOx小時(shí)平均值不得超過(guò)50 mg/Nm3。噴氨格柵優(yōu)化前，運(yùn)行工況變化時(shí)，鍋爐入口NOx發(fā)生波動(dòng)，脫硝出口運(yùn)行表的NOx隨之大幅波動(dòng)（見(jiàn)圖3），瞬時(shí)最小值為0 mg/Nm3，瞬時(shí)最大值可達(dá)到100 mg/Nm3，不利于脫硝系統(tǒng)的自動(dòng)投運(yùn)，增加運(yùn)行人員操作工作量。

圖3 變工況下脫硝出口NOx大幅波動(dòng)

SCR出口煙道試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)位于第三層催化劑下游，均勻布置8個(gè)測(cè)試孔，從煙道外側(cè)至中間側(cè)分別為A1···A8。在230 MW和150 MW兩個(gè)負(fù)荷下，完成脫硝出口NOx濃度場(chǎng)試驗(yàn)，以A側(cè)煙道為例，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 SCR出口NOx實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

在150 MW負(fù)荷下，A1和A2測(cè)點(diǎn)的NOx數(shù)值分別為94.6 mg/Nm3和68.5 mg/Nm3，而A7和A8數(shù)值為0。230 MW負(fù)荷下，A1-A6測(cè)點(diǎn)的數(shù)值相對(duì)接近，但A7和A8數(shù)值僅為個(gè)位數(shù)。150 MW和230 MW負(fù)荷下脫硝出口NOx相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為93.0%和55.5%，說(shuō)明脫硝出口NOx濃度分布存在很不均勻的狀況。

此時(shí)，A側(cè)的9個(gè)噴氨支管手動(dòng)截止閥開(kāi)度見(jiàn)表2，其中螺桿有效長(zhǎng)度全關(guān)時(shí)為0 mm、全開(kāi)時(shí)為75 mm。

由表2可見(jiàn)，A1-A3噴氨支管的閥門(mén)幾乎處于全關(guān)狀態(tài)，這是導(dǎo)致脫硝系統(tǒng)對(duì)應(yīng)出口區(qū)域NOx濃度偏高的直接原因。

采用傳統(tǒng)噴氨調(diào)平方法[12,13]，即增加對(duì)應(yīng)A1-A3手動(dòng)截止閥門(mén)開(kāi)度，脫硝出口A2-A5測(cè)點(diǎn)位置的NOx表計(jì)值為0；同時(shí)脫硝出口NOx運(yùn)行表計(jì)（位于測(cè)點(diǎn)A3和A4間）的數(shù)值也降為0，完全失去代表性，導(dǎo)致脫硝系統(tǒng)無(wú)法自動(dòng)運(yùn)行，被迫恢復(fù)手動(dòng)截止閥門(mén)為初始開(kāi)度。因此，依靠調(diào)節(jié)噴氨支管截止閥開(kāi)度無(wú)法實(shí)現(xiàn)噴氨調(diào)平。

3 原因分析

3.1 氨/空氣混合器位置不合理

勘查脫硝噴氨系統(tǒng)設(shè)備發(fā)現(xiàn)，噴氨系統(tǒng)的氨/空氣混合器距離第一根噴氨支管較近（見(jiàn)圖4），直接導(dǎo)致氨和空氣尚未混合均勻已進(jìn)入噴氨支管。

圖4 噴氨母管現(xiàn)場(chǎng)圖

3.2 截止閥流量特性差

機(jī)組停機(jī)期間稀釋風(fēng)機(jī)運(yùn)行，隨機(jī)選取2個(gè)截止閥，調(diào)節(jié)不同開(kāi)度，測(cè)量對(duì)應(yīng)噴氨格柵的空氣流速，得到截止閥的流量特性曲線，見(jiàn)圖5。

圖5 截止閥流量特性

由圖5可見(jiàn)，閥門(mén)螺桿長(zhǎng)度由0 mm開(kāi)至3 mm，實(shí)測(cè)流量已經(jīng)達(dá)到最大流量的60%；開(kāi)至7 mm，流量達(dá)到最大流量的80%；開(kāi)至14 mm，實(shí)測(cè)流量達(dá)到最大流量的90%以上。

很多家長(zhǎng)看見(jiàn)孩子一慢，就會(huì)不停地嘮叨、催促，表達(dá)不滿(mǎn)和抱怨，甚至打罵。其實(shí)越是經(jīng)常被催促的孩子，越容易做不完事情。因?yàn)楹⒆拥男睦镆恢倍荚诜磸?fù)回蕩著媽媽的催促聲，占用了思考問(wèn)題的時(shí)間，不僅手忙腳亂，還會(huì)造成很多不必要的失誤。

閥門(mén)開(kāi)度的微小變化導(dǎo)致介質(zhì)流量的大幅變化，同時(shí)氨/空氣混合器位置不合理導(dǎo)致濃度差異大，使傳統(tǒng)噴氨調(diào)平方法難以實(shí)現(xiàn)超低排放條件下的NOx精準(zhǔn)控制。

3.3 反應(yīng)物混合不均

機(jī)組停機(jī)期間，測(cè)試鍋爐冷態(tài)通風(fēng)量1 267 t/h和996 t/h下脫硝系統(tǒng)噴氨格柵處的煙氣流速分布，磨煤機(jī)運(yùn)行方式以及各二次風(fēng)門(mén)開(kāi)度與鍋爐熱態(tài)運(yùn)行工況（230 MW和150 MW）一致。引入煙氣相對(duì)流速無(wú)量綱變量，即分區(qū)域煙氣速度與截面平均速度之比。單側(cè)煙道測(cè)點(diǎn)布置數(shù)量與噴氨格柵分區(qū)相對(duì)應(yīng)，寬度方向9個(gè)點(diǎn)、高度方向6個(gè)點(diǎn)，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3和表4。

表3 煙氣相對(duì)流速分布（1 267 t/h）風(fēng)量

表4 煙氣相對(duì)流速分布（996 t/h）風(fēng)量

由表3和表4可見(jiàn)，1 267 t/h工況下，最高煙氣相對(duì)流速為1.30，最低煙氣相對(duì)流速為0.74，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為15.1%；996 t/h工況下，最高煙氣相對(duì)流速為1.31，最低煙氣相對(duì)流速為0.68，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為14.6%；煙氣流速存在不均勻分布。

匯總兩個(gè)風(fēng)量下煙道寬度方向和高度方向的煙氣相對(duì)流速平均值，分布曲線見(jiàn)圖6。

圖6 噴氨格柵處煙道的煙氣相對(duì)流速分布

由圖6可知，高低兩檔風(fēng)量下，不論從寬度方向還是高度方向看，證實(shí)不同負(fù)荷下噴氨格柵位置處的煙氣流速分布規(guī)律都相對(duì)一致。寬度方向上，煙道A1位置處的煙氣相對(duì)流速較高，達(dá)到平均流速的1.1～1.15倍，這是由于脫硝反應(yīng)器煙道向外側(cè)突擴(kuò)造成。其他區(qū)域的煙氣相對(duì)流速基本一致；僅在A8位置處存在較低值為0.9～0.95。高度方向上，煙氣流速明顯成M形分布，即高度方向上煙氣流速存在兩處極大值，上標(biāo)高、中部、下標(biāo)高煙氣流速較低。極大值對(duì)應(yīng)煙氣相對(duì)流速能達(dá)到平均流速的1.2倍，極小值僅為煙氣流速平均值的0.85倍。

為了方便分析煙道截面處的氨氮摩爾比分布情況，對(duì)應(yīng)煙氣流速分布，將噴氨格柵分成54個(gè)區(qū)域。機(jī)組停機(jī)狀態(tài)下開(kāi)啟稀釋風(fēng)機(jī)，噴氨支路手動(dòng)截止閥全開(kāi)，測(cè)量各分區(qū)域的氨/空氣流速，可以得到氨/空氣相對(duì)流速分布。設(shè)：脫硝進(jìn)口NOx濃度無(wú)偏差[12]，煙道分區(qū)的氨/空氣相對(duì)流速與煙氣相對(duì)流速的比值可表征各區(qū)域的氨氮摩爾比，其中煙氣相對(duì)流速分布取兩檔風(fēng)量工況的平均值。最終，可得到噴氨格柵處煙道的氨氮摩爾比分布，見(jiàn)圖7。

圖7 噴氨格柵處煙道的氨氮摩爾比分布

由圖7可知，整個(gè)寬度方向上，標(biāo)高2和3區(qū)域的氨氮摩爾比基本在0.8左右，嚴(yán)重偏低。這是機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行后，噴氨格柵基材發(fā)生嚴(yán)重銹蝕，剝落的銹蝕殘?jiān)氯駯诺撞繃娮?，?dǎo)致在煙氣流速較高區(qū)域無(wú)法匹配等量的氨/空氣。而A7-A9測(cè)點(diǎn)的標(biāo)高4和5區(qū)域的氨氮摩爾比大于1.2；一方面是該區(qū)域煙氣溫度較低，另一方面則是其他噴嘴不同程度的堵塞導(dǎo)致該區(qū)域氨/空氣流量較高。整個(gè)煙道截面處的氨氮摩爾比分布存在較大偏差，氨氮摩爾比最大值為1.38、最小值為0.74，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差達(dá)到15.9%，反應(yīng)物的混合明顯不均勻。

4 精細(xì)化調(diào)整

針對(duì)噴氨系統(tǒng)存在的結(jié)構(gòu)缺陷，進(jìn)行以下精細(xì)化調(diào)整：

1）將氨/空氣混合器向上游移位，增加混合段管程的同時(shí)經(jīng)過(guò)3個(gè)90°彎管，確保進(jìn)入第一根噴氨支管時(shí)，氨/空氣混合均勻；

2）徹底清除噴氨格柵的噴嘴銹蝕碎渣，保證噴氨格柵整個(gè)管路通暢；

3）選擇性地更換不同尺寸的噴嘴，增大或減小對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)噴嘴的氨/空氣流量，實(shí)現(xiàn)截止閥全開(kāi)條件下分區(qū)域的氨流量與煙氣流量合理匹配，避免截止閥流量特性差和難以調(diào)節(jié)的問(wèn)題，從源頭上保證反應(yīng)物混合均勻。

噴氨系統(tǒng)精細(xì)化調(diào)整后，穩(wěn)定工況150 MW和230 MW負(fù)荷下測(cè)試A側(cè)脫硝出口NOx濃度，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 SCR出口NOx實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

由表5可見(jiàn)：150 MW和230 MW負(fù)荷下，各測(cè)點(diǎn)位置脫硝出口NOx濃度基本接近，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為13.5%和17.4%；與噴氨系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化前相比分別下降79.5%和38.1%，脫硝入口反應(yīng)物混合均勻程度明顯提高。

5 總結(jié)

1）噴氨系統(tǒng)的氨/空氣混合器位置不合理導(dǎo)致各噴氨支管氨/空氣濃度差異大，同時(shí)，噴氨支管因截止閥流量特性差的因素，使傳統(tǒng)噴氨調(diào)平方法難以實(shí)現(xiàn)超低排放要求的NOx精準(zhǔn)控制。

2）燃煤機(jī)組脫硝改造受限于物理空間，脫硝入口煙道存在明顯突擴(kuò)和多處90°拐角，導(dǎo)致噴氨格柵處煙道截面煙氣流速分布存在明顯偏差。

3）機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行，噴氨格柵基材會(huì)發(fā)生嚴(yán)重銹蝕，剝落的銹蝕殘?jiān)氯駯诺撞繃娮?，造成噴氨格柵流量分配存在明顯偏差。

4）根據(jù)噴氨格柵處煙氣流速分布情況，選擇性地更換噴氨格柵噴嘴，可實(shí)現(xiàn)噴氨支管截止閥全開(kāi)條件下，脫硝出口煙道截面NOx分布相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差降至20%以?xún)?nèi)；避免出現(xiàn)因截止閥流量特性差和難以調(diào)節(jié)的問(wèn)題。