馮寶宇，馬勇，唐海鋒，王俊洋，孫佰泉，張崢嶸

（1.黃河大通發(fā)電有限責(zé)任公司，青海 西寧 810000；2.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)西北電力試驗(yàn)研究院有限公司，陜西 西安 710054；3.西安格瑞電力有限公司，陜西 西安 710043)

關(guān)健詞：脫硝；噴氨優(yōu)化；阻力優(yōu)化

為了響應(yīng)我國(guó)日益嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)電站鍋爐實(shí)行超低排放改造越發(fā)重要，但為了降低NOx 濃度，往往需要增加脫硝催化劑的投加量，影響煙氣酸露點(diǎn)，造成空預(yù)器冷端出現(xiàn)低溫腐蝕。同時(shí)，過(guò)量投加NH3導(dǎo)致氨氮摩爾比過(guò)量，未反應(yīng)的NH3與水蒸氣和二氧化硫發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成易與飛灰黏附的熔融狀化合物硫酸氫銨，隨后附著在空預(yù)器上。

目前解決空預(yù)器堵灰的思路主要有2 個(gè)：（1）提高清除酸液（硫酸和硫酸氫銨）的速度；（2）提高噴氨格柵后氨氣與煙氣的混合的均勻性。因此，首先要建立局部高溫和局部高流速區(qū)域達(dá)到實(shí)時(shí)清除酸液的目的，另外，為了確保反應(yīng)器內(nèi)煙氣速度場(chǎng)和NH3/NOx 反應(yīng)物濃度場(chǎng)的均勻分布，應(yīng)對(duì)噴氨格柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)改造。上述方法可以在保證脫硝效率的同時(shí)降低氨逃逸量，減少空預(yù)器積灰。

為了使每支噴氨分支管的流量和同一噴氨分支管上不同噴嘴的噴氨量保持均勻一致，需要對(duì)噴氨母管及噴氨格柵的每個(gè)分支管管徑進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，以保持煙道內(nèi)不同區(qū)域的氨氣濃度分布均勻。配合對(duì)煙道流場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化后，NH3/NOx 反應(yīng)物濃度場(chǎng)可實(shí)現(xiàn)均勻分布的目的。某公司進(jìn)行了脫硝噴氨及阻力優(yōu)化后，提高了煙氣流速分布均勻性的同時(shí)減少了噴氨量，保證了脫硝效率的同時(shí)對(duì)解決空氣預(yù)熱器堵塞問(wèn)題具有明顯效果。

1 機(jī)組概況

某公司2×300MW 亞臨界機(jī)組鍋爐，機(jī)組滿負(fù)荷工況下的NOx 排放濃度約480 ～550mg/m3（標(biāo)態(tài)，6%O2，5%NO2）。鍋爐燃用煙煤。

NH3可與NOx 進(jìn)行選擇性的反應(yīng)，其反應(yīng)如下示意：

通過(guò)使用合適的催化劑，上述反應(yīng)可以在300 ～420℃的范圍內(nèi)有效進(jìn)行，公司催化劑的主要成分為二氧化鈦（TiO2）。在NH3/NOx 為0.72（摩爾比）的條件下，可以得到70%以上的脫硝率。在反應(yīng)過(guò)程中，NH3有選擇性地和NOx 反應(yīng)生成N2和H2O，而不是被O2所氧化。

脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 SCR 設(shè)計(jì)參數(shù)

2 脫硝系統(tǒng)優(yōu)化方案

2.1 噴氨格柵上游煙氣預(yù)混合器

優(yōu)化前，滿負(fù)荷SCR 系統(tǒng)的煙氣速度水平方向的煙氣流速有很大差異，十分不均勻。同時(shí)，噴氨格柵截面的煙氣速度分布也不均勻。入口煙道垂直段垂直截面的外側(cè)也存在一個(gè)范圍很大的低速區(qū)，催化劑入口截面可觀察到若干明顯的高速和低速區(qū)域。

優(yōu)化后，SCR 系統(tǒng)的煙氣速度分布數(shù)值模擬如圖1所示?？擅黠@觀察到省煤器出口水平截面和入口煙道垂直段的低速渦流區(qū)已經(jīng)消失。同時(shí)，噴氨格柵截面和催化劑入口截面的煙氣流場(chǎng)變得明顯均勻。由于對(duì)SCR 內(nèi)的導(dǎo)流原件進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，因此改變了進(jìn)入第一層催化劑入口截面的煙氣分布情況，使其流速更加均勻且流動(dòng)方向幾乎垂直于催化劑。

圖1 SCR 系統(tǒng)優(yōu)化后煙氣速度分布

圖2 優(yōu)化后的噴氨格柵布置

2.2 噴氨格柵優(yōu)化改造

為了達(dá)到較好的混氨效果，噴氨格柵的噴嘴需要采用數(shù)量較多并且口徑較小的形式，但小口徑的噴嘴容易被煙氣中的硫酸氫銨、粉塵和尿素結(jié)晶等物質(zhì)堵塞，導(dǎo)致氨氮分布不均勻等問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，調(diào)節(jié)了噴氨格柵中噴嘴的角度，實(shí)現(xiàn)了全靜壓等速優(yōu)化，并且對(duì)防堵裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置，降低了噴嘴被堵塞的概率。優(yōu)化后的噴氨格柵可確保噴嘴流速均勻，防止噴嘴堵塞，進(jìn)一步增加了脫硝裝置的運(yùn)行效率。

具體來(lái)說(shuō)，全靜壓等速優(yōu)化是指在噴氨格柵中設(shè)置合適的靜壓室，使得氨氣在進(jìn)入噴嘴前達(dá)到等速狀態(tài)，從而保證各噴嘴流速均勻。此外，對(duì)噴嘴角度及防堵裝置進(jìn)行合理設(shè)置，可以避免噴嘴堵塞的問(wèn)題。通過(guò)這些措施，可以提高噴氨格柵的脫硝效率，達(dá)到更好的混氨效果。

2.3 加裝氨-煙混態(tài)擾流發(fā)生器

本項(xiàng)目創(chuàng)新性的提出在噴氨格柵后裝配氨-煙混態(tài)擾流發(fā)生器而不是目前常用的噴氨格柵前加裝導(dǎo)流板來(lái)降低煙氣速度偏差。原因是目前常用的加裝導(dǎo)流板方式要求催化劑和噴氨格柵間的距離夠遠(yuǎn)，但經(jīng)過(guò)脫硝改造后的系統(tǒng)往往煙道不夠長(zhǎng)，難以滿足混態(tài)條件。通過(guò)合理改變氨-煙混態(tài)擾流發(fā)生器的形狀和位置可以改變煙氣的湍流強(qiáng)度效果，實(shí)現(xiàn)改善SCR 反應(yīng)器入口的NH3/NOx 分布均勻性的目的。圖3 展示了裝配氨-煙混態(tài)擾流發(fā)生器后煙道截面速度分布，可以明顯觀察到速度分布更均勻。

圖3 氨-煙混態(tài)擾流器上部煙道截面速度分布

3 脫硝系統(tǒng)改造后性能實(shí)驗(yàn)

該公司實(shí)施燃煤機(jī)組脫硝噴氨優(yōu)化改造后，在280MW 工況下，對(duì)脫硝進(jìn)出口NOx 濃度和入口速度進(jìn)行測(cè)定，同時(shí)監(jiān)測(cè)出口氨逃逸量。

3.1 脫硝入口速度場(chǎng)分布

脫硝入口速度場(chǎng)分布相對(duì)均勻，圖4 為機(jī)組SCR 入口速度場(chǎng)分布。在A 側(cè)，煙氣平均流速為12.7m/s，各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差CV 值為6.8%。在B 側(cè)，煙氣平均流速為12.4m/s，各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差CV 值為8.1%。

圖4 機(jī)組SCR 入口速度場(chǎng)分布

3.2 脫硝入口NOx 濃度分布

脫硝入口NOx 濃度場(chǎng)分布相對(duì)均勻。這些數(shù)據(jù)可以在圖5 中查看。脫硝入口NOx 濃度分布。在SCR 入口煙道A 側(cè)，NOx 濃度平均值為227.7mg/Nm3，各測(cè)點(diǎn)NOx濃度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差CV 值為5.0%。在B 側(cè)，NOx 濃度平均值為226.6mg/Nm3，各測(cè)點(diǎn)NOx 濃度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差CV值為3.9%。

圖5 機(jī)組SCR 入口NOx 濃度分布

3.3 脫硝出口NOx 濃度分布

根據(jù)圖6，可以看出，SCR 出口的A、B 兩側(cè)，NOx均勻性變好。在SCR 出口煙道A 側(cè)，NOx 濃度平均值為46.5mg/Nm3，各測(cè)點(diǎn)NOx 濃度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差CV 值為11.3%。而在B 側(cè)，NOx 濃度平均值為48.5mg/Nm3，各測(cè)點(diǎn)NOx 濃度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差CV 值為8.0%。

圖6 機(jī)組SCR 出口NOx 濃度分布

3.4 噴氨量變化

對(duì)改造前后脫硝系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在280MW下，改造后噴氨量從130kg/h下降到102.75kg/h，降幅達(dá)到20.96%。改造后大幅下降的噴氨量說(shuō)明上述措施可以大量減少硫酸氫銨生成，進(jìn)而有益于緩解機(jī)組空預(yù)器堵塞的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了改造的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)某公司的300MW 機(jī)組進(jìn)行了脫硝噴氨改造，通過(guò)數(shù)值模擬軟件模擬了噴氨格柵改造和加裝氨-煙混態(tài)擾流器對(duì)鍋爐機(jī)組不同位置煙道煙氣流速分布，并實(shí)地測(cè)量了改造前后脫硝系統(tǒng)進(jìn)出口NOx 的濃度分布和入口煙氣流速分布，同時(shí)比較了改造前后的噴氨量表明改造效果良好，提高了煙氣流速分布均勻性的同時(shí)減少了噴氨量，保證了脫硝效率的同時(shí)對(duì)解決空氣預(yù)熱器堵塞問(wèn)題具有明顯效果。具體結(jié)論如下。

公司原有鍋爐機(jī)組的脫硝系統(tǒng)內(nèi)煙氣流場(chǎng)分布不均的問(wèn)題通過(guò)對(duì)噴氨格柵和噴嘴進(jìn)行合理設(shè)置后，進(jìn)出口NOx 濃度分布和入口煙氣流速分布的均勻性明顯增加。裝配的氨-煙混合器在氨煙通過(guò)噴氨格柵后進(jìn)一步增強(qiáng)了混合的均勻性。

改造后，在280MW 負(fù)荷條件下，噴氨量降低了20.96%，且脫硝系統(tǒng)阻力增加不大，滿足設(shè)計(jì)要求，改造效果較好。