350 MW燃煤機組SCR脫硝系統流場分布試驗及性能優化調整

劉 剛，徐 龑，黃中柏，羅俊俊

（1.國網湖北省電力公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077；2.湖北方源東力電力科學研究有限公司，湖北 武漢 430077）

0 引言

隨著國家對大氣污染物排放控制要求的提高，新的《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223-2011)于2012年1月1日正式實施。新排放標準對煙塵、二氧化硫、氮氧化排放控制要求都有了很大的提高，新標準中規定新建火力發電廠煙塵顆粒物≤20 mg/m3，SO2≤100 mg/m3，NOx≤100 mg/m3。2014年9月，國家發改委、環保部、國家能源局聯合印發《煤電節能減排升級與改造行動計劃》。《計劃》要求新建機組應同步建設先進高效脫硫、脫硝和除塵設施，東部地區新建機組基本達到燃機排放限值，中部地區原則上接近或達到燃機排放限值，鼓勵西部地區接近或達到燃機排放限值。同時，穩步推進東部地區現役燃煤發電機組實施大氣污染物排放濃度基本達到燃機排放限值的環保改造（即在基準氧含量6%條件下，煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不高于10、35、50 mg/m3）。國內燃煤發電鍋爐近幾年廣泛開展超凈排放改造，以滿足日益嚴格的環保排放要求。

超凈排放改造后，部分已投運的鍋爐出現了SCR脫硝系統噴氨流量分配不均、氨逃逸偏高、空預器硫酸氫銨堵塞等影響機組安全運行的問題。本文通過某350 MW燃煤機組熱態工況下的脫硝系統流場分布試驗及性能優化調整，以提高脫硝入口NH3/NOx摩爾比反應均勻性，降低氨逃逸，從而提高脫硝裝置運行可靠性和經濟性，并緩解逃逸氨對后續空預器的不利影響。

1 設備概況

鍋爐為哈爾濱鍋爐廠有限責任公司自主開發、設計、制造的HG-1136/25.4-YM1型超臨界鍋爐，螺旋管圈、前后墻對沖旋流燃燒器、一次中間再熱、單爐膛平衡通風、固態排渣、全鋼構架的本生直流爐。脫硝裝置采用選擇性催化還原法（SCR）脫硝技術,還原劑為液氨。每臺機組裝設2臺脫硝反應器，布置在省煤器之后、空預器之前的空間內（爐后）。脫硝反應器采用蜂窩式催化劑，2層運行1層備用，每個反應器每層布置模塊數為5×9塊。每個反應器的入口煙道均布置有一組噴氨柵格，每組噴氨柵格由40根噴管組成（其中20個長噴管、20個短噴管），噴管規格Φ60×4。每根噴管上裝有8個噴嘴，左右各4個，成90°夾角，噴嘴規格Φ38×5。

為了保證反應器上部煙氣能夠均勻地通過催化劑，以保證脫硝效率和氨逃逸率，在催化劑上部設有導流板及整流裝置。脫硝裝置入口采用垂直長煙道布置，噴氨柵格布置在入口垂直煙道內。

SCR脫硝系統的主要設計參數如表1所示。2016年機組大修期間，鍋爐脫硝系統加裝了備用層催化劑以滿足超凈排放的環保要求。

表1 脫硝系統設計參數Tab.1 Design value of SCR denitrification system

2 脫硝系統流場分布試驗

脫硝系統性能優化調整之前，先進行流場分布試驗以了解脫硝反應器進出口主要參數分布情況，試驗選取在額定負荷350 MW工況下進行。在每側脫硝反應器的進、出口布置均等分布10個測孔，試驗期間每個測孔取3個測點，采用等截面網格法（10×3）測量反應器進出口截面的煙氣速度和煙氣組分（主要是NOx及O2）流場分布情況。流場分布不均勻度Vk由下列公式定義，

式中：Vk為流場參數分布場的不均勻度（%）；σ為流場參數分布場的標準差；xˉ為流場參數分布場的平均值；i=1,2,3,...,n為網格法測量的試驗測點編號。

SCR反應器出口NOx場分布不均勻度Vk可以用來反映SCR反應器內NH3/NOx摩爾比反應的均勻性，減小NOx場Vk值有利于降低氨逃逸，優化調整的目標是將脫硝反應器出口NOx場分布不均勻度Vk降低到20%以下。

2.1 速度場分布

SCR反應器入口煙氣流速分布見圖1，A側煙氣流速均值為19.81 m/s，A側最低煙氣流速為12.60 m/s（第1孔最深點），A側最高煙氣流速為24.75 m/s（第10孔最深點），A側流速分布場不均勻度為17.1%，A側煙氣流速分布呈固定端向擴建端逐漸升高趨勢；B側煙氣流速均值為20.27 m/s，B側最低煙氣流速為16.60 m/s（第10孔最深點），B側最高煙氣流速為25.91 m/s（第2孔最深點），B側流速分布場不均勻度為12.3%，B側煙氣流速分布呈固定端向擴建端逐漸降低趨勢。從整臺鍋爐SCR反應器入口煙道觀察，A、B側煙氣流速場的分布規律呈內側高，外側低的特點。

A側噴氨格柵入口煙速的不均勻系數略高于15%的設計要求[1]。這主要是受現場煙道安裝條件限制，噴氨格柵前的煙道轉向致使氣流分布不均，導致產生較大的煙速不均勻性。因此，在設計SCR脫硝系統時，需利用CFD軟件對煙氣速度場進行模擬，以確定噴氨格柵后導流葉片的類型、數量和位置，使SCR脫硝系統入口煙氣流速均勻，從而為脫硝系統高效運行提供基礎[2]。

SCR反應器出口煙氣流速分布見圖2，A側出口煙氣流速均值為9.90 m/s，A側流速分布場不均勻度為11.3%；B側出口煙氣流速均值為9.53 m/s，B側流速分布場不均勻度為9.8%。經過SCR反應器后，兩側煙氣流速不均勻度均有所改善。

圖1 SCR反應器入口煙氣流速分布場Fig.1 Distribution field of gas flow velocity at the inlet of SCR reactor

圖2 SCR反應器出口煙氣流速分布場Fig.2 Distribution field of gas flow velocity at the outlet of SCR reactor

2.2 煙氣NOx場分布

煙氣NOx場分布試驗在350 MW額定負荷進行，試驗期間根據運行習慣設定SCR反應器出口NOx濃度為25 mg/m3，同步測量反應器進口和出口截面的O2、NOx濃度分布和出口氨逃逸濃度。優化調整前A、B側SCR反應器出口煙氣NOx的濃度（折算到標準狀態、干基、6%O2工況）分布場見圖3。A側SCR反應器出口煙氣NOx濃度均值為26.79 mg/m3，最高值為49.5 mg/m3（第9孔最淺點），最低值為15.80 mg/m3（第1孔中間點），不均勻度為32.0%；B側SCR反應器出口煙氣NOx濃度均值為23.99 mg/m3，最高值為52.8 mg/m3（第1孔中間點），最低值為9.5 mg/m3（第9孔最深點），不均勻度為46.7%。

NOx濃度場分布與速度場相似，分布規律呈內側高、外側低的特點。

圖3 SCR反應器出口NOx濃度分布場（調整前）Fig.3 NOxconcentration distribution field at the outlet of SCR reactor(before adjustment)

3 性能優化調整試驗

在了解SCR反應器進出口主要參數流場分布規律的基礎上，通過實時測量SCR反應器出口煙氣氨逃逸濃度分布情況，從而針對性的對噴氨格柵各支管手動調節閥進行粗調整；然后再測量SCR反應器出口NOx濃度分布場，對偏差過大的區域再進行細調整。通過性能優化調整試驗優化調整煙道流場的氨氮摩爾比，將SCR反應器出口NOx分布場不均勻度降低到20%以下，達到降低氨逃逸的目的。氨逃逸濃度檢測選取沿煙道截面均等分布5個測孔進行，檢測儀器采用基于可調式二極管激光吸收光譜氣體檢測技術的激光光譜氨逃逸分析儀，其優點在于可以實時在線測量煙氣中的氨濃度。

調整前SCR反應器出口煙氣氨逃逸濃度分布見圖4，A側SCR反應器出口氨逃逸濃度均值為3.90 ppm，最高值為5.9 ppm（第1孔），最低值為2.1 ppm（第5孔）；B側SCR反應器出口氨逃逸濃度均值為4.78 ppm，最高值為7.7 ppm（第5孔），最低值為2.0 ppm（第2孔）。氨逃逸濃度分布與NOx濃度場分布相反，分布規律呈內側低，外側高的特點。針對氨逃逸偏高的區域，適當關小對應區域的噴氨格柵手動調節閥，反之亦然。調整之后，再全面測量SCR反應器出口NOx濃度場，若有區域不均勻度仍偏大，則在進一步調整對應的噴氨調節閥。通過逐步優化調整，兩側SCR反應器出口NOx濃度場不均勻度明顯改善，其中A側從32%降至14%，B側從46.7%降至18.2%，均將不均勻度控制在20%以下。相應的兩側氨逃逸濃度也得到了降低，其中A從3.9 ppm降至2.32 ppm，B側從4.78 ppm降至2.76 ppm，均將氨逃逸濃度降至3 ppm的設計值之內。優化調整前后，SCR反應器出口煙氣氨逃逸濃度分布對比見圖4；調整后SCR反應器出口NOx濃度分布場見圖5。

圖4 SCR反應器出口煙氣氨逃逸濃度分布場Fig.4 The distribution field of ammonia escape concentration atthe outlet of SCR reactor

圖5 SCR反應器出口NOx濃度分布場（調整后）Fig.5 NOxconcentration distribution field at the outlet of SCR reactor(after adjustment)

優化調整試驗前后，脫硝系統主要性能指標對比見表2。經過優化調整試驗，SCR反應器出口NOx濃度不均勻度明顯改善，氨逃逸濃度得以降低，氨耗量也有所下降。

表2 脫硝系統性能指標Tab.2 Performance index of denitrification system

4 結語

流場分布試驗有助于了解SCR反應器區域速度和煙氣成分等運行參數分布情況，可為優化調整試驗提供基礎數據。性能優化調整可改善SCR反應器出口NOx濃度不均勻度，降低氨逃逸濃度，減少氨耗量，從而提高脫硝裝置運行可靠性和經濟性，降低對后續空預器的不利影響。同時，以下結論可為脫硝系統優化調整提供一定的參考。

（1）從鍋爐SCR反應器入口煙道觀察，A、B側煙氣流速場的分布規律呈內側高，外側低的特點。

（2）SCR反應器出口NOx場分布不均勻度可以用來反映脫硝反應器內NH3/NOx摩爾比反應的均勻性，減小NOx場分布不均勻度有利于降低氨逃逸。

（3）采用激光光譜氨逃逸分析儀實時測量脫硝反應器出口煙氣氨逃逸濃度分布情況，從而針對性的對噴氨格柵各支管手動調節閥進行粗調整；然后再測量脫硝反應器出口NOx濃度分布場，對偏差過大的區域再進行細調整，這樣可以提高脫硝優化調整試驗的工作效率。

（References）

[1]張波,張偉,牛國平.300 MW機組鍋爐SCR裝置流場研究[J].熱力發電,2012,41(7):22-24.ZHANG Bo,ZHANG Wei,NIU Guoping.Study on flow field of the SCR equipment for a 300 MW unit boiler[J].Thermal Power Generation,2012,41(7):22-24.

[2]周新剛，林曉，趙晴川，等.某電廠300 MW燃煤機組SCR噴氨優化調整試驗研究[J].電站系統工程，2016,32(2)：43-46.ZHOU Xingang,LIN Xiao,ZHAO Qingchuan,et al.Optimal experiment of selective catalytic reduction in 300 MW coal-fired units.[J].Power System Engi?neering，2016,32(2)：43-46.