1000MW超超臨界機組SCR脫硝氨注射系統優化

蘇 朋

（廣東粵電靖海發電有限公司，廣東揭陽522000）

1000MW超超臨界機組SCR脫硝氨注射系統優化

蘇 朋

（廣東粵電靖海發電有限公司，廣東揭陽522000）

針對某電廠1 000MW機組噴氨不均導致氨逃逸過高并造成空預器硫酸氫氨堵塞的問題，通過冷態數值模擬計算和熱態試驗研究，提出了脫硝氨注射系統優化方案。實際應用結果表明：脫硝系統進出口NOX濃度在相差不大的情況下，新安裝的氨注射系統系統不僅在更低的噴氨量下達到了更高的脫硝效率，而且整個脫硝系統的氨逃逸率顯著降低，不僅具有較高的使用和經濟價值，也有效減輕了空預器等關鍵設備的硫酸氫氨堵塞問題。

鍋爐；氨注射系統；氨逃逸；優化

隨著政府和民眾對于環保要求的持續提高，以及GB13223-2011《火電廠大氣污染物排放標準》規定“NOX排放質量濃度限值為100 mg/m3”，火電廠面臨日益嚴峻的環保壓力，環保“一票否決制”成為各個火力發電廠的一條準繩，誰觸碰了紅線，那么將面臨被摘除“綠牌”的危險[1]。

各個火力發電廠為了有效降低NOX排放，往往選擇粗放的加大脫硝系統噴氨量來控制出口NOX質量濃度，以保證其在限值范圍內。這樣不僅造成了氨資源的大量浪費，也提高了脫硝系統出口氨氣含量，這部分氨氣最終在空預器蓄熱元件內形成硫酸氫氨堵塞通流截面，造成風煙系統阻力增大，輕則影響機組出力，重則威脅機組安全運行。

本文以某電廠1 000WM機組為平臺，通過對脫硝混合器前的氨氣噴射系統進行數值模擬和改造試驗，來探討提高有效噴氨率和降低氨逃逸率的方法。

1 鍋爐及脫硝系統現狀

該電廠1 000 MW機組鍋爐為高效超超臨界變壓直流鍋爐、一次再熱、平衡通風、運轉層以上露天布置、固態排渣、全鋼結構、全懸吊結構∏型鍋爐。

1.1 SCR脫硝工藝原理

SCR脫硝工藝采用選擇性催化還原方法，即在裝有催化劑的反應器里，煙氣與噴入的氨在催化劑的作用下發生還原反應，生成無害的N2和H2O，實現脫除氮氧化合物的目的。

在脫硝反應中，參與反應的化學方程式如下[2]：

其中公式（1）是脫硝主反應（因為NO占煙氣中NOX含量的95%左右）。

NOX的脫除率由如下公式計算：

ηNOX為脫硝效率；NOIN為反應器進口NOX濃度；NOOUT為反應器出口NOX濃度。

還原劑NH3由氨供應系統提供，在位于SCR區域的混合器中與稀釋空氣混合并被稀釋至安全濃度（5%體積濃度以下），然后通過氨注射柵格噴入SCR反應器的入口煙道中。

1.2 脫硝系統說明

氨氣的噴入量需要滿足機組當前運行負荷條件下脫除NOx的需要量。控制系統通過SCR進出口NOX分析儀測量值計算NH3需要量，并將計算結果反饋給氨流量調節閥以控制氨的供給量。

氨注入格柵布置在煙道中，煙道外部的管道設有手動調節閥。在系統投運初期可根據煙道出口NOx檢測濃度分布狀況，調節噴入的氨在煙道截面上的分配量，使噴入的氨與其覆蓋區域的NOx濃度匹配，調節好后固定閥門，以后不再調整[3]。

氨/空氣混合氣體通過氨注射柵格注入到反應器的入口煙道中，與煙氣充分混合后，進入SCR反應器。催化劑的運行溫度范圍為285℃～400℃，當運行溫度高于催化劑的最高溫度限值時，陶瓷材質的蜂窩式催化劑將發生燒結和脆裂；當運行溫度低于催化劑的最低溫度限值時，容易生成硫酸氫銨，生成的硫酸氫銨附著在催化劑表面將堵塞催化劑孔，導致催化劑活性降低，影響脫硝效率。催化劑的最低運行溫度與煙氣中NH3和SO3的濃度有關，兩者濃度越高，催化劑的最低運行溫度限值越高。SCR最低運行溫度必須高于催化劑的最低運行溫度限值，否則停止噴入氨，停運SCR裝置。完成脫硝反應后的凈煙氣進入下級空預器設備。在SCR進口設有NOX分析儀、溫度變送器，在SCR出口設置NOX/O2分析儀、溫度變送器。

脫硝及前后煙示意圖如圖1所示。

圖1 脫硝系統示意圖

1.3 原氨注射系統存在的問題

利用FLUENT軟件對上述脫硝系統進行數值模擬，得到催化劑上表面0.2 m處煙氣速度分布云圖，如圖2所示。

圖2 催化劑上表面0.2m處煙氣速度分布云圖（俯視圖）

從圖2中可以看出，煙氣速度相對標準差為16.83%，煙氣流速分布不均勻，主要表現在煙道前后墻方向上，顯見是有煙道彎頭引起。由于原有噴氨格柵一列同氣源形式，如圖3所示。

圖3 原有噴氨格柵設計圖

從圖3中可以看出，沿煙道前后墻方向，一列共有四個噴嘴，從同一根母管伸出，可見沿煙道前后墻方向所分布的四個噴嘴無法單獨調節流量，致使煙道橫截面內氨濃度呈現均布狀態，與實際煙氣流速在煙道截面內的分布不相符，不符合實際流場情況，導致噴氨量和氨逃逸率居高不下，甚至局部硫酸氫氨堵塞，影響機組正常運行[4]。

2 新脫硝噴氨系統設計

2.1 脫硝系統入口參數

該1 000 MW機組脫硝系統入口煙氣參數如表1所列。

表1 脫硝系統入口煙氣參數

2.2 利用Fluent軟件進行數值模擬分析

針對以上情況，采用非均勻噴氨優化方案，對脫硝進口噴氨格柵噴氨效果進行調整，雖然無法直接對煙氣速度場進行改善，但通過對脫硝進口噴氨格柵的調試，優化催化劑上表面0.2m處的氨氣濃度分布情況。利用FLUENT軟件進行冷態數值模擬，得到如圖4所示結果。

圖4 非均勻噴氨優化結果

從圖4中可以看出，距第一層催化劑上方0.2 m處煙氣速度分布和氨濃度分布相對標準差為3.23%，相應的氨濃度分布見圖5.

圖5氨濃度分布云圖（俯視圖）

圖5 中，左側為近鍋爐側，煙氣流向從紙面指向讀者。

2.3 新噴氨格柵設計

新型噴氨格柵采用耙型設計，為一路氣源帶四個噴口形式，具體如下圖6所示。

圖6 靶型噴氨格柵設計圖（俯視圖）

噴氨管道及格柵整體系統圖如圖7所示。

圖7 改造后噴氨系統設計圖

從圖7中可以看出，雖然每根噴氨母管同樣有四個噴口，但形式與原有噴氨格柵完全不同，噴氨量的調節方式由改造前的一維調節方式提升為二維調節方式，采用該型噴氨格柵進行煙道布置時，不僅可以沿煙道寬度方向上進行氨流量調節，同樣實現了可以煙道前后墻方向上的噴氨量調節，結合冷態數值模擬的結果，針對性的調節每個噴氨管的流量，以達到最優化噴氨的效果。

3 熱態試驗

某電廠1 000 MW機組在2016年5月份進行了脫硝噴氨格柵改造，分別選取滿負荷100%THA工況、80%THA工況、60%THA工況和基本負荷40% THA工況下的脫硝數據進行對比，結果如表2所列。

表2 100%THA工況下脫硝數據

從表格2中可以發現，在進出口工況相差不大的情況下，改造后的脫硝噴氨量相比改造前減少了38%，氨逃逸率由2.9降低到了0.8，取得了顯著的效果。

表3 80%THA工況下脫硝數據

從上表3可以看出，在80%THA工況、脫硝進出口NOX相差不大的情況下（改造前后脫硝效率分別為86.6%和87.2%），單側噴氨量同比減少了16.3%，氨逃逸率同比減少了81%.

表4 60%THA工況下脫硝數據

從上表4可以看出，在60%THA工況、脫硝進出口NOX相差不大的情況下（改造前后脫硝效率分別為76%和77%），單側噴氨量同比減少了31%，氨逃逸率同比減少了61%.

表5 40%THA工況下脫硝數據

從上表5可以看出，在40%THA工況、脫硝進出口NOX相差不大的情況下（改造前后脫硝效率分別為87%和89.5%），單側噴氨量同比減少了13.5%，氨逃逸率同比減少了73%。

4 結束語

通過進行冷態數值模擬計算以及由模擬結果指導實際改造試驗，可以發現：通過將脫硝噴氨格柵由簡單的一維調節方式改造為二維調節，更貼合煙道內流場的實際情況，使氨氣注射有了針對性和科學性。1000 MW超超臨界機組在正常運行負荷內（400 MW~1 000 WM）均達到了較好了脫硝效果，不僅減少了脫硝整體需要的噴氨量，也顯著降低了氨逃逸率，在一定程度上降低了脫硝成本，減緩了空預器的硫酸氫氨堵塞問題。

[1]崔民選，霍小龍.中國能源發展報告[M].北京：人民出版社，2012.

[2]岑可法，姚強，駱仲泱，等.燃燒理論與污染控制[M].北京：機械工業出版社，2004.

[3]文雅，馬志剛.燃煤機組SCR脫硝系統的優化設計分析[J].能源工程，2013（4）：54-56.

[4]馬雙忱，金鑫.SCR煙氣脫硝過程硫酸氫氨的生成機理與控制[J].熱力發電，2010，39（8）：12-17.

Optim ization of the SCR Denitration Sammonia Removal System for 1000MW USC Pressure Unit

SU Peng
（Guangdong Yudean Jinghai Power Generation Co.，Ltd.，Jieyang Guangdong 522000，China）

Aiming at the problem of high ammonia escape and the blockage of ammonia hydrogen sulfate which caused by uneven ammonia injection in the 1000MW USC pressure unit，by means of numerical simulation and thermal test，put forward the optimization scheme of ammonia nitrogen injection system.Practical application results show that in the case of no significant difference in NOx concentration in the inlet and outlet of denitration system，the newly installed ammonia injection system not only achieves higher denitrification efficiency at lower ammonia injection rate，but also reduce the ammonia escape rate of the denitrification system.The reform not only has high use and economic value，but also effectively reduces the problem of ammonia hydrogen sulfate plugging in key equipment such as air preheater.

boiler；sammonia removal system；ammonia escape rate；optimization

X773

A

1672-545X（2017）04-0089-04

2017-01-06

蘇朋（1989－），男，河南南陽人，工學碩士，主要從事電站鍋爐設備維護與管理。