某300 MW機組SCR脫硝裝置氨噴射系統優化改造研究

劉曉敏，雷嗣遠，馬云龍，陳衛勇，鄭華勇，孔凡海，王樂樂

(1.廈門華夏國際電力發展有限公司，福建 廈門 361026；2.西安熱工研究院有限公司 蘇州分公司，江蘇 蘇州 215153)

基金項目：中國華能集團公司科技支撐項目(HNKJ16-H04)

0 引言

隨著國家環保要求的日趨嚴格，以及超低排放在燃煤電廠的全面推行[1-2]，選擇性催化還原(SCR)脫硝裝置運行中出現的問題也日趨突出。氨噴射系統作為SCR工藝的核心設備，其氨氮混合的均勻性、有效性極大地影響了脫硝效果[3]。某燃煤電廠300 MW機組SCR噴氨格柵(AIG)布置在省煤器出口煙道水平段，運行中長期存在氨噴嘴易堵塞、反應器截面局部噴氨量調整不佳等問題，影響脫硝設備的安全及經濟運行。為解決此問題，該電廠在供氨系統和稀釋風系統維持不變的前提下，將AIG及靜態混合器移至豎直上升煙道段。該方案工藝簡單、投資省，預計可達到較優的使用效果。

1 SCR脫硝設備運行問題

NOx超低排放運行時，脫硝設備運行效果不僅取決于催化劑的性能，同時更依賴于脫硝設備的流場優劣和氨氮混合的均勻性[4]。影響NOx與NH3混合均勻性的因素包括上游的NOx分布、煙氣流速分布、氨流量分配、混合器擾動強度及混合距離等。

NH3/NOx摩爾比分布相對標準偏差對脫硝性能的影響如圖1所示[5]。對于同一臺機組，當脫硝效率為92%時，脫硝裝置入口NH3/NOx摩爾比分布相對標準偏差為2%，對應氨逃逸率僅為1.00×10-6，當此值增加到12%時，對應氨逃逸率則為8.00×10-6以上，且脫硝效率越高，氨逃逸率增長趨勢越明顯。

圖1 NH3/NOx摩爾比分布相對標準偏差對脫硝性能的影響

某300 MW機組脫硝裝置采用高灰型布置，催化劑采用2+1模式，當前SCR脫硝設備實際運行中入口NOx質量濃度為250 mg/m3左右，出口控制在50 mg/m3以下，脫硝效率不低于80%。其AIG設置在省煤器出口水平煙道段上部(如圖2所示)，于入口水平煙道沿爐寬方向設9路噴氨支管，每組沿深度方向設3路支管，每根支管設手動調節閥，具備沿寬度和深度方向噴氨量調節功能，實物如圖3所示。

1.1 氨噴嘴堵塞

SCR脫硝設備自投產以來，已多次發生水平煙道內AIG豎向支管及噴嘴堵塞問題，電廠需要定期維護更換，檢修工作量大。水平煙道內該區域靠煙道底部存在煙氣低速區，機組低負荷運行時，飛灰易在此區域堆積，造成AIG噴嘴堵塞。另外，由于AIG自身結構問題(豎直式布置在水平煙道內)，鐵銹等雜質在重力作用下自噴氨支管底部開始沉積，隨著運行時間的累積，造成整根管道堵塞(如圖4所示)。

圖2 AIG安裝位置示意

圖3 AIG實物圖

圖4 AIG管路堵塞

噴嘴堵塞后，AIG在整個截面上存在噴氨無效區，造成下游催化劑氨氮分布不均，影響脫硝性能，造成部分區域氨逃逸率增大，進一步則影響催化劑使用壽命[6]。

1.2 噴氨調整有效性差

該機組脫硝反應器在結構上存在一定缺陷，即從水平煙道段過渡到豎直上升段時，在寬度方向上存在劇烈的漸擴。由于煙氣慣性，反應器靠外側煙氣量較少。當前的AIG布置在水平煙道段，對應外側煙道區域難以有效覆蓋，無法對該區域的氨氮分布形成有效調節。

該機組于2016年進行了噴氨優化調整試驗[7]。結果表明：噴氨優化調整試驗前，在機組300 MW負荷下，A，B側反應器出口NOx質量濃度分布標準偏差變異系數(CV)分別為34.3%，37.5%；在機組160 MW負荷下，A，B側反應器出口NOx質量濃度分布標準偏差CV分別為33.9%，40.3%。噴氨優化調整后，反應器出口NOx質量濃度、氨逃逸率分布如圖5和圖6所示(圖中測點分布見表1)，噴氨優化調整后，2臺反應器出口NOx質量濃度分布標準偏差CV仍在30%以上，局部區域氨逃逸率高達4.16×10-6。分析原因為反應器截面部分區域噴氨量無法有效調節，此與噴嘴堵塞及AIG布置位置有關，需定期利用停機檢修機會對該區域對應噴氨支管及噴嘴進行吹掃[8]。若考慮從根源上進行改善，則需對AIG安裝位置進行改造，盡量減少AIG管路堵塞的發生，同時提高噴氨對局部區域的有效性。

圖5 噴氨優化調整后反應器出口NOx質量濃度及分布

圖6 噴氨優化調整后反應器出口氨逃逸率分布

項目編號名稱備注測孔編號A1,A2,…,A9,B9,B8,…,B1由鍋爐兩側到鍋爐中心線依次編號測點編號P1,P2,P3,P4每一測孔內由深到淺依次編號

2 改造方案設計與優化

根據以上分析，采用數值模擬手段對原氨噴射系統所處流場進行模擬分析，提出了優化方案，并預測了優化后方案的氨氮混合效果。

2.1 原方案分析

以單側反應器為研究對象，建立1∶1三維模型。采用標準的k-ε湍流模型[9]，在實際溫度(380 ℃)下對氨氮混合效果進行模擬，如圖7所示。在鍋爐最大連續蒸發量(BMCR)工況下，原AIG布置方案計算結果為：AIG上游的速度分布標準偏差為20.7%、頂層催化劑層上游NH3/NOx摩爾比分布相對標準偏差為3.5%，如圖8～10所示。AIG上游速度偏差較大，但NH3/NOx摩爾比分布相對標準偏差能滿足相關的性能指標，說明原AIG在理想條件下，混合功能可滿足工程要求。

圖7 原反應器三維網格模型

圖8 AIG上游速度分布

圖9 氨濃度分布跡線

圖10 頂層催化劑上游氨濃度分布

圖11 優化方案示意

圖12 AIG改造示意

2.2 優化方案分析

參考其他多數燃煤電廠采用的AIG布置方式，布置在豎直上升煙道上的AIG覆蓋面更廣，有效性更強，不易造成氨噴嘴堵塞，同時考慮AIG調節的有效性，將原布置在水平煙道上的AIG移至豎直煙道上升段，同比例設置噴氨管路和噴嘴，優化方案如圖11～13所示[10]。原方案與優化后方案參數對比見表2。

AIG位置優化移位后，模擬結果顯示：AIG上游的速度分布標準偏差為15.3%、頂層催化劑層上游NH3/NOx摩爾比分布相對標準偏差為4.1%，如圖14～16所示。

圖13 改造方案反應器三維模型

項目原方案優化方案寬度方向分區數/個915寬度方向支管間距/mm685600寬度分區間距/mm685600深度方向分區數/個33深度方向分區間距/mm1195816深度方向噴嘴間距/mm160272支管直徑/mm100.0100.0噴嘴直徑/mm17.517.5

圖14 改造方案AIG上游速度分布

圖15 改造方案氨濃度分布跡線

圖16 改造方案頂層催化劑上游氨濃度分布

AIG上游速度分布相對標準偏差有了較大改善，下降約5%；NH3/NOx摩爾比分布相對標準偏差則基本持平，滿足工程設計要求[11]，優化前后結果對比見表3。考慮到豎直煙道上噴氨支管水平布置時噴嘴不易積灰，以及較強的調節有效性，改造方案具有更強的實用性[12-14]。

表3 優化前后結果對比 %

3 結論

(1)本文分析了某電廠SCR脫硝設備運行中存在的問題，其主要與AIG布置位置有關，提出了氨噴射系統優化改造的必要性。

(2)本優化方案將原AIG從水平煙道移至豎直上升煙道，優化布置噴嘴和混合器。改造工作量小，投資少，利于后期檢修維護。

(3)改造后可有效防止AIG管路、噴嘴堵塞，增加噴氨均勻性，降低局部氨逃逸率，在一定程度上可以延長催化劑使用壽命，降低硫酸氫氨堵塞風險。為燃煤電廠類似SCR運行問題的解決提供了參考。

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