燃煤鍋爐噴氨系統(tǒng)性能診斷及結構優(yōu)化研究

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）脫硝技術成熟，脫硝效率高，裝置簡單，運行可靠，占地面積小，便于維護，是目前國內應用最廣泛的煙氣脫硝技術[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，生成氮氣和水。

目前，國家政策要求[2]具備改造條件的燃煤電廠應實現(xiàn)超低排放，包括在基準氧含量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增加反應器出口的氨逃逸率[3-7]。有文獻介紹通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗等方法，提出多種方法提高脫硝入口反應物混合的均勻性，包括增加煙氣導流板[8-10]，動態(tài)混合器[11]等。上述方法著重煙氣側的改造，技術方案粗獷、工程量大。

通過現(xiàn)場試驗完成鍋爐脫硝系統(tǒng)的性能診斷，得到噴氨格柵位置處各細分區(qū)域氨氮摩爾比分布，尋找到噴氨系統(tǒng)結構設計缺陷。通過改變細分區(qū)域的噴氨格柵阻力，主動適應煙氣流速變化，實現(xiàn)非均勻精準噴氨，提高脫硝入口反應物混合均勻程度。

1 設備概況

本文的研究對象為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、固態(tài)排渣、露天布置、全鋼結構的汽包爐。燃煤機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和多處90°拐角。以A側尾部煙道為例（見圖1），省煤器出口水平煙道內布置棋盤式噴氨格柵（見圖2），下游煙道經突擴后布置脫硝反應器。省煤器出口至脫硝出口存在4處90°煙道拐角。脫硝出口NOx運行表計布置在偏煙道外側。

圖1 鍋爐尾部煙道

2 運行現(xiàn)狀

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

圖3 變工況下脫硝出口NOx大幅波動

SCR出口煙道試驗測點位于第三層催化劑下游，均勻布置8個測試孔，從煙道外側至中間側分別為A1···A8。在230 MW和150 MW兩個負荷下，完成脫硝出口NOx濃度場試驗，以A側煙道為例，測量結果見表1。

表1 SCR出口NOx實測數(shù)據

在150 MW負荷下，A1和A2測點的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負荷下，A1-A6測點的數(shù)值相對接近，但A7和A8數(shù)值僅為個位數(shù)。150 MW和230 MW負荷下脫硝出口NOx相對標準偏差分別為93.0%和55.5%，說明脫硝出口NOx濃度分布存在很不均勻的狀況。

此時，A側的9個噴氨支管手動截止閥開度見表2，其中螺桿有效長度全關時為0 mm、全開時為75 mm。

由表2可見，A1-A3噴氨支管的閥門幾乎處于全關狀態(tài)，這是導致脫硝系統(tǒng)對應出口區(qū)域NOx濃度偏高的直接原因。

采用傳統(tǒng)噴氨調平方法[12,13]，即增加對應A1-A3手動截止閥門開度，脫硝出口A2-A5測點位置的NOx表計值為0；同時脫硝出口NOx運行表計（位于測點A3和A4間）的數(shù)值也降為0，完全失去代表性，導致脫硝系統(tǒng)無法自動運行，被迫恢復手動截止閥門為初始開度。因此，依靠調節(jié)噴氨支管截止閥開度無法實現(xiàn)噴氨調平。

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（見圖4），直接導致氨和空氣尚未混合均勻已進入噴氨支管。

圖4 噴氨母管現(xiàn)場圖

3.2 截止閥流量特性差

機組停機期間稀釋風機運行，隨機選取2個截止閥，調節(jié)不同開度，測量對應噴氨格柵的空氣流速，得到截止閥的流量特性曲線，見圖5。

圖5 截止閥流量特性

由圖5可見，閥門螺桿長度由0 mm開至3 mm，實測流量已經達到最大流量的60%；開至7 mm，流量達到最大流量的80%；開至14 mm，實測流量達到最大流量的90%以上。

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閥門開度的微小變化導致介質流量的大幅變化，同時氨/空氣混合器位置不合理導致濃度差異大，使傳統(tǒng)噴氨調平方法難以實現(xiàn)超低排放條件下的NOx精準控制。

3.3 反應物混合不均

機組停機期間，測試鍋爐冷態(tài)通風量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，磨煤機運行方式以及各二次風門開度與鍋爐熱態(tài)運行工況（230 MW和150 MW）一致。引入煙氣相對流速無量綱變量，即分區(qū)域煙氣速度與截面平均速度之比。單側煙道測點布置數(shù)量與噴氨格柵分區(qū)相對應，寬度方向9個點、高度方向6個點，測量結果見表3和表4。

表3 煙氣相對流速分布（1 267 t/h）風量

表4 煙氣相對流速分布（996 t/h）風量

由表3和表4可見，1 267 t/h工況下，最高煙氣相對流速為1.30，最低煙氣相對流速為0.74，相對標準偏差為15.1%；996 t/h工況下，最高煙氣相對流速為1.31，最低煙氣相對流速為0.68，相對標準偏差為14.6%；煙氣流速存在不均勻分布。

匯總兩個風量下煙道寬度方向和高度方向的煙氣相對流速平均值，分布曲線見圖6。

圖6 噴氨格柵處煙道的煙氣相對流速分布

由圖6可知，高低兩檔風量下，不論從寬度方向還是高度方向看，證實不同負荷下噴氨格柵位置處的煙氣流速分布規(guī)律都相對一致。寬度方向上，煙道A1位置處的煙氣相對流速較高，達到平均流速的1.1～1.15倍，這是由于脫硝反應器煙道向外側突擴造成。其他區(qū)域的煙氣相對流速基本一致；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，上標高、中部、下標高煙氣流速較低。極大值對應煙氣相對流速能達到平均流速的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，對應煙氣流速分布，將噴氨格柵分成54個區(qū)域。機組停機狀態(tài)下開啟稀釋風機，噴氨支路手動截止閥全開，測量各分區(qū)域的氨/空氣流速，可以得到氨/空氣相對流速分布。設：脫硝進口NOx濃度無偏差[12]，煙道分區(qū)的氨/空氣相對流速與煙氣相對流速的比值可表征各區(qū)域的氨氮摩爾比，其中煙氣相對流速分布取兩檔風量工況的平均值。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，整個寬度方向上，標高2和3區(qū)域的氨氮摩爾比基本在0.8左右，嚴重偏低。這是機組長期運行后，噴氨格柵基材發(fā)生嚴重銹蝕，剝落的銹蝕殘渣堵塞格柵底部噴嘴，導致在煙氣流速較高區(qū)域無法匹配等量的氨/空氣。而A7-A9測點的標高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致該區(qū)域氨/空氣流量較高。整個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，相對標準偏差達到15.9%，反應物的混合明顯不均勻。

4 精細化調整

針對噴氨系統(tǒng)存在的結構缺陷，進行以下精細化調整：

1）將氨/空氣混合器向上游移位，增加混合段管程的同時經過3個90°彎管，確保進入第一根噴氨支管時，氨/空氣混合均勻；

2）徹底清除噴氨格柵的噴嘴銹蝕碎渣，保證噴氨格柵整個管路通暢；

3）選擇性地更換不同尺寸的噴嘴，增大或減小對應區(qū)域內噴嘴的氨/空氣流量，實現(xiàn)截止閥全開條件下分區(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節(jié)的問題，從源頭上保證反應物混合均勻。

噴氨系統(tǒng)精細化調整后，穩(wěn)定工況150 MW和230 MW負荷下測試A側脫硝出口NOx濃度，試驗結果見表5。

表5 SCR出口NOx實測數(shù)據

由表5可見：150 MW和230 MW負荷下，各測點位置脫硝出口NOx濃度基本接近，相對標準偏差分別為13.5%和17.4%；與噴氨系統(tǒng)結構優(yōu)化前相比分別下降79.5%和38.1%，脫硝入口反應物混合均勻程度明顯提高。

5 總結

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

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

3）機組長期運行，噴氨格柵基材會發(fā)生嚴重銹蝕，剝落的銹蝕殘渣堵塞格柵底部噴嘴，造成噴氨格柵流量分配存在明顯偏差。

4）根據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，可實現(xiàn)噴氨支管截止閥全開條件下，脫硝出口煙道截面NOx分布相對標準偏差降至20%以內；避免出現(xiàn)因截止閥流量特性差和難以調節(jié)的問題。