上鍋2066噸超臨界鍋爐脫硝系統優化研究

大唐寶雞第二發電有限責任公司 陳小強

某發電公司安裝兩臺超臨界間接空冷純凝發電機組，采用了低氮燃燒器+三層SCR氨法脫硝技術，實現超凈排放的環保目標，一定程度上實現了脫硝裝置降低效率運行、減少單位電量噴氨量、有效控制氨逃逸和防止空預器堵塞的效果。但是，近年來隨著電網新能源消納任務加劇、火電機組平均負荷率降低、調峰深度和調峰時間不斷增加、入廠煤標煤單價居高不下造成入爐煤質嚴重偏離設計值，給脫硝系統和空預器安全運行增加了難度，需要做進一步改造才能完全適應新發展形勢的需求。

1 鍋爐及脫硝系統概況

1.1 鍋爐概況

該公司660MW超臨界空冷燃煤機組配置鍋爐為上海鍋爐廠有限公司生產的SG-2066/25.4 -M977型超臨界參數變壓運行螺旋管圈直流爐，單爐膛、一次中間再熱、平衡通風、Π型露天布置、固態干排渣、全鋼架懸吊結構。爐后尾部布置兩臺預熱器型號為2-32.5VI(60)-（94”）96”的三分倉容克式空氣預熱器。制粉系統采用6套ZGM113G型中速磨煤機、直吹式冷一次風機（正壓）系統，同期建成SCR脫硝裝置等環保設施。2016年實施超凈排放改造時，選擇低氮燃燒器+SCR脫硝裝置加裝第三層備用催化劑方案。

1.2 低氮燃燒器

原鍋爐廠單爐膛四角布置的擺動式直流燃燒器切圓燃燒方式采用的引進型低NOx同軸燃燒系統（LNCFS）。改造思路為保持鍋爐較高的燃燒效率情況下，防止結渣，NOx得到較大幅度的削減。在主燃燒器增加貼壁風組件，一次風噴口采用上下濃淡組合方式，二次風噴口面積也相應調整。主燃燒器由下至上依次采用二次風口和一次風口間隔布置。在主燃燒器上方增加兩層高位燃盡風，原有四層燃盡風保留擋板風門及風箱風道，更換雙層噴口、水平擺動機構，共計六層可水平就地擺動的SOFA燃盡風，高位燃盡風量在25%左右。為進一步加大燃盡風量和燃盡風的爐膛穿透性，燃盡風噴口采取多噴口布置形式。

近乎全部的熱力型氮氧化物和部分燃料型氮氧化物的消除，使爐膛出口氮氧化物濃度由350～400mg/Nm3下降到200mg/Nm3以下。

1.3 脫硝裝置

該鍋爐采用選擇性催化還原全煙氣脫硝裝置，反應器布置于鍋爐省煤器出口與空預器之間，為高溫高粉塵布置。不設煙氣旁路，脫硝裝置采用氨作為還原劑，蜂窩式TiO2+V2O5催化劑。配有兩個反應器，煙氣在省煤器出口處被分為兩路，每路煙氣并行進入一個垂直布置的SCR反應器里，在反應器里煙氣向下流過均流器、催化劑層，隨后進入回轉式空氣預熱器、靜電除塵器、引風機和FGD，最后通過煙囪排入大氣，催化劑數按“2＋1”布置，兩層運行，一層備用，超凈排放改造時已投入備用層。

噴氨系統采用較為簡單的渦流盤擾流方案，存在煙氣速度場均勻性不足的隱患。由于以低氮燃燒器為基礎，SCR脫硝裝置效率達到75%～60%即可完成不高于50mg/Nm3的環保排放目標。

2 存在問題分析

一是延煙道橫向調整能力不足。對于原本按設計工況設計的渦流盤，擾動能力大幅下降，而且單側入口煙道寬度13940mm布置6個渦流盤各對應一個手動支門進行粗略調整的方案，調整能力不足，對應負荷率大幅度變化更是無法滿足。

二是延煙道縱向沒有調整能力。脫硝裝置入口煙道縱深方向深度3600mm，采用單排渦流盤對應單排噴氨支管方案，煙道縱深方向均勻性差且無法調整。

三是深度調峰造成脫硝系統調整要求提高。近三年來，深度調峰至40%THA年累計時長逐步由700h、1050h、1200h提升。深度調峰階段鍋爐氧量偏大、低氮燃燒器效果下降，要求SCR脫硝裝置的效率提升，小時噴氨量不降反升，不均勻性造成的氨逃逸概率大幅上升，硫酸氫銨堵塞空預器問題逐步嚴重。

3 改造方案

3.1 改造前試驗分析

為了精確制定兼具經濟性和技術性的方案，保證改造效果，利用網格法對下述目標進行不同負荷段試驗測試：SCR入口煙氣速度場、SCR入口煙氣溫度場、SCR入口煙氣NO和O2濃度場、SCR出口煙氣NO和O2濃度場、SCR出口氨逃逸濃度，相關數據見表1。

脫硝入口氮氧化物濃度數據特征：反應器邊緣至兩側反應器中心線NOx濃度由低到高分布。

脫硝入口速度場數據特征：兩側速度場不等率均超過20%。

脫硝入口溫度分布特征：反應器邊緣至兩側反應器中心線煙氣溫度由低到高分布。

脫硝出口氮氧化物濃度數據特征：脫硝出口均勻性較差，兩側濃度不等率均超過20%，主要特點是A側3、4和5分區偏低，8和9分區偏高；B側1和2分區偏低，8和9分區偏高，即每側反應器外邊緣NOx濃度偏低，靠近兩側反應器中心線NOx濃度偏高。

脫硝出口氨逃逸濃度數據特征：B側氨逃逸超標，大于2.5ppm。

表1 SCR入口煙氣速度場

表2 SCR入口煙氣溫度場

表3 SCR入口煙氣NO、O2濃度場

表4 SCR出口煙氣NO、O2濃度場

表5 SCR出口氨逃逸濃度

3.2 改造方案分析

3.2.1 渦流盤噴氨方案優化[1]

渦流盤噴氨方案較柵格法噴氨和多噴嘴等噴氨方案在混合均勻性上存在劣勢，需要通過優化，保證SCR系統進出口煙氣流場均勻，從而使NOx與NH3充分混合均勻，防止過度、盲目噴氨現象的發生。根據其他渦流盤噴氨實例運行情況，增加大量柵格可能造成煙道阻力大幅上升，引風機出力受限，可能需要進行引風機改造。

3.2.2 流場優化

對脫硝SCR系統流場進行深度優化，從省煤器換熱面末端開始（不含換熱面）至空預器入口結束的完整的SCR脫硝系統的三維模型（含省煤器煙氣旁路煙道）。利用CFD模擬技術，對整個流動結構進行模擬計算，直至最優。根據模擬結果對煙道進行合理分區，使每個分區內NOx濃度與NH3濃度充分混合均勻。

3.2.3 噴氨調節系統優化[2]

鍋爐SCR噴氨系統優化的原理是以對影響SCR正常運行的因素如入口NOx濃度、入口煙溫、氨逃逸和流場的分析診斷為基礎，結合大數據分析技術，通過對還原劑噴射總調節閥、兩個噴氨調節分閥及AIG支管關鍵閥的自適應控制保證變負荷工況下SCR系統噴氨控制特性與系統運行特性的實時良好匹配，使得還原劑NH3與煙氣中的NOx在進入催化劑層時達到理想當量比，從而有效提高氨利用效率，減少噴氨量，降低氨逃逸量，減小空預器硫酸氫銨堵塞概率。

3.3 CFD效果模擬分析

計算流體力學（Computational Fluid Dynamic, CFD）使用數值方法在計算機中對流體力學的控制方程進行求解，從而可預測流場的流動。數值模擬技術計算空間離散點上的參數分布代替連續介質參數，將微元體守恒方程轉化為離散點上的代數方程進行求解，以獲得逼近真實解的數值解。

模擬優化方案。一是在入口煙道第一個向上彎頭處優化煙道變徑連接、內部加裝2列導流板避免渦流、整理向上煙氣速度場初步均勻化。二是增加一排渦流盤和對應噴氨口，達到在高低負荷下均能實現渦流區都能相互干擾的目標。三是在反應器頂部阻流板的后面加裝擾流桿，顯著改善首層催化劑入口氨氣分布以及煙氣流速分布不均現象，提高噴氨控制調節性，強化氨氣與煙氣的混合，提高對來流煙氣的調節能力，提高催化劑入口還原劑的均勻性，進而顯著減少反應器左右側的氨分布偏差。

圖1

圖2

依據CFD模擬計算結果，SCR脫硝系統的優化設計方案可實現流場分布和NH3/NOx混合分布均勻的要求，即反應器內第一層催化劑入口斷面煙氣氣流速度不均勻性小于15%；煙氣到達第一催化劑層的入射角小于10°；反應器內第一層催化劑入口斷面NH3/NOx混合不均勻性小于10%，因此經過優化設計后的SCR脫硝系統的結構和布置方式能夠滿足工程要求，該優化設計方案切實可行。

4 改造效果驗證

4.1 脫硝SCR裝置性能試驗結果

50%ECR工況下，SCR入口NOx濃度239.52mg /Nm3情況下，出口NOx濃度17.97/ 14.00mg/Nm3，平均值15.99mg/Nm3。按逃逸率1.55/1.36ppm，均值1.46ppm。100%ECR工況下，SCR入口NOx濃度232.81mg/Nm3情況下，出口NOx濃度15.61/11.46mg/Nm3，平均值13.53mg/Nm3。按逃逸率1.02/1.07ppm，均值1.05ppm。

4.2 脫硝SCR出口NOx均勻性試驗結果

50%ECR工 況 下，A側 最 大 值23.6mg/Nm3，最小值13.4mg/Nm3，平均值15.99mg/Nm3，不均勻度10.18%；B側最大值17.97mg/Nm3，最小值10.3mg/Nm3，平 均 值14.00mg/Nm3，不均勻度7.43%。平均不均勻度8.81%。100%ECR工況下，A側 最 大 值22.9mg/Nm3，最 小 值13.5mg/Nm3，平均值15.61mg/Nm3，不均勻度18.58%；B側最大值16.4mg/Nm3，最小值6.9mg/Nm3，平均值11.46mg/Nm3，不均勻度18.94%。平均不均勻度18.76%。

4.3 脫硝SCR還原劑耗量試驗結果

50%ECR工況下，改造后A側耗量47.6kg/h，B側耗量49.2kg/h，總耗量96.8kg/h，較改造前總耗量109.2kg/h下降11.3kg/h。100%ECR工況下，改造后A側耗量49.7kg/h，B側耗量50.3kg/h，總耗量100kg/h，較改造前總耗量113.4kg/h下降11.7kg/h。

5 結論

本次改造實現了流場均勻、負荷適應性提升、煙道橫向和縱向不均勻度調整措施增加的目標，并且實現渦流不同負荷節約11.55kg/h左右的氨耗量下降，按年度平均負荷率60%、運行小時數6000h計算，單機可節約液氨69.30t，直接經濟價值約為27.72萬元/年，同時具有電網兩個細則盈利能力提升等間接經濟效益和空預器可靠性提升的安全效益。