唐樹芳，唐郭安，喻小偉，吳暢

（華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江省 杭州市 310030）

0 引言

隨著中國火電建設(shè)步伐的加快，控制燃煤電廠氣體污染物排放已經(jīng)成為重中之重。在燃煤電站排放的大氣污染物中，NOx對生態(tài)環(huán)境和人體健康的危害極大，且難以處理。我國《火電廠大氣污染物排放標準》應(yīng)用于燃煤電站，對NOx排放限制標準日益嚴格。近2年來我國各種類型的燃煤電廠已普遍使用選擇性催化還原技術(shù)(selective catalytic reduction，SCR)進行 NOx的治理[1-7]。六角切圓煤粉鍋爐具有自己的特性，整個爐內(nèi)氣流旋轉(zhuǎn)強度較弱[8-10]，在國內(nèi)外煤電行業(yè)占有比例少，對通過低氮燃燒改造后的運行調(diào)整情況缺乏相應(yīng)的研究，又由于鍋爐超低排放改造比較集中，時間較短，改造完成后的新機組在投運后出現(xiàn)流場分布不均勻，脫硝出口NOx分布不夠均勻，出口氨逃逸超標的問題，再加上技術(shù)人員運行水平限制以及現(xiàn)場設(shè)備操作不當(dāng)?shù)仍?，不能有針對地進行噴氨，造成噴氨濃度很大，增加了還原劑耗量，降低了機組運行安全性及機組運行的經(jīng)濟性。本文選取一臺完成超低排放改造的六角切圓煤粉鍋爐為例，對其進行脫硝進出口NOx質(zhì)量濃度分布及氨逃逸質(zhì)量濃度的研究。

1 設(shè)備概況

某六角切圓燃煤鍋爐為超高壓、一次中間再熱、單汽包自然循環(huán)煤粉鍋爐，鍋爐型號為HG-670/140-12HM，脫硝系統(tǒng)為SCR系統(tǒng)，鍋爐的設(shè)計煤質(zhì)見表1，脫硝入口設(shè)計參數(shù)見表2。

表1 鍋爐設(shè)計煤質(zhì)Tab. 1 Qualities of boiler design coal

脫硝系統(tǒng)布置在省煤器與空氣預(yù)熱器之間，采用2層新催化劑投運，一層備用形式，入口煙氣中NOx的質(zhì)量濃度不大于450 mg/m3(標態(tài)、干基、6%O2)，設(shè)計效率不小于 56%，氨逃逸質(zhì)量濃度不大于2.28 mg/m3(標態(tài)、干基、6%O2)。

表2 脫硝入口煙氣參數(shù)Tab. 2 Denitrification inlet flue gas parameters

2 NOx質(zhì)量濃度分布特性

2.1 脫硝進出口NOx質(zhì)量濃度分布特性

NOx質(zhì)量濃度的測試采用網(wǎng)格法測量，測量深度分別為0.3、0.6、0.9、1.2、1.5 m。測試結(jié)果見圖1、圖2。

從圖1可以看出，脫硝反應(yīng)器入口A側(cè)NOx質(zhì)量濃度最大值399 mg/m3,最小值292 mg/m3，平均值 351 mg/m3，相對標準偏差 8.07%；入口 B側(cè) NOx質(zhì)量濃度最大值 472 mg/m3，最小值358mg/m3，平均值 420 mg/m3，相對標準偏差8.03%。入口NOx質(zhì)量濃度B側(cè)明顯高于A側(cè)，單側(cè)質(zhì)量濃度也出現(xiàn)不同程度的偏差，分布不均勻。這說明爐膛內(nèi)燃燒不完全，煙氣在流經(jīng)脫硝裝置時流場分布不均勻，使得脫硝內(nèi)部噴氨量相對不均勻，最終造成出口NOx質(zhì)量濃度分布不均。

圖1 入口沿寬度方向NOx分布Fig. 1 NOx distribution of the inlet along the width direction

圖2 出口沿寬度方向NOx分布Fig. 2 NOx distribution of the outlet along the width direction

入口NOx質(zhì)量濃度分布不均勻主要是由于入口流場的分布不均勻，而入口流場分布不均勻不僅會造成NOx質(zhì)量濃度場分布不均，也會造成溫度場、流速場的分布不均，從而在一定程度上加劇NOx質(zhì)量濃度分布不均勻性。

脫硝系統(tǒng)入口NOx分布的均勻性、溫度和空間流速等因素會直接影響煙道內(nèi)各處噴氨量的大小[11-12]，進入第一層催化劑前NOx與氨混合均勻且速度分布均勻時才能保證脫硝效率和氨逃逸質(zhì)量濃度的穩(wěn)定[13-14]，而氨逃逸質(zhì)量濃度超標則會加劇空氣預(yù)熱器的堵塞，也會對生態(tài)環(huán)境和人體健康造成威脅[15]。

脫硝反應(yīng)器出口 A側(cè) NOx質(zhì)量濃度最大值163 mg/m3,最小值 60 mg/m3，平均質(zhì)量濃度111mg/m3，相對標準偏差26.10%；出口B側(cè)NOx質(zhì)量濃度最大值149 mg/m3，最小值51mg/m3，平均質(zhì)量濃度105 mg/m3，相對標準偏差27.88%。出口NOx質(zhì)量濃度分布在寬度方向上呈現(xiàn)A側(cè)左側(cè)低而右側(cè)高，B側(cè)右側(cè)低而左側(cè)高的分布特點；NOx質(zhì)量濃度分布在深度方向上呈現(xiàn)煙道前墻和后墻較低，中間較高的特點。整個脫硝斷面偏差較大，分布不均勻。

造成這種現(xiàn)象通常有2種原因，一種是因為噴氨量不均勻，從而導(dǎo)致NOx質(zhì)量濃度較高的區(qū)域噴氨不足，或者NOx質(zhì)量濃度較低的區(qū)域過量噴氨；另一種原因是，存在催化劑反應(yīng)不良，煙氣在反應(yīng)區(qū)停留時間過短或者由于堵塞等催化劑失活現(xiàn)象造成脫硝效率降低，從而導(dǎo)致出口NOx質(zhì)量濃度分布不均勻。

2.2 脫硝出口氨逃逸分布特性

試驗期間脫硝反應(yīng)器出口A、B側(cè)氧量分布如圖3所示。

脫硝反應(yīng)器出口A、B側(cè)氨逃逸質(zhì)量濃度分布如圖4所示。

通過測試數(shù)據(jù)及氨逃逸質(zhì)量濃度分布可以發(fā)現(xiàn)，A側(cè)煙道有3個測點進行氨逃逸測試，其中在煙道右側(cè)(內(nèi)側(cè))的測點氨逃逸質(zhì)量濃度為1.176 mg/m3(標態(tài)、干基、6%O2)，滿足設(shè)計要求，而其他2個測點質(zhì)量濃度超過了設(shè)計要求。B側(cè)煙道3個測點的測量結(jié)果與A側(cè)類似，煙道左側(cè)(內(nèi)側(cè))的測點氨逃逸質(zhì)量濃度為 1.277 mg/m3(標態(tài)、干基、6%O2)，滿足設(shè)計要求，其他 2個測點質(zhì)量濃度超過了設(shè)計要求。結(jié)合脫硝反應(yīng)器進口NOx質(zhì)量濃度分布、出口NOx質(zhì)量濃度分布和氧量分布分析，反應(yīng)器進出口NOx質(zhì)量濃度分布和氧量分布都不均勻，出口NOx質(zhì)量濃度的相對標準偏差較大，說明脫硝入口存在過量噴氨現(xiàn)象。

脫硝反應(yīng)器入口NOx質(zhì)量濃度A側(cè)平均值為351 mg/m3，B側(cè)平均值為420 mg/m3，B側(cè)質(zhì)量濃度大于 A側(cè)質(zhì)量濃度。脫硝反應(yīng)器出口 NOx質(zhì)量濃度 A側(cè)為 111 mg/m3，B側(cè)平均值為105 mg/m3，A側(cè)質(zhì)量濃度大于B側(cè)，而出口氨逃逸在寬度方向上呈現(xiàn)煙道兩側(cè)高中間低的現(xiàn)象，在NOx質(zhì)量濃度較高的地方氨逃逸較低，NOx質(zhì)量濃度較低的地方氨逃逸較高，A側(cè)氨逃逸平均值 2.021 mg/m3低于 B側(cè)氨逃逸平均值 2.314 mg/m3，這說明A側(cè)噴氨量小于B側(cè)，噴氨流量與NOx質(zhì)量濃度不匹配，排除因煙氣流速過大或催化劑吹損等原因造成催化劑反應(yīng)不良使得出口NOx質(zhì)量濃度分布不均的可能性。

經(jīng)過計算，A側(cè)脫硝效率為69.29%，B側(cè)脫硝效率為75.69% ，A側(cè)的脫硝效率低于B側(cè)，。過量的不匹配噴氨和入口 NOx質(zhì)量濃度分布不均，加劇了出口NOx質(zhì)量濃度分布的不均勻性，在一定程度上也會加劇氨逃逸。因此應(yīng)該對各支管噴氨量進行合理調(diào)整，增大高NOx質(zhì)量濃度區(qū)域的噴氨量，降低低NOx質(zhì)量濃度區(qū)域的噴氨量。也應(yīng)該進行入口煙氣流場優(yōu)化，從根本上解決入口NOx質(zhì)量濃度分布不均勻的問題。

圖3 出口沿寬度方向O2分布Fig. 3 O2 distribution of the outlet along the width direction

圖4 出口沿寬度方向氨逃逸分布Fig. 4 Ammonia escape concentration distribution of the outlet along the width direction

3 結(jié)論

1）脫硝SCR反應(yīng)器入口流場不均勻?qū)е氯肟?NOx質(zhì)量濃度分布不均勻，A側(cè)平均值351 mg/m3，相對標準偏差 8.07%；B側(cè)平均值420 mg/m3，相對標準偏差 8.03%，需要對 SCR入口整流裝置進行檢查和調(diào)整，以提高SCR反應(yīng)器入口流場的均勻性；也可以對燃燒器和二次風(fēng)進行調(diào)整，提高爐膛出口煙氣流場的均勻性，也有助于提高SCR反應(yīng)器入口煙氣流場的均勻性。

2）脫硝 SCR反應(yīng)器噴氨量不均勻，造成出口NOx質(zhì)量濃度分布不均勻，相對偏差較大。A側(cè)平均值111 mg/m3，相對標準偏差26.10%；B側(cè)平均值105 mg/m3，相對標準偏差27.88%。出口氨逃逸質(zhì)量濃度超過設(shè)計值，A側(cè)最大值2.484mg/m3，B側(cè)最大值3.102mg/m3，需要適當(dāng)減小A側(cè)左側(cè)、B側(cè)右側(cè)的噴氨量，以避免SCR出口局部氨逃逸過高。

3）為了降低NOx的排放質(zhì)量濃度，減小脫硝出口的氨逃逸質(zhì)量濃度，避免空氣預(yù)熱器由于氨逃逸而造成堵塞，需要對脫硝系統(tǒng)進行噴氨優(yōu)化調(diào)整。

SCR脫硝裝置運行情況直接關(guān)系著電廠的NOx排放是否達到環(huán)保要求。氮氧化物分布的均勻性是影響脫硝效率和脫硝反應(yīng)的重要因素，需要密切關(guān)注脫硝出口氮氧化物的分布規(guī)律，并結(jié)合SCR入口溫度、煙氣量，及時進行噴氨優(yōu)化調(diào)整，確定不同噴氨格柵的噴氨量，逐步減小A側(cè)左側(cè)和B側(cè)右側(cè)的噴氨量，并通過反復(fù)的調(diào)整，以得到最佳的噴氨量，節(jié)約能源，降低污染，避免引起環(huán)境問題或損害尾部煙道設(shè)備，從而保證電廠機組安全可靠的長期運行。