馬振濤，涂 鴻，羅樹林

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SNCR-SCR聯(lián)合脫硝超低排放運行診斷及優(yōu)化

馬振濤1，涂 鴻2，羅樹林3

（1.中國華能集團有限公司吉林分公司，吉林 長春 130012； 2.華北電力大學(xué)能源動力與機械工程學(xué)院，北京 102206； 3.華能伊敏煤電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021100）

本文針對某600 MW機組選擇性非催化還原-選擇性催化還原（SNCR-SCR）聯(lián)合脫硝系統(tǒng)，分析了其在超低排放運行中出現(xiàn)灰中氨味大、氨逃逸量高和還原劑尿素耗量大的原因，并通過SNCR-SCR聯(lián)合脫硝系統(tǒng)運行優(yōu)化有效減少了尿素耗量，降低了因氨逃逸量過大導(dǎo)致下游設(shè)備硫酸氫銨污堵的風(fēng)險。運行診斷結(jié)果表明：當(dāng)前脫硝催化劑的性能滿足其設(shè)計性能要求，未出現(xiàn)異常失活現(xiàn)象，脫硝系統(tǒng)氨逃逸量高的主要原因為SNCR脫硝系統(tǒng)尿素噴槍投運不合理造成的過量噴氨；通過對SNCR脫硝系統(tǒng)4個區(qū)內(nèi)噴槍投入的優(yōu)化配置和尿素流量調(diào)整，該機組590 MW負荷下的尿素耗量降低幅度超過600 L/h；通過鍋爐燃燒優(yōu)化調(diào)整，尤其是降低鍋爐運行氧量，機組550 MW負荷下的尿素耗量減少了440 L/h，節(jié)能減排效果明顯。該診斷方法和運行優(yōu)化措施可為同類系統(tǒng)的超低排放運行提供借鑒。

600 MW機組；超低排放；SNCR-SCR聯(lián)合脫硝；尿素；氨逃逸；運行氧量；運行診斷；優(yōu)化

早期，在國內(nèi)火電機組NO排放限值較為寬松時，選擇性非催化還原（SNCR）脫硝工藝因具有投資省、系統(tǒng)簡單等優(yōu)點而被小容量機組廣泛采用[1]。但在目前NO超低排放形勢下，SNCR脫硝工藝效率低、噴氨均勻性差、氨逃逸控制困難以及還原劑消耗量大等問題日益突出[2]。隨著國內(nèi)火電廠大氣污染物超低排放改造的實施，大多數(shù)機組安裝了選擇性催化還原（SCR）煙氣脫硝系統(tǒng)[3]。因此，目前一些大容量燃煤機組采取選擇性非催化還原-選擇性催化還原（SNCR-SCR）聯(lián)合脫硝工藝進行脫硝系統(tǒng)整體運行優(yōu)化，以降低氨逃逸量和還原劑尿素的耗量，此時提高脫硝系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性和安全性顯得尤為重要[4-5]。

本文針對某600 MW燃煤機組，介紹了其SNCR-SCR聯(lián)合脫硝NO超低排放改造情況，并分析了實際運行中存在的還原劑尿素耗量大、氨逃逸量高、灰中氨味重及空氣預(yù)熱器硫酸氫銨污堵加劇等問題[6-7]，探索了運行優(yōu)化措施，其實踐經(jīng)驗可為同類脫硝工藝的運行優(yōu)化和管理提供借鑒。

1 設(shè)備概況

某600 MW機組鍋爐燃用褐煤，燃燒系統(tǒng)采用八角切圓燃燒方式。機組建設(shè)同期配套SNCR脫硝系統(tǒng)，設(shè)計入口NO質(zhì)量濃度為400 mg/m3，脫硝效率不小于35%，還原劑氨由尿素溶液霧化后經(jīng)噴槍噴入爐膛內(nèi)高溫分解產(chǎn)生。SNCR脫硝系統(tǒng)在鍋爐爐膛折焰角附近共設(shè)置4個尿素溶液霧化噴射區(qū)：1區(qū)位于折焰角下方沿爐膛四周布置22支墻式噴槍；2區(qū)、3區(qū)位于折焰角附近，每區(qū)各在鍋爐前墻設(shè)7支墻式噴槍；4區(qū)位于屏式過熱器出口區(qū)域，鍋爐兩側(cè)墻對稱布置3對多噴嘴長噴槍，不同負荷下通過投入不同區(qū)域噴槍實現(xiàn)對爐膛出口煙氣中NO質(zhì)量濃度的控制，噴槍布置位置如圖1 所示。實際運行中，由于鍋爐低氮燃燒效果較好，不同負荷下的爐膛出口NO質(zhì)量濃度通常維持在230 mg/m3以下，投入SNCR脫硝系統(tǒng)后NO排放質(zhì)量濃度可控制在170 mg/m3以內(nèi)。

為滿足《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13223—2011）中NO排放質(zhì)量濃度限值不高于 100 mg/m3的要求，該機組于2014年在鍋爐省煤器和空氣預(yù)熱器之間增加了煙道型SCR脫硝反應(yīng)器，構(gòu)成SNCR-SCR聯(lián)合脫硝系統(tǒng)，該系統(tǒng)如圖2所示。催化劑采用“1+1”布置模式，初裝1層蜂窩型催化劑，設(shè)計SCR脫硝系統(tǒng)入口煙氣中NO質(zhì)量濃度170 mg/m3，脫硝效率不低于53%，出口NO質(zhì)量濃度不高于80 mg/m3，對應(yīng)氨逃逸量不高于3mL/L，SO2/SO3轉(zhuǎn)化率不超過0.5%。SCR脫硝系統(tǒng)還原劑由上游SNCR脫硝系統(tǒng)提供，即通過增加爐膛內(nèi)尿素溶液噴入量，在實現(xiàn)SNCR爐內(nèi)脫硝的同時，產(chǎn)生的大量逃逸氨作為下游SCR脫硝系統(tǒng)的還原劑，未配套獨立的SCR氨噴射裝置。

圖1 SNCR脫硝系統(tǒng)噴槍布置示意

圖2 SNCR-SCR聯(lián)合脫硝系統(tǒng)示意

為進一步實現(xiàn)NO深度減排，滿足超低排放要求，機組于2017年增加1層SCR備用催化劑，2層催化劑的整體脫硝效率設(shè)計值不低于80%，出口NO質(zhì)量濃度不高于34 mg/m3，對應(yīng)氨逃逸量不高于3 μL/L，SO2/SO3轉(zhuǎn)化率不超過1.0%。

2 運行診斷

現(xiàn)該機組投運SNCR-SCR聯(lián)合脫硝系統(tǒng)后約1年，運行中出現(xiàn)了尿素耗量大、除灰皮帶輸灰過程中氨味重、空氣預(yù)熱器煙氣側(cè)差壓增長快等問題。由于該電廠為煤電一體化項目，入爐煤質(zhì)相對穩(wěn)定，煤中收到基硫質(zhì)量分數(shù)基本在0.3%以內(nèi)，因此初步分析認為出現(xiàn)當(dāng)前問題的直接原因是脫硝系統(tǒng)出口氨逃逸量過大。通常NO超低排放運行中脫硝系統(tǒng)氨逃逸量大的主要原因為：催化劑性能劣化不能滿足設(shè)計性能要求；催化劑磨損/堵灰嚴(yán)重；NO排放質(zhì)量濃度控制過低；噴氨均勻性差等[8]。本文從上述幾個方面分析當(dāng)前氨逃逸量大的原因。

2.1 SCR催化劑性能分析

催化劑是SCR脫硝系統(tǒng)的核心，當(dāng)SCR脫硝系統(tǒng)運行狀態(tài)欠佳時首先要評估催化劑是否滿足性能要求[9]。該機組于2017年6月加裝備用層催化劑，設(shè)計脫硝效率為80%，脫硝系統(tǒng)出口NO質(zhì)量濃度控制在34 mg/m3以內(nèi)，至今初裝層及備用層催化劑連續(xù)通煙氣累積時間約為21 000、7 000 h，取樣催化劑外觀如圖3所示。

圖3 取樣催化劑外觀

催化劑性能檢測在實驗室中試試驗臺上進行，檢測方法執(zhí)行《火電廠煙氣脫硝催化劑檢測技術(shù)規(guī)范》（DL/T 1286—2013）[10]。檢測結(jié)果表明，在設(shè)計煙氣條件下，2層在役催化劑整體脫硝效率為80.9%時，出口NO質(zhì)量濃度為32.5 mg/m3，對應(yīng)氨逃逸量為1.3 μL/L，SO2/SO3轉(zhuǎn)化率為1.1%。與新鮮催化劑的性能相比，當(dāng)前催化劑活性劣化趨勢如圖4所示。

圖4 催化劑活性劣化趨勢

由圖4曲線結(jié)合樣品化學(xué)成分和微觀比表面積分析結(jié)果得出，該機組催化劑活性劣化速率正常，催化劑未出現(xiàn)燒結(jié)及砷或鉀、鈉堿金屬等異常中毒情況?？梢?，當(dāng)前催化劑性能滿足NO超低排放設(shè)計要求，脫硝系統(tǒng)氨逃逸量大的主要原因與催化劑性能無關(guān)[11]。

2.2 過量噴氨風(fēng)險分析

SCR脫硝系統(tǒng)的良好運行除了催化劑性能滿足設(shè)計要求外，也要避免實際運行中脫硝系統(tǒng)整體過量噴氨或者SCR反應(yīng)器截面上局部過量噴氨，防止氨逃逸量過大帶來運行的風(fēng)險[12]。該機組運行中，SNCR脫硝系統(tǒng)后SCR脫硝系統(tǒng)入口煙氣NO質(zhì)量濃度為70~120 mg/m3，近一年SCR脫硝系統(tǒng)A/B側(cè)反應(yīng)器平均脫硝效率統(tǒng)計結(jié)果如圖5所示。

圖5 SCR脫硝系統(tǒng)A/B側(cè)反應(yīng)器平均脫硝效率統(tǒng)計

2.3 噴氨均勻性分析

分析圖5中數(shù)據(jù)得出：A/B兩側(cè)反應(yīng)器的脫硝效率最高值均達98%；3月份之后，兩側(cè)反應(yīng)器脫硝效率偏差增大，A側(cè)最低脫硝效率5%，B側(cè)最低脫硝效率71%。這可能是因為上游SNCR脫硝系統(tǒng)噴槍投入不合理或SCR反應(yīng)器出口截面NO在線分析儀的取樣代表性差。在滿足NO超低排放的情況下，3月份之后A側(cè)反應(yīng)器缺氨運行，B側(cè)反應(yīng)器脫硝效率高位運行，這與B側(cè)空氣預(yù)熱器堵塞頻繁、煙氣側(cè)差壓增長過快的現(xiàn)象一致。

在脫硝催化劑性能滿足設(shè)計要求的前提下，SCR脫硝反應(yīng)器內(nèi)還原劑氨與煙氣中NO的混合均勻性及噴氨合理性是決定脫硝系統(tǒng)運行優(yōu)劣的關(guān)鍵[13]。因此，本文根據(jù)脫硝系統(tǒng)日常運行數(shù)據(jù)得到噴氨均勻性，分析當(dāng)前氨逃逸量大的原因。在機組500 MW負荷下，NO排放質(zhì)量濃度控制在40~50 mg/m3范圍，SCR脫硝系統(tǒng)A/B兩側(cè)反應(yīng)器出口及煙囪凈煙氣中NO質(zhì)量濃度統(tǒng)計如圖6所示。

圖6 不同位置NOx質(zhì)量濃度比對

由圖6可見，SCR脫硝系統(tǒng)A/B兩側(cè)反應(yīng)器出口NO質(zhì)量濃度與煙囪出口NO排放質(zhì)量濃度偏差較大。這側(cè)面反映出反應(yīng)器出口NO在線分析取樣代表性差，且反應(yīng)器噴氨合理性較差。

同時，對SCR脫硝系統(tǒng)A/B兩側(cè)反應(yīng)器入口煙氣中NO質(zhì)量濃度進行統(tǒng)計，結(jié)果見表1。由表1中可以看出，A/B兩側(cè)反應(yīng)器入口在線NO質(zhì)量濃度數(shù)值差別亦較大。這除了與爐內(nèi)燃燒狀況有關(guān)外，亦與SNCR-SCR聯(lián)合脫硝系統(tǒng)爐內(nèi)SNCR脫硝系統(tǒng)噴槍投入不合理、爐內(nèi)尿素溶液分解不徹底、尿素與爐膛內(nèi)煙氣中NO反應(yīng)效果欠佳有關(guān)。

表1 A/B兩側(cè)反應(yīng)器入口NO質(zhì)量濃度

Tab.1 The mass concentrations of NOx at inlet of the reactors at A/B side of the SCR denitration system mg/m3

2.4 催化劑磨損堵灰分析

SCR脫硝系統(tǒng)運行過程中，催化劑出現(xiàn)局部磨損、穿孔時，會造成煙氣短路、對應(yīng)區(qū)域下游煙氣氨逃逸量大，若出現(xiàn)催化劑大面積嚴(yán)重磨損或者坍塌，甚至?xí)?dǎo)致NO排放質(zhì)量濃度超標(biāo)。催化劑單元體堵灰則會降低催化劑的有效反應(yīng)面積，影響其脫硝性能。通常催化劑同時存在堵灰和磨損，堵灰嚴(yán)重區(qū)域會造成周圍煙氣流場紊亂，煙氣入射角發(fā)生改變，從而導(dǎo)致積灰區(qū)域周圍催化劑磨損[14]。

因此，對該機組停機檢修期間進行了SCR反應(yīng)器內(nèi)檢查。檢查結(jié)果表明：SCR反應(yīng)器靠近前墻區(qū)域出現(xiàn)一定程度的積灰，部分催化劑單元體也出現(xiàn)了錯位和磨損現(xiàn)象。這可能與該鍋爐尾部煙道內(nèi)豎井底部灰斗排灰不暢，長期處于高料位運行且灰顆粒較大有關(guān)。在機組運行及啟停階段，煙氣中大顆粒飛灰無法從豎井灰斗及時排出或被煙氣攜帶走，從而進入SCR反應(yīng)器，造成催化劑磨損。此外，SCR反應(yīng)器入口煙道內(nèi)導(dǎo)流板設(shè)計不合理，導(dǎo)致煙氣流速分布不均，也可能造成反應(yīng)器內(nèi)積灰或者催化劑沖刷破損，后續(xù)可通過流場模擬及優(yōu)化進行綜合診斷治理。

3 SNCR-SCR聯(lián)合脫硝系統(tǒng)運行優(yōu)化

在常規(guī)煤粉鍋爐達到同等脫硝效率的情況下，相對SCR煙氣脫硝工藝，采用SNCR或SNCR-SCR工藝的氨耗量比較大，整體還原劑尿素耗量也較高。因此，在滿足NO超低排放前提下，為降低SNCR-SCR聯(lián)合脫硝系統(tǒng)尿素耗量及下游設(shè)備硫酸氫銨污堵風(fēng)險，應(yīng)提高SCR脫硝效率，降低SNCR脫硝系統(tǒng)氨逃逸量，從而降低整體過量噴氨風(fēng)險。但該機組SCR脫硝系統(tǒng)入口煙道未設(shè)置獨立的氨噴射系統(tǒng)，因此SNCR-SCR聯(lián)合脫硝系統(tǒng)整體運行優(yōu)化重點在于SNCR脫硝系統(tǒng)的精細化運行和提高鍋爐低氮燃燒能力。

3.1 SNCR脫硝系統(tǒng)噴槍投入優(yōu)化

SNCR脫硝系統(tǒng)的脫硝效率與噴入鍋爐爐膛內(nèi)尿素溶液所在爐膛截面的溫度窗口及霧化尿素顆粒與煙氣中NO混合的均勻性密切相關(guān)。因此，SNCR脫硝系統(tǒng)運行優(yōu)化重點在于，不同機組負荷下的噴槍投入合理性優(yōu)化。在鍋爐穩(wěn)定燃燒前提下，對不同機組負荷試驗調(diào)整SNCR脫硝系統(tǒng)1—4區(qū)各噴槍的投入數(shù)量和尿素噴入量，從而降低SNCR-SCR聯(lián)合脫硝系統(tǒng)的尿素耗量和氨逃逸量。

經(jīng)過SNCR脫硝系統(tǒng)噴槍投入優(yōu)化調(diào)整后，不同負荷下的尿素耗量明顯下降，優(yōu)化前后的尿素耗量變化如圖7所示。

圖7 噴槍投入優(yōu)化前后尿素消耗量比對

由圖7可見，不同負荷下，噴槍投入優(yōu)化后的尿素耗量最少降低14.6%，最高可降低32.4%。負荷越高，噴槍投入優(yōu)化潛力越大，當(dāng)機組負荷達到590 MW時，優(yōu)化后尿素耗量絕對值由2 116 L/h降至1 489 L/h，節(jié)省尿素溶液消耗量超過600 L/h，節(jié)能效果明顯。

本項目根據(jù)SNCR脫硝系統(tǒng)噴槍投入優(yōu)化調(diào)整試驗，確定不同負荷下最佳噴槍投入模式，建立了SNCR脫硝系統(tǒng)噴槍投入指導(dǎo)卡片（表2），可有效指導(dǎo)日常脫硝系統(tǒng)經(jīng)濟運行。

表2 SNCR脫硝系統(tǒng)噴槍投入指導(dǎo)卡片

Tab.2 The instruction card for inputing spray guns in the SNCR denitration system L/h

3.2 鍋爐變氧量優(yōu)化

控制鍋爐爐膛內(nèi)NO質(zhì)量濃度，可有效降低SNCR-SCR聯(lián)合脫硝系統(tǒng)尿素耗量及下游SCR脫硝系統(tǒng)運行壓力。常見的鍋爐燃燒優(yōu)化調(diào)整方式包括運行氧量調(diào)整、磨煤機組合方式調(diào)整及配風(fēng)方式調(diào)整等[15]。本文主要進行鍋爐變氧量調(diào)整試驗。試驗工況為：機組負荷550 MW，制粉系統(tǒng)運行方式為1號、2號、4號、6號、7號及8號磨煤機投入運行，SNCR脫硝系統(tǒng)2區(qū)、3區(qū)及4區(qū)噴槍投入運行，NO排放質(zhì)量濃度維持在45 mg/m3左右。將SCR脫硝系統(tǒng)入口煙氣中氧體積分數(shù)（氧量）由2.61%分別降至2.23%和2.01%，得到SCR脫硝系統(tǒng)入口NO平均質(zhì)量濃度及SNCR-SCR聯(lián)合脫硝系統(tǒng)尿素總消耗量變化見表3。

由表3可以看出，隨著鍋爐運行氧量的降低，尿素消耗量也隨之下降，消耗量最大可降低440 L/h，大幅降低了系統(tǒng)運行成本。這是由于鍋爐運行氧量降低時，爐內(nèi)欠氧燃燒生成的NO質(zhì)量濃度降低，同時運行氧量降低也造成鍋爐出口煙氣量減少，最終降低了還原劑尿素的消耗量。

表3 鍋爐變氧量調(diào)整試驗結(jié)果

Tab.3 The test results for oxygen content adjustment

3.3 其他優(yōu)化措施

鑒于該鍋爐燃用褐煤，可通過改變磨煤機組合方式[16]，調(diào)整進入磨煤機的冷煙氣流量及暖風(fēng)器出口風(fēng)溫，達到調(diào)控SCR脫硝系統(tǒng)A/B兩側(cè)反應(yīng)器煙氣流量的目的。試驗結(jié)果顯示，調(diào)整效果有限。

4 結(jié) 論

1）大容量燃煤機組采用SNCR-SCR聯(lián)合脫硝工藝實現(xiàn)NO超低排放時，運行中易出現(xiàn)SCR脫硝系統(tǒng)反應(yīng)器A/B兩側(cè)NO質(zhì)量濃度均勻性差、氨逃逸控制難度高、還原劑耗量大的問題。

2）某600 MW燃煤機組氨逃逸量高的原因為：部分時段SCR脫硝系統(tǒng)脫硝效率過高，造成整體過量噴氨；SNCR脫硝系統(tǒng)噴槍投運不合理導(dǎo)致的噴氨不均。

3）進行SNCR脫硝系統(tǒng)噴槍投運優(yōu)化后，尿素耗量下降幅度超過600 L/h，節(jié)能效果明顯，且利于減少下游氨逃逸量。

4）通過降低鍋爐運行氧量，可有效降低尿素耗量、SNCR-SCR聯(lián)合脫硝系統(tǒng)運行成本及下游SCR脫硝系統(tǒng)運行壓力。

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Operation diagnosis and optimization for ultra low emission with combined SNCR-SCR denitrification technology

MA Zhentao1, TU Hong2, LUO Shulin3

(1. China Huaneng Group Co., Ltd., Jilin Branch, Changchun 130012, China; 2. School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China; 3. Huaneng Yimin Coal and Electricity Co., Ltd., Hulunbeier 021100, China)

During ultra low emission operation of the selective non-catalytic reduction-selective catalytic reduction (SNCR-SCR) combined denitrification system of a 600 MW thermal power unit, problems such as strong ammoniacal odor, heavy ammonia slip and large consumption of reducing agent (urea) occur. Thus, the reasons were investigated, and operation of the SNCR-SCR combined denitration system was optimized. The consumptions of urea and risk of ammonium bisulfate condensation were reduced. The operation diagnosis results show that, the current used catalysts could meet the design performance requirement, with no abnormal deactivation occurred. The irrational layout of spray guns led to excess ammonia injection, which was the main reason for heavy ammonia slip. By optimizing the configurations of layout of the spray guns and regulating the urea flow in four sections of the SNCR denitration system, the reduction of urea consumption exceeded 600 L/h at 590 MW load. Through optimal combustion adjustments, especially reducing the oxygen content, the reduction of urea consumption exceeded 440 L/h at 550 MW load. The energy saving and emission reduction effect was obvious. This operation diagnosis and optimization measure could provide references for ultra low emission operation of the same type units.

600 MW unit, ultra low emission, combined SNCR-SCR denitrification, urea, ammonia escape, operation oxygen content, operation diagnosis, optimization

Science and Technology Development Plan of Suzhou (SGC201704)

X511

B

10.19666/j.rlfd.201901034

馬振濤, 涂鴻, 羅樹林. SNCR-SCR聯(lián)合脫硝超低排放運行診斷及優(yōu)化[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(6): 40-45. MA Zhentao, TU Hong, LUO Shulin. Operation diagnosis and optimization for ultra low emission with combined SNCR-SCR denitrification technology[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(6): 40-45.

2019-01-20

蘇州科技發(fā)展計劃項目(SGC201704)

馬振濤(1973—)，男，本科，高級工程師，主要研究方向為火電廠大氣污染物治理，305941151@qq.com。

（責(zé)任編輯 楊嘉蕾）