華電奉節(jié)發(fā)電廠 孫克學(xué) 西安熱工研究院有限公司 尚 桐 舒 凱

W火焰鍋爐憑借煙溫高、火焰行程長(zhǎng)的特點(diǎn)，特別適用于低揮發(fā)分劣質(zhì)煤種，但同時(shí)爐膛出口NOx 濃度往往高達(dá)1000mg/m3。雖然《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014-2020年）》中容許“W”其暫按100mg/m3的指標(biāo)實(shí)行，但為爭(zhēng)取環(huán)保電價(jià)許多“W”火焰鍋爐亦按超低標(biāo)準(zhǔn)積極進(jìn)行改造。該爐型常規(guī)改造工藝路線存在較大經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性弊端，為此本文提出一種適應(yīng)于“W”火焰鍋爐超低改造的方案，并在某600MW 機(jī)組上改造成功。

常規(guī)改造路線是低氮燃燒、SNCR 和SCR 技術(shù)聯(lián)用[1]，先采用低氮燃燒技術(shù)將NOx 先控制在800mg/m3左右；再憑借SNCR 系統(tǒng)將NOx 進(jìn)一步降低500mg/m3左右；最后依靠SCR 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)超低排放。該方案存在以下弊端：SNCR 系統(tǒng)的初投資和年運(yùn)行成本高昂。需新增尿素存儲(chǔ)車間、尿素溶液制備系統(tǒng)，初投資2000萬(wàn)元左右，年運(yùn)行費(fèi)用2600萬(wàn)元/年左右；SNCR 噴槍設(shè)計(jì)不合理會(huì)造成尿素溶液沾污管壁，造成后續(xù)換熱器腐蝕磨穿，過(guò)噴的還原劑導(dǎo)致空預(yù)器堵塞，電袋除塵器糊袋等問(wèn)題；出口NOx 濃度波動(dòng)幅值過(guò)大，自動(dòng)噴氨系統(tǒng)無(wú)法投運(yùn)[2]。

1 SCR 系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要影響因素

1.1 脫硝催化劑

脫硝催化劑的性能和用量直接決定SCR 系統(tǒng)的脫硝效果。根據(jù)Vcata≈S×ln[(1-η)×NH3i]/NH3o，脫除效率、SO3/SO2轉(zhuǎn)化率與催化劑用量呈指數(shù)關(guān)系，當(dāng)效率過(guò)高時(shí)，一方面催化劑量很大、投資過(guò)大，另一方面會(huì)生成大量的SO3，加劇空預(yù)器堵塞（圖1）。式中，Vcata為催化劑量、m3；S 為與催化劑活性、煙氣流量有關(guān)的系數(shù)；η 為SCR 脫硝系統(tǒng)的脫硝效率、%；NH3i為反應(yīng)器入口NH3體積濃度、μL/L；NH3o為反應(yīng)器出口NH3體積濃度、μL/L。

圖1 SCR 系統(tǒng)催化劑用量和SO3/SO2轉(zhuǎn)化率隨脫硝效率變化曲線

1.2 脫硝系統(tǒng)流場(chǎng)的重要性

脫硝系統(tǒng)流場(chǎng)包括速度場(chǎng)和濃度場(chǎng)兩部分，分別旨在保證煙氣均勻豎直進(jìn)入催化劑層，減小積灰和磨損和保證煙氣中NOx 和NH3混合充分，確保氧化還原反應(yīng)的充分進(jìn)行。

目前主流催化劑廠商的產(chǎn)品均可保證較高活性，流場(chǎng)的均勻性反而成制約SCR 系統(tǒng)脫硝效率提升的關(guān)鍵因素。速度場(chǎng)不均易造成催化劑磨損或積灰堵塞，導(dǎo)致實(shí)際參與反應(yīng)的催化劑量降低，為保證脫硝效率只能加大噴氨量，同時(shí)導(dǎo)致空預(yù)器堵塞；濃度場(chǎng)不均意味著NOx 和NH3分布及混合不均，再加上傳統(tǒng)噴氨格柵不同工況的局限性，進(jìn)入催化劑層的煙氣中分別存在NOx 和NH3過(guò)量區(qū)域，且進(jìn)出口CEMS 大多采用單點(diǎn)探頭布置形式，無(wú)法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)噴氨。許多機(jī)組甚至只能采用全程運(yùn)行人員手動(dòng)操作的方式進(jìn)行噴氨，必然導(dǎo)致還原劑過(guò)噴，響應(yīng)遲滯、瞬時(shí)超標(biāo)情況時(shí)有發(fā)生。

較寬松的排放限值容許出口NOx 濃度存在一定波動(dòng)幅值，因此之前流場(chǎng)優(yōu)化的重點(diǎn)大多集中在速度場(chǎng)。但隨著環(huán)境保護(hù)的日益嚴(yán)格，要求出口NOx濃度盡量靠近標(biāo)準(zhǔn)限值且波動(dòng)幅值盡可能小，所以濃度場(chǎng)的優(yōu)化流場(chǎng)成為進(jìn)一步升級(jí)改造重點(diǎn)。

脫硝系統(tǒng)流場(chǎng)優(yōu)化方向：常規(guī)流場(chǎng)優(yōu)化在邊界條件設(shè)置時(shí)假定入口NOx 濃度完全均勻，未考慮入口偏差情況。且根據(jù)根據(jù)富勒公式，自然混合氣體擴(kuò)散系數(shù)較低，須加裝混合器對(duì)煙氣進(jìn)行強(qiáng)制混合。

2 分區(qū)混合動(dòng)態(tài)調(diào)平改造后效果對(duì)比

某電廠配備兩臺(tái)600MW的“W”火焰鍋爐，原SCR 系統(tǒng)按入口NOx 濃度800mg/m3、出口NOx 濃度不高于100mg/m3設(shè)計(jì)。實(shí)際運(yùn)行時(shí)入口NOx 濃度超過(guò)設(shè)計(jì)值，脫硝系統(tǒng)噴氨自動(dòng)跟隨性差，實(shí)際氨耗量超過(guò)設(shè)計(jì)值，空預(yù)器堵塞嚴(yán)重。

2.1 改造方案

SCR 系統(tǒng)脫硝流場(chǎng)分區(qū)混合改造技術(shù)。針對(duì)機(jī)組偏燒嚴(yán)重、入口NOx 濃度偏差大、混合距離不足等情況，本文提出分區(qū)混合改造方案：在噴氨格柵上游加裝大范圍混合器對(duì)煙氣進(jìn)行強(qiáng)制預(yù)混合，縮小偏差；根據(jù)煙道截面將噴氨格柵下游截面分成若干個(gè)區(qū)域并加裝分區(qū)混合器，分區(qū)之間混合器反向布置。煙氣在分區(qū)內(nèi)部強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)而分區(qū)之間無(wú)組分互串。經(jīng)過(guò)分區(qū)混合流場(chǎng)改造，催化劑入口前截面沿深度方向形成了明顯的濃度分區(qū)，且每個(gè)分區(qū)內(nèi)的NOx 濃度接近一致。

SCR 系統(tǒng)分區(qū)混合動(dòng)態(tài)調(diào)平控制技術(shù)。同理對(duì)噴氨格柵相應(yīng)的分區(qū)改造，根據(jù)各分區(qū)NOx 濃度針對(duì)性控制噴氨量。在有限的混合距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)了NH3和NOx 的充分混合，使各分區(qū)內(nèi)NH3和NOx 濃度的體積比接近反應(yīng)當(dāng)量比，從而實(shí)現(xiàn)NOx 的高效、精準(zhǔn)脫除。

2.2 分區(qū)混合改造前運(yùn)行數(shù)據(jù)

圖2中□、■分別為SCR 系統(tǒng)進(jìn)、出口氮氧化物濃度、mg/m3；為機(jī)組小時(shí)氨耗量、kg/h；●為脫除氮氧化物濃度與氨耗量比值，記為Z。采用自定義公式Z=(NOxi-NOxo)×Qva×10-6/Qva反映出逃逸氨的變化趨勢(shì)，式中NOxi為反應(yīng)器入口NOx濃度、mg/m3； 為反應(yīng)器出口NOx 濃度、mg/m3；Qva為脫硝入口矩陣流量計(jì)煙氣量體積流量、m3/h；Qva為液氨管路質(zhì)量流量計(jì)供氨質(zhì)量流量、kg/h，Z值越小說(shuō)明單位體積煙氣噴入的液氨量越大，逃逸氨的量也越大，反之亦然。

圖2中全天入口NOx 濃度在710～860mg/m3間波動(dòng)，最大偏差150mg/m3，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差僅為4.89%；出口NOx 濃度在10～104mg/m3之間波動(dòng)，最大偏差94mg/m3，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差高達(dá)48.52%，Z值在5.5～7.6×10-3間波動(dòng)，說(shuō)明流場(chǎng)穩(wěn)定性和跟隨性較差，加大了噴氨控制難度，造成噴氨不均，欠噴和過(guò)噴頻繁發(fā)生。

圖2 分區(qū)混合改造前某24h 內(nèi)機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)曲線

2.3 分區(qū)混合改造后運(yùn)行數(shù)據(jù)

從圖3可知，全天入口NOx 濃度在575～976mg/m3之間波動(dòng)，最大偏差401mg/m3，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為19.23%；出口NOx 濃度在19～35mg/m3之間波動(dòng)，最大偏差16mg/m3，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差高達(dá)19.5%。Z 值在6.6～9.4×10-3間波動(dòng)。說(shuō)明經(jīng)過(guò)分區(qū)混合改造SCR 系統(tǒng)出口NOx 值穩(wěn)定性得到明顯提高，還原劑過(guò)噴現(xiàn)象得到有效控制。改造完成后自動(dòng)控制系統(tǒng)穩(wěn)定投運(yùn)，結(jié)束了該電廠機(jī)組脫硝系統(tǒng)噴氨完全依賴運(yùn)行人員手動(dòng)操作的歷史。

圖3 分區(qū)混合改造后某24h 內(nèi)機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)曲線

2.4 分區(qū)混合改造技術(shù)和常規(guī)改造技術(shù)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

常規(guī)改造路線初期投資為5772萬(wàn)元，年運(yùn)行成本3332萬(wàn)元（尿素2600萬(wàn)元左右+液氨680萬(wàn)元）；采用分區(qū)混合動(dòng)態(tài)調(diào)平方案初期投資為3014萬(wàn)元，年運(yùn)行成本1000萬(wàn)元（液氨1000萬(wàn)元）。后者節(jié)省投資2758萬(wàn)元，年運(yùn)行成本節(jié)約2332萬(wàn)元。同時(shí)增加環(huán)保電價(jià)收益0.005元/千瓦.時(shí)，兩臺(tái)機(jī)組累計(jì)實(shí)現(xiàn)超低排放環(huán)保收益2112萬(wàn)元。