李 棟,強東盛,陳崇明,郁金星,韓忠閣

(國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學研究院,河北 石家莊 050021)

0 引言

選擇性催化還原(SCR)脫硝技術因其投資低,工藝過程簡單,脫除氮氧化物(NOx)的效率較高,不易造成二次污染等優(yōu)點被燃煤電廠廣泛應用[1-2]。SCR 法通常采用液氨或尿素作為還原劑與煙氣中的NOx發(fā)生還原反應,由于氨在催化劑上的反應停留時間有限,通常會有極少量的氨逃逸,多數(shù)機組的氨逃逸設計值都控制在2.28 mg/Nm3以內(nèi)[3]。然而,在實際運行中,由于反應器入口煙氣流場、濃度場等參數(shù)大范圍波動導致噴氨不匹配或者催化劑壽命下降等原因,不少機組經(jīng)常出現(xiàn)氨逃逸過高問題[4]。氨逃逸質(zhì)量濃度過高時,會造成系統(tǒng)還原劑耗量升高,增加系統(tǒng)的運行成本;另外極易與煙氣中的三氧化硫發(fā)生反應生成高黏性硫酸氫銨,其很容易在空氣預熱器冷端、除塵器極線等位置凝結,吸附大量飛灰,從而導致鍋爐尾部設備腐蝕或堵塞,影響機組運行安全性和穩(wěn)定性[5-8]。

本文以某電廠1號機組脫硝系統(tǒng)為例,對氨逃逸故障進行診斷,通過現(xiàn)場測試脫硝出口煙氣溫度、NOx質(zhì)量濃度、氨逃逸質(zhì)量濃度分布,以及分析歷史運行情況,探索氨逃逸質(zhì)量濃度過高的原因及解決辦法。

1 脫硝系統(tǒng)概況

某電廠1號機組裝機容量為600 MW,鍋爐型式為亞臨界參數(shù)汽包鍋爐,一級中間再熱、單爐膛、平衡通風,采用四角切圓燃燒方式。SCR 脫硝裝置不設置煙氣旁路,包括煙氣系統(tǒng)、聲波吹灰系統(tǒng)和氨噴射系統(tǒng)。為滿足機組調(diào)峰狀態(tài)下脫硝投入的要求,對省煤器進行了分級改造,將脫硝系統(tǒng)SCR 入口的省煤器割除27%移至SCR 出口,因此脫硝反應器布置在高溫和低溫省煤器中間。脫硝還原劑采用液氨,還原劑的貯存、制備和供應系統(tǒng)為1、2號鍋爐共用。脫硝裝置設計壽命為30年,年利用小時數(shù)為5 500 h,脫硝系統(tǒng)及裝置可用率不小于98%。脫硝反應器內(nèi)現(xiàn)裝有三層催化劑,系統(tǒng)的主要設計參數(shù)如表1所示。

表1 1號機組脫硝系統(tǒng)設計參數(shù)

2 測試過程及方法

為了能夠反映脫硝系統(tǒng)實際性能,測試在氨逃逸故障頻發(fā)的50%ECR 工況下進行,試驗日期為2022年2月28日。試驗時調(diào)整噴氨支路手動閥使脫硝入口NOx分布均勻。測試參數(shù)包括煙氣溫度、NOx、O2、NH3的質(zhì)量濃度等,均采用網(wǎng)格布點法,網(wǎng)格點布置參照GB/T 16157—1996《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物采樣方法》。煙氣溫度測試位置設置在反應器入口,其他項目測試位置均設在脫硝系統(tǒng)出口截面。

煙氣溫度采用Fluke F 52熱電偶進行檢測;NOx、O2等煙氣成分測試采用MRU -MGA5+型便攜式紅外煙氣分析儀檢測;NH3質(zhì)量濃度測試參考DL/T 260—2012《燃煤電廠煙氣脫硝裝置性能驗收試驗規(guī)范》,利用兩級稀硫酸吸收液吸收后,使用靛酚藍分光光度法分析NH4+質(zhì)量濃度,根據(jù)采氣體積,計算得到煙氣中NH3質(zhì)量濃度。NOx和NH3同一時間進行測量。

3 分析診斷

3.1 煙氣溫度分析

溫度是影響脫硝催化劑反應活性的關鍵參數(shù)[9]。當煙氣溫度過低時,一方面會降低NH3和NOx的反應速率,減小脫硝率;另一方面NH3會與煙氣中的SO3發(fā)生反應生成粘性較大的NH4HSO4,其粘附在催化劑表面會堵塞催化劑的孔道和微孔,降低催化劑的活性。50%ECR 工況下,反應器入口煙氣溫度分布情況如圖1 所示?？梢钥闯?A 側煙氣溫度范圍為323~338 ℃,且從A1-A5測孔有逐漸遞減趨勢;B 側煙氣溫度范圍為309~323℃,且各位置與A 側相比溫度均略有下降。雖然兩側反應器的溫度場分布有所不同,但是最低溫度均高于300 ℃的最低允許噴氨溫度,說明低負荷工況下煙氣溫度不會成為制約脫硝系統(tǒng)運行效果的主要因素。

圖1 1號機組脫硝入口煙氣溫度分布

3.2 NO x 質(zhì)量濃度場測試分析

為掌握兩側反應器出口真實NOx質(zhì)量濃度分布情況,進行了脫硝出口NOx質(zhì)量濃度場測試。每側反應器出口均設置了5個測孔,面向爐膛從左至右編號為1—5,每個測孔選擇3個深度進行布點。NOx質(zhì)量濃度摸底測試結果如圖2所示?？梢钥闯?1號機組A 側反應器出口NOx質(zhì)量濃度(折算至6%O2)范圍為14~30 mg/m3;其中,A2—A5測孔NOx質(zhì)量濃度范圍為25~30 mg/m3,偏差相對較小;低值均出現(xiàn)在A1 測孔。B側反應器出口NOx質(zhì)量濃度(折算至6%O2)范圍為7~12 mg/m3,雖然各位置的質(zhì)量濃度偏差較小,但是與A 側相比整體質(zhì)量濃度相對較低,說明該側反應器存在噴氨量過大問題,將導致出口均具有較高的氨逃逸質(zhì)量濃度。

圖2 1號機組脫硝出口NO x 質(zhì)量濃度分布

3.3 氨逃逸測試分析

1號機組脫硝系統(tǒng)氨逃逸測試分析,A 側實測氨逃逸量為2.52~6.73 mg/m3(6%O2),平均為4.23 mg/m3;在線數(shù)值為2.49~2.88 mg/m3,平均為2.64 mg/m3。可以看出,A 側A1—A3測孔的氨逃逸均超過2.28 mg/m3的設計值[10],且氨逃逸質(zhì)量濃度最高值出現(xiàn)在A1 測孔,與該位置NOx質(zhì)量濃度最低值相對應。在A2、A3測孔實測NOx平均質(zhì)量濃度(6%O2)均在25 mg/m3左右條件下,氨逃逸仍然出現(xiàn)超標的情況,表明A 側反應器可能存在催化劑整體活性不足的問題。B側實測氨逃逸量為5.35~10.74 mg/m3,平均為9.03 mg/m3;在線數(shù)值為3.48~4.06 mg/m3,平均值為3.8 mg/m3?？梢钥闯?B側所有位置的氨逃逸質(zhì)量濃度均較高,且都超過2.28 mg/m3的設計值。結合該側各位置實測NOx平均質(zhì)量濃度(6%O2)最低僅為7.52 mg/m3,再次證明氨氮摩爾比分布不均是造成氨逃逸過高的主要原因。具體數(shù)據(jù)見表2、表3。

表2 1號機組脫硝系統(tǒng)A側NH3 質(zhì)量濃度 mg/m3

表3 1號機組脫硝系統(tǒng)B側NH3 質(zhì)量濃度 mg/m3

SCR 系統(tǒng)中氨分布不均勻,造成部分區(qū)域氨不足,使煙氣中的NOx不能充分反應,導致這部分區(qū)域的脫硝效率低;部分區(qū)域氨過量,雖然使煙氣中的NOx充分反應,但是因反應的氨仍然很大,造成極大的浪費,同時氨逃逸量極高,最終導致SCR 脫硝系統(tǒng)中氨的浪費,脫硝效率降低[11- 13]。

3.4 運行數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)場查看了1號機組2022年2月21—27日的低負荷運行曲線,見圖3,并與2號機組進行了比對。由圖3 可以看出,1 號機組負荷在212~226 MW 波動,脫硝入口NOx質(zhì)量濃度存在大幅度波動情況,最高值達到了310 mg/m3,中間值也能達到214 mg/m3。在脫硝入口NOx質(zhì)量濃度波動幅度超過100 mg/m3時,脫硝噴氨自動或手動都很難保證適量的氨噴射量,極易造成過噴或欠噴情況的出現(xiàn)[14- 16]。

圖3 1號機組2022年2月24日運行曲線

1、2號機組均在240 MW 左右工況下的運行情況對比如圖4和圖5所示?？梢钥闯?1號機組工況為239 MW 時,A、B 兩側脫硝入口NOx質(zhì)量濃度均在200 mg/m3左右,氨氣噴射量在28kg/h;2號機組工況為240 MW 時,A、B兩側脫硝入口NOx質(zhì)量濃度均在120 mg/m3左右,氨氣噴射量在13~18 kg/h。以上數(shù)據(jù)說明,1號機組入口NOx質(zhì)量濃度較高,也是造成氨氣噴射量增加,進而反應器出口氨逃逸超標的原因。

圖4 1號機組2022年2月22日運行曲線

圖5 2號機組2022年2月22日運行曲線

4 結論與建議

本文通過對脫硝入口煙氣溫度,脫硝出口NOx質(zhì)量濃度場、NH3質(zhì)量濃度進行測試,并結合1號機組低負荷運行曲線,對1號機組氨逃逸現(xiàn)象進行分析,得出以下結論與建議。

4.1 結論

1)1號機組脫硝系統(tǒng)出口實測質(zhì)量濃度最低值為13.43 mg/m3,出現(xiàn)在A1測孔;斷面氨逃逸平均值為4.23 mg/m3,超過2.28 mg/m3的設計值。

2)1號機組脫硝系統(tǒng)出口B側各孔實測NOx質(zhì)量濃度顯著低于CEMS數(shù)據(jù),實測質(zhì)量濃度(6%O2)最低值僅為6.53 mg/m3,氨逃逸平均值達9.03 mg/m3,遠高于2.28 mg/m3的設計值。結果說明入口氨氮摩爾比分布不均以及部分區(qū)域氨量過噴是造成脫硝出口氨逃逸超標的主要原因。

3)1號機組脫硝入口NOx質(zhì)量濃度在低負荷存在較大波動,且平均質(zhì)量濃度遠高于2號機組,也是造成1號機組噴氨量高和氨逃逸超標的原因。

4.2 建議

1)優(yōu)化1號機組鍋爐燃燒配風,在降低入口NOx質(zhì)量濃度的同時,減少NOx質(zhì)量濃度波動幅度,提升氨量噴射穩(wěn)定性。

2)在保證入口NOx質(zhì)量濃度穩(wěn)定性以及固定負荷下,調(diào)整脫硝反應器入口氨氮摩爾比分布,減少脫硝出口低NOx濃度情況的出現(xiàn)。

3)評估催化劑性能,掌握催化劑剩余壽命,并確定在氨逃逸不超過2.28 mg/m3的條件下,脫硝裝置出口的最低NOx質(zhì)量濃度,避免脫硝裝置超效率運行。