SCR脱硝系统喷氨格栅调整试验关键问题探究

李德波，廖永进，曾庭华，邓剑华，许凯，李方勇

(广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510080)



SCR脱硝系统喷氨格栅调整试验关键问题探究

李德波，廖永进，曾庭华，邓剑华，许凯，李方勇

(广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510080)

针对某电厂2号锅炉NOx排放浓度高的现状，进行了选择性催化还原(selectivecatalyticreduction，SCR)脱硝系统改造。脱硝改造后由于反应器出口NOx质量浓度分布严重不均，导致氨逃逸量大且脱硝效率较低，为此进行了脱硝系统喷氨格栅调整试验和调整后的性能评估。主要结论如下：喷氨格栅调整试验取得了较好的效果；要定期进行喷氨格栅调整试验，防止出口氨逃逸量高导致空预器堵塞；在满足国家环保要求的情况下，不应追求过高的脱硝效率，以降低脱硝成本和氨逃逸量大的风险。

选择性催化还原；喷氨格栅；优化调整；氨逃逸

随着环境治理的严峻形势，我国对氮氧化物(NOx)的排放限制将日益严格，国家环境保护部已经颁布了《火电厂氮氧化物防治技术政策》，明确在“十二五”期间将全力推进我国NOx的防治工作，将燃煤电站锅炉NOx排放浓度(本文浓度均指“质量浓度”，且氧的体积分数φ(O2)=6%，标准状态下)设定为100mg/m3。目前国内外电站锅炉控制NOx技术主要有2种[1-4]：一是控制生成，主要是在燃烧过程中通过各种技术手段改变煤的燃烧条件，从而减少NOx的生成量；二是生成后的转化，主要是将已经生成的NOx通过技术手段从烟气中脱除，如选择性催化还原(selectivecatalyticreduction，SCR)、选择性非催化还原(selectivenon-catalyticreduction，SNCR)[5]。

某210MW四角切圆锅炉电厂，针对其2号锅炉NOx排放浓度高的实际现状，进行了SCR脱硝改造。改造后，反应器出口NOx浓度分布严重不均，导致氨逃逸量大，脱硝效率降低。后进行了SCR脱硝系统喷氨格栅调整试验，同时对调整后的效果进行了评价，试验取得了较好的效果。基于此，本文结合210MW级四角切圆锅炉SCR脱硝喷氨格栅调整试验以及工程实践，对低氮改造技术方案选取时需要注意的若干关键问题进行探究。

1　锅炉设备及脱销工艺介绍

该电厂锅炉为210MW，哈尔滨锅炉厂生产的HG-670/140-13型锅炉，为超高压参数，带一次中间再热单汽包自然循环锅炉，四角切圆燃烧，固态排渣，平衡通风，全钢构架，露天布置。广东省电力节能检测中心曾于2004年8月对该电厂进行了烟气排放成分测量，结果表明该电厂1—3号锅炉NOx平均排放浓度分别为634.9mg/m3、768.4mg/m3、762.7mg/m3，说明在一定的燃煤条件下，该电厂锅炉NOx排放量普遍偏高。

该电厂采用SCR脱硝装置进行脱硝改造。催化剂层数按“2+1”模式布置，初装2层预留1层，在设计煤种及校核煤种、锅炉最大连续蒸发量(boilermaximumcontinuousrating，BMCR)、处理100%烟气量、SCR进口NOx浓度600mg/m3、布置2层催化剂条件下脱硝效率不小于80%。布置单层催化剂条件下每套脱硝系统设备脱硝效率均不小于50%。催化剂采用蜂窝式催化剂，主要活性成分为TiO2、V2O5及WO3；还原剂采用液氨。5台锅炉脱硝的氨区公用系统集中布置。

2　现场试验

2.1现场优化试验参数

性能优化试验在机组负荷为100%BMCR下进行，主要进行以下项目测试：烟气量，脱硝效率，进、出口NOx浓度，氨逃逸率，SO2/SO3转化率，系统阻力，烟气温降，NH3/NOx物质的量比，记录还原剂消耗量等。具体测试工况及内容如下：

工况1：预备性试验。机组负荷为210MW，脱硝效率设定80%以上，在正式试验之前，对脱硝系统进行初步测试，检验测量仪器是否正常以及试验中存在的问题并及时解决；检测NO分布是否均匀及脱硝效率是否能够达到设计值并进行相应调整。

工况2：正式考核试验。机组负荷为210MW，脱硝效率设定85%以上，测量脱硝效率。

2.2现场性能仪器及相关计算方法

2.2.1NO和O2测量

采用网格法，在SCR反应器的进口(喷氨格栅之前，下同)和出口测量NO和O2。NO的测量仪器为德国进口的烟气分析仪，O2的测量采用顺磁式氧量分析仪进行测量。脱硝效率计算方法如下：

(1)

式中：ηNOx-SCR为SCR烟气脱硝装置的脱硝效率，%；ρNOx-in、ρNOx-out分别为SCR反应器进、出口烟气中NOx浓度，mg/m3。

2.2.2NOx浓度计算

式(2)是将NOx中NO全部转化为NO2的计算方法，由于NOx是NO和NO2的混合物，国家环保标准可将NO全部转化为NO2来衡量NOx浓度。

(2)

式中：ρ′NOx为标准状态、干基下的NOx浓度，mg/m3；ρ′NO为标准状态、干基下的NO浓度，mg/m3；1.53为 NO2与NO摩尔质量之比；ρ′NO2为标准状态、干基下的NO2浓度，mg/m3。

式(3)是不同氧量之间的转化，由于氧量基准不一样，会导致浓度有差异，因此经过式(3)统一折算到O2的体积分数为6%下的NOx浓度

(3)

式中φ′(O2)为实际测量O2的体积分数，%。

3　试验结果分析与讨论

3.1喷氨均匀性调整试验

3.1.1预备性试验

预备性试验工况下2号机组SCR反应器的进出口NO浓度的测量结果及脱硝效率计算值见表1和表2。可以看出，反应器进口NO浓度分布比较均匀，A、B反应器相对标准偏差分别为9.64%、6.52%；A、B反应器出口NO浓度分布的标准偏差分别为14.46%、11.44%，均小于15%；A、B反应器出口NOx浓度分别为43mg/m3、92mg/m3，计算得到A、B反应器脱硝效率分别为89.1%、76.7%。正式性能考核试验前，需要对A、B反应器进口喷氨流量调节阀进行适当调整，保证反应器出口NOx浓度分布均匀，减少反应器出口氨逃逸量。

表1　A反应器进口和出口NO测量结果　mg/m3

注：进出口测点1—7为由浅到深，下同；进口NO平均浓度为193mg/m3，折算成NOx浓度为396mg/m3；出口NO平均浓度为21mg/m3，折算成NOx浓度为43mg/m3。

表2B反应器进口和出口NO测量结果mg/m3

位置反应器测点锅炉A侧→B侧测点的值1234567进口119419619518218919319221992051952021981931923194191189175200198189出口1753737263503134434584423943560512664343427453545

注：进口NO平均浓度为193mg/m3，折算成NOx浓度为396mg/m3；出口NO平均浓度为45mg/m3，折算成NOx浓度为92mg/m3。

3.1.2喷氨格栅调整试验

可通过调整A、B反应器进口喷氨流量调节阀来提高反应器出口NOx浓度分布均匀性。

a) 第一次调整后，现场A反应器喷氨支管流量调节阀(每侧10个手动阀)开度从喷氨母管侧到远离喷氨母管侧依次为：7格-7格-8格-8格-8格-10格(每个喷氨调节阀开度从0到10格，其中0格代表全关，10格代表全开)；B反应器喷氨支管流量调节阀(每侧10个手动阀)开度从喷氨母管侧到远离喷氨母管侧依次为：8格-8格-8格-9格-9格-10格；调整原则是近母管侧的喷氨手动阀开度最小，然后增大。现场测量了反应器出口NOx浓度的变化情况，表3、表4为第一次调整后结果。

表3第一次调整后，A反应器进出口NO测量结果mg/m3

位置反应器测点锅炉A侧→B侧测点的值123456进口119019421821803187189出口1202724173220443010153203426181245938273512224026161839342127202724173

注：进口NO平均浓度为187mg/m3，折算成NOx浓度为383mg/m3；出口NO平均浓度为21mg/m3，折算成NOx浓度为43mg/m3。

表4第一次调整后，B反应器进出口NO测量结果 mg/m3

位置反应器测点锅炉A侧→B侧测点的值123456进口117817521711773168177出口17256544538250464254443434441554045252394960558374061506505046654974547435921

由表3和表4可知：A、B反应器出口NOx浓度标准偏差分别为12.54%、9.37%；A、B反应器脱硝效率分别为88.5%、72.3%。由于A反应器出口NOx浓度标准偏差比较大，继续对A反应器喷氨格栅进行调整。第一次调整后A侧氨逃逸量为1.9μL/L，氨耗量为36.3kg/h，氨氮物质的量比为0.87；B侧氨逃逸量为1.6μL/L，氨耗量为37.5kg/h，氨氮物质的量比为0.85。

b) 第二次调整后，现场A反应器喷氨支管流量调节阀开度从喷氨母管侧到远离喷氨母管侧依次为：8格-8格-8格-9格-9格-10格；B反应器喷氨支管流量调节阀开度从喷氨母管侧到远离喷氨母管侧依次为：8格-8格-8格-9格-9格-10格；调整原则是近母管侧的喷氨手动阀开度最小，然后增大。

现场测量了A、B反应器出口NOx浓度的变化情况，表5、表6为第二次调整后结果，可以看出第二次调整后A、B反应器出口的NOx浓度标准偏差分别为2.6%、3.52%，反应器出口NOx浓度已经分布比较均匀。第二次调整后，A侧氨逃逸量为0.14μL/L，氨耗量为32.3kg/h，氨氮物质的量比为0.82；B侧氨逃逸量为0.15μL/L，氨耗量为33.2kg/h，氨氮物质的量比为0.81。

表5第二次调整后，A反应器出口NO测量结果 mg/m3

反应器出口测点锅炉A侧→B侧测点的值13515232612732234331532164237257

注：出口NO平均浓度为4mg/m3，折算成NOx浓度为8mg/m3。

表6第二次调整后，B反应器出口NO测量结果 mg/m3

反应器出口测点锅炉A侧→B侧测点的值135112212753371134468542262037923

注：出口NO平均浓度为5mg/m3，折算成NOx浓度为9mg/m3。

到此为止，反应器出口NOx浓度已经非常均匀，氨逃逸量已大大减少，反应器出口NOx浓度与烟囱出口处NOx浓度非常接近，喷氨格栅调整效果良好。

3.2正式考核试验

正式试验前，通过网格法测量进口NOx和O2发现，其浓度分布基本均匀，因此，正式试验时对反应器进口均采用代表点法测量，而出口仍采用网格法进行测量。A、B反应器的进出口NO和O2测量结果及分散控制系统(distributedcontrolsystem，DCS)显示值见表7。

表7A、B反应器进、出口NOx和O2测量结果及DCS显示值

位置实际测量及DCS显示内容反应器AB进口实测NOx平均浓度/(mg·m-3)383357实测O2平均体积分数/%3.13.0DCS显示NOx平均浓度/(mg·m-3)408372DCS显示O2平均体积分数/%2.83.1DCS与实测NOx平均浓度偏差/%2515出口实测NOx平均浓度/(mg·m-3)5054实测O2平均体积分数/%3.64.0实测脱硝效率/%86.984.8DCS显示NOx平均浓度/(mg·m-3)6560DCS显示O2平均体积分数/%3.13.5氨气调节阀开度/%67.769.9DCS显示脱硝效率/%84.183.8DCS与实测脱硝效率偏差/%-2.88-1.0

从表7可以看出，实测A、B反应器进口NOx浓度低于设计值(600mg/m3)，且低于DCS显示值，偏差分别为15mg/m3、6mg/m3；实测A反应器进口O2体积分数高于DCS显示值，相差为0.3%，实测A反应器出口O2体积分数高于DCS显示值，相差为0.5%；实测B反应器进口O2体积分数低于DCS显示值，相差为0.1%，实测B反应器出口O2体积分数高于DCS显示值，相差为0.5%；实测A、B反应器脱硝效率分别为86.9%、84.8%，高于脱硝性能保证值(大于83%)。现场试验得到A、B反应器出口氨逃逸量平均值分别为0.14μL/L、0.15μL/L，满足设计要求(小于3μL/L)。

3.3脱硝效率控制原则

现场脱硝系统运行中，脱硝效率的确定采用如下的原则：

a) 由于脱硝反应器出口与烟囱出口处NOx存在偏差，这个偏差主要原因是脱硝系统喷氨格栅均匀性没有调整好，目前火电厂脱硝系统出口NOx浓度测试仪表一般是在每个反应器中间位置安装，并不具有代表性，导致脱硝系统出口NOx与烟囱出口处NOx有较大偏差。如果烟囱出口处NOx比脱硝系统出口NOx浓度偏高，则是由于脱硝系统仪表测量值代表性不够，仪表显示的NOx浓度比反应器其他位置的NOx浓度低，需要进行均匀性调整，保证反应器出口NOx浓度基本均匀；如果烟囱出口处NOx比脱硝系统出口NOx浓度偏低，则是由于脱硝系统仪表测量值代表性不够，仪表显示的NOx浓度比反应器其他位置的NOx浓度高，需要进行均匀性调整，保证反应器出口NOx浓度基本均匀。因此首先要保证脱硝系统出口NOx浓度仪表测量值与烟囱出口处NOx浓度测量值基本接近。

b) 在脱硝系统均匀性较好的前提下，需要考虑满足国家NOx排放的环保标准，当排放的NOx浓度确定之后，根据脱硝反应器进口NOx浓度，确定脱硝效率设定值。比如反应器进口NOx浓度为300mg/m3,环保标准规定反应器出口NOx浓度不超过50mg/m3,则可根据式(1)确定脱硝效率设定值不能低于85%。

c) 在满足国家环保标准下，现场运行中保持脱硝效率为环保脱硝效率即可，不需要将脱硝效率设定过高，一方面脱硝效率设定过高，人为增加了脱硝成本，计算表明脱硝效率从71%增加到80%时，脱硝平均成本从1.21分/kWh增加到1.79分/kWh；另外一方面脱硝效率过高，增加氮逃逸量，容易引起空预器堵塞。因此在实际运行中，不应追求过高的脱硝效率。

4　结论

针对某电厂SCR脱硝系统出口NOx浓度严重分布不均的技术问题，进行了喷氨格栅优化调整研究。主要结论如下：

a) 脱硝系统自动控制以跟踪出口NOx浓度为依据，建议运行人员在脱硝系统满足环保投运要求的条件下，尽量根据进口NOx含量变化情况及时调整系统脱硝效率，减少出现过高脱硝效率的情况。否则投氨量过多，不但增加运行成本，同时容易造成氨逃逸增多，影响空气预热器的运行。

b) 由于现场SCR脱硝系统流场变化波动性比较大，即使进行了喷氨格栅调整试验，由于喷氨格栅喷嘴不能根据流场变化特点进行自动调整，因此要定期进行反应器出口NOx浓度测量，根据测量结果进行优化调整试验。

c) 喷氨格栅调整试验，对于降低氨逃逸，防止空气预热器积灰、堵塞等都有重要的作用，现场实际运行中，要加强对氨逃逸量的监视。

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李德波(1984 )，男，土家族，湖北宜昌人。高级工程师，工学博士，主要从事煤粉燃烧污染物控制，超超临界燃煤机组调试、试验、技术监督，煤粉燃烧高级数值模拟，大规模并行计算方法和程序开发等方面的研究工作。

廖永进(1971)，男，陕西西安人。教授级高级工程师，工学硕士，主要从事电厂脱硫、脱硝系统试验和技术监督工作。

曾庭华(1969)，男，浙江建德人。教授级高级工程师，工学博士，主要从事电厂脱硫、脱硝系统试验和技术监督工作。

(编辑王朋)

DiscussiononKeyProblemsinAdjustmentExperimentforAmmoniaInjectionGridofSCRDenitrationSystem

LIDebo,LIAOYongjin,ZENGTinghua,DENGJianhua,XUKai,LIFangyong

(ElectricPowerResearchInstituteofGuangdongPowerGridCo.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong510080,China)

InallusiontostatusquoofhighNOxemissionconcentrationofNo.2boilerinonepowerplant,transformationonselectivecatalyticreduction(SCR)denitrationsystemisconducted.DuetounevendistributionofNOxconcentrationattheoutletofreactorafterdenitrationtransformationwhichcausesvastammoniaescapeandlowdenitrationefficiency,adjustmentexperimentonammoniainjectiongridofthedenitrationsystemandperformanceevaluationafterthetransformationarebothcarriedout.Themainconclusionissummarizedasfollowsthattheadjustmentexperimentonammoniainjectiongridgetseffectanditisnecessarytoconductadjustmentexperimentonammoniainjectiongridregularlysoastopreventairpre-heaterblockedcausedforreasonofvastammoniaescapeattheoutlet.Inaddition,underthepremiseofsatisfyingrequirementforenvironmentprotection,itshouldnotpursuehigherdenitrationefficiencyandconsequentlyreducedenitrationcostandriskofcausingvastammoniaescape.

selectivecatalyticreduction(SCR);ammoniainjectiongrid;optimizationadjustment;ammoniaescape

2016-04-25

国家自然科学基金项目(51376161)

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.07.003

TM223

A

1007-290X(2016)07-0011-05