350 MW燃煤机组SCR脱硝系统流场分布试验及性能优化调整

刘 刚，徐 龑，黄中柏，罗俊俊

（1.国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077；2.湖北方源东力电力科学研究有限公司，湖北 武汉 430077）

0 引言

随着国家对大气污染物排放控制要求的提高，新的《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)于2012年1月1日正式实施。新排放标准对烟尘、二氧化硫、氮氧化排放控制要求都有了很大的提高，新标准中规定新建火力发电厂烟尘颗粒物≤20 mg/m3，SO2≤100 mg/m3，NOx≤100 mg/m3。2014年9月，国家发改委、环保部、国家能源局联合印发《煤电节能减排升级与改造行动计划》。《计划》要求新建机组应同步建设先进高效脱硫、脱硝和除尘设施，东部地区新建机组基本达到燃机排放限值，中部地区原则上接近或达到燃机排放限值，鼓励西部地区接近或达到燃机排放限值。同时，稳步推进东部地区现役燃煤发电机组实施大气污染物排放浓度基本达到燃机排放限值的环保改造（即在基准氧含量6%条件下，烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放浓度分别不高于10、35、50 mg/m3）。国内燃煤发电锅炉近几年广泛开展超净排放改造，以满足日益严格的环保排放要求。

超净排放改造后，部分已投运的锅炉出现了SCR脱硝系统喷氨流量分配不均、氨逃逸偏高、空预器硫酸氢铵堵塞等影响机组安全运行的问题。本文通过某350 MW燃煤机组热态工况下的脱硝系统流场分布试验及性能优化调整，以提高脱硝入口NH3/NOx摩尔比反应均匀性，降低氨逃逸，从而提高脱硝装置运行可靠性和经济性，并缓解逃逸氨对后续空预器的不利影响。

1 设备概况

锅炉为哈尔滨锅炉厂有限责任公司自主开发、设计、制造的HG-1136/25.4-YM1型超临界锅炉，螺旋管圈、前后墙对冲旋流燃烧器、一次中间再热、单炉膛平衡通风、固态排渣、全钢构架的本生直流炉。脱硝装置采用选择性催化还原法（SCR）脱硝技术,还原剂为液氨。每台机组装设2台脱硝反应器，布置在省煤器之后、空预器之前的空间内（炉后）。脱硝反应器采用蜂窝式催化剂，2层运行1层备用，每个反应器每层布置模块数为5×9块。每个反应器的入口烟道均布置有一组喷氨栅格，每组喷氨栅格由40根喷管组成（其中20个长喷管、20个短喷管），喷管规格Φ60×4。每根喷管上装有8个喷嘴，左右各4个，成90°夹角，喷嘴规格Φ38×5。

为了保证反应器上部烟气能够均匀地通过催化剂，以保证脱硝效率和氨逃逸率，在催化剂上部设有导流板及整流装置。脱硝装置入口采用垂直长烟道布置，喷氨栅格布置在入口垂直烟道内。

SCR脱硝系统的主要设计参数如表1所示。2016年机组大修期间，锅炉脱硝系统加装了备用层催化剂以满足超净排放的环保要求。

表1 脱硝系统设计参数Tab.1 Design value of SCR denitrification system

2 脱硝系统流场分布试验

脱硝系统性能优化调整之前，先进行流场分布试验以了解脱硝反应器进出口主要参数分布情况，试验选取在额定负荷350 MW工况下进行。在每侧脱硝反应器的进、出口布置均等分布10个测孔，试验期间每个测孔取3个测点，采用等截面网格法（10×3）测量反应器进出口截面的烟气速度和烟气组分（主要是NOx及O2）流场分布情况。流场分布不均匀度Vk由下列公式定义，

式中：Vk为流场参数分布场的不均匀度（%）；σ为流场参数分布场的标准差；xˉ为流场参数分布场的平均值；i=1,2,3,...,n为网格法测量的试验测点编号。

SCR反应器出口NOx场分布不均匀度Vk可以用来反映SCR反应器内NH3/NOx摩尔比反应的均匀性，减小NOx场Vk值有利于降低氨逃逸，优化调整的目标是将脱硝反应器出口NOx场分布不均匀度Vk降低到20%以下。

2.1 速度场分布

SCR反应器入口烟气流速分布见图1，A侧烟气流速均值为19.81 m/s，A侧最低烟气流速为12.60 m/s（第1孔最深点），A侧最高烟气流速为24.75 m/s（第10孔最深点），A侧流速分布场不均匀度为17.1%，A侧烟气流速分布呈固定端向扩建端逐渐升高趋势；B侧烟气流速均值为20.27 m/s，B侧最低烟气流速为16.60 m/s（第10孔最深点），B侧最高烟气流速为25.91 m/s（第2孔最深点），B侧流速分布场不均匀度为12.3%，B侧烟气流速分布呈固定端向扩建端逐渐降低趋势。从整台锅炉SCR反应器入口烟道观察，A、B侧烟气流速场的分布规律呈内侧高，外侧低的特点。

A侧喷氨格栅入口烟速的不均匀系数略高于15%的设计要求[1]。这主要是受现场烟道安装条件限制，喷氨格栅前的烟道转向致使气流分布不均，导致产生较大的烟速不均匀性。因此，在设计SCR脱硝系统时，需利用CFD软件对烟气速度场进行模拟，以确定喷氨格栅后导流叶片的类型、数量和位置，使SCR脱硝系统入口烟气流速均匀，从而为脱硝系统高效运行提供基础[2]。

SCR反应器出口烟气流速分布见图2，A侧出口烟气流速均值为9.90 m/s，A侧流速分布场不均匀度为11.3%；B侧出口烟气流速均值为9.53 m/s，B侧流速分布场不均匀度为9.8%。经过SCR反应器后，两侧烟气流速不均匀度均有所改善。

图1 SCR反应器入口烟气流速分布场Fig.1 Distribution field of gas flow velocity at the inlet of SCR reactor

图2 SCR反应器出口烟气流速分布场Fig.2 Distribution field of gas flow velocity at the outlet of SCR reactor

2.2 烟气NOx场分布

烟气NOx场分布试验在350 MW额定负荷进行，试验期间根据运行习惯设定SCR反应器出口NOx浓度为25 mg/m3，同步测量反应器进口和出口截面的O2、NOx浓度分布和出口氨逃逸浓度。优化调整前A、B侧SCR反应器出口烟气NOx的浓度（折算到标准状态、干基、6%O2工况）分布场见图3。A侧SCR反应器出口烟气NOx浓度均值为26.79 mg/m3，最高值为49.5 mg/m3（第9孔最浅点），最低值为15.80 mg/m3（第1孔中间点），不均匀度为32.0%；B侧SCR反应器出口烟气NOx浓度均值为23.99 mg/m3，最高值为52.8 mg/m3（第1孔中间点），最低值为9.5 mg/m3（第9孔最深点），不均匀度为46.7%。

NOx浓度场分布与速度场相似，分布规律呈内侧高、外侧低的特点。

图3 SCR反应器出口NOx浓度分布场（调整前）Fig.3 NOxconcentration distribution field at the outlet of SCR reactor(before adjustment)

3 性能优化调整试验

在了解SCR反应器进出口主要参数流场分布规律的基础上，通过实时测量SCR反应器出口烟气氨逃逸浓度分布情况，从而针对性的对喷氨格栅各支管手动调节阀进行粗调整；然后再测量SCR反应器出口NOx浓度分布场，对偏差过大的区域再进行细调整。通过性能优化调整试验优化调整烟道流场的氨氮摩尔比，将SCR反应器出口NOx分布场不均匀度降低到20%以下，达到降低氨逃逸的目的。氨逃逸浓度检测选取沿烟道截面均等分布5个测孔进行，检测仪器采用基于可调式二极管激光吸收光谱气体检测技术的激光光谱氨逃逸分析仪，其优点在于可以实时在线测量烟气中的氨浓度。

调整前SCR反应器出口烟气氨逃逸浓度分布见图4，A侧SCR反应器出口氨逃逸浓度均值为3.90 ppm，最高值为5.9 ppm（第1孔），最低值为2.1 ppm（第5孔）；B侧SCR反应器出口氨逃逸浓度均值为4.78 ppm，最高值为7.7 ppm（第5孔），最低值为2.0 ppm（第2孔）。氨逃逸浓度分布与NOx浓度场分布相反，分布规律呈内侧低，外侧高的特点。针对氨逃逸偏高的区域，适当关小对应区域的喷氨格栅手动调节阀，反之亦然。调整之后，再全面测量SCR反应器出口NOx浓度场，若有区域不均匀度仍偏大，则在进一步调整对应的喷氨调节阀。通过逐步优化调整，两侧SCR反应器出口NOx浓度场不均匀度明显改善，其中A侧从32%降至14%，B侧从46.7%降至18.2%，均将不均匀度控制在20%以下。相应的两侧氨逃逸浓度也得到了降低，其中A从3.9 ppm降至2.32 ppm，B侧从4.78 ppm降至2.76 ppm，均将氨逃逸浓度降至3 ppm的设计值之内。优化调整前后，SCR反应器出口烟气氨逃逸浓度分布对比见图4；调整后SCR反应器出口NOx浓度分布场见图5。

图4 SCR反应器出口烟气氨逃逸浓度分布场Fig.4 The distribution field of ammonia escape concentration atthe outlet of SCR reactor

图5 SCR反应器出口NOx浓度分布场（调整后）Fig.5 NOxconcentration distribution field at the outlet of SCR reactor(after adjustment)

优化调整试验前后，脱硝系统主要性能指标对比见表2。经过优化调整试验，SCR反应器出口NOx浓度不均匀度明显改善，氨逃逸浓度得以降低，氨耗量也有所下降。

表2 脱硝系统性能指标Tab.2 Performance index of denitrification system

4 结语

流场分布试验有助于了解SCR反应器区域速度和烟气成分等运行参数分布情况，可为优化调整试验提供基础数据。性能优化调整可改善SCR反应器出口NOx浓度不均匀度，降低氨逃逸浓度，减少氨耗量，从而提高脱硝装置运行可靠性和经济性，降低对后续空预器的不利影响。同时，以下结论可为脱硝系统优化调整提供一定的参考。

（1）从锅炉SCR反应器入口烟道观察，A、B侧烟气流速场的分布规律呈内侧高，外侧低的特点。

（2）SCR反应器出口NOx场分布不均匀度可以用来反映脱硝反应器内NH3/NOx摩尔比反应的均匀性，减小NOx场分布不均匀度有利于降低氨逃逸。

（3）采用激光光谱氨逃逸分析仪实时测量脱硝反应器出口烟气氨逃逸浓度分布情况，从而针对性的对喷氨格栅各支管手动调节阀进行粗调整；然后再测量脱硝反应器出口NOx浓度分布场，对偏差过大的区域再进行细调整，这样可以提高脱硝优化调整试验的工作效率。

（References）

[1]张波,张伟,牛国平.300 MW机组锅炉SCR装置流场研究[J].热力发电,2012,41(7):22-24.ZHANG Bo,ZHANG Wei,NIU Guoping.Study on flow field of the SCR equipment for a 300 MW unit boiler[J].Thermal Power Generation,2012,41(7):22-24.

[2]周新刚，林晓，赵晴川，等.某电厂300 MW燃煤机组SCR喷氨优化调整试验研究[J].电站系统工程，2016,32(2)：43-46.ZHOU Xingang,LIN Xiao,ZHAO Qingchuan,et al.Optimal experiment of selective catalytic reduction in 300 MW coal-fired units.[J].Power System Engi⁃neering，2016,32(2)：43-46.