350 MW超临界机组SCR脱硝系统运行状况分析

孟永杰， 吕为智， 张 涛， 周文台， 何 翔

(上海发电设备成套设计研究院有限责任公司， 上海 200240)

NOx是燃煤电厂排放的主要污染物之一[1]，过多的NOx排放到大气中，不但对人体健康造成重大危害[2-3]，而且会导致酸雨、光化学烟雾及雾霾[4-6]。为了控制NOx的排放，在2003年我国颁布了GB 13223—2003 《火电厂大气污染物排放标准》，对NOx排放限值作了严格规定。为了进一步控制燃煤电厂污染物排放、降低环境污染，国家发改委、能源局和环保部联合发布了《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014—2020)》[7]，促使国内燃煤电厂进行脱硫、脱硝、除尘等方面的超低排放改造，要求NOx排放质量浓度低于50 mg/m3。

为了应对更为严格的环保排放要求，降低NOx的排放，燃煤机组一般配备有选择性催化还原(SCR)脱硝系统。SCR脱硝系统具有效率高、氨逃逸体积分数低、运行稳定、便于维护等优点，逐渐成为大型火力发电机组的主流脱硝技术。目前，针对SCR脱硝装置的性能考核试验主要集中在各性能保证值是否符合设计值的要求等方面[8-10]，对于脱硝系统的运行状况分析等方面的研究较少。笔者以某350 MW超临界机组SCR性能考核试验为例，从反应器流场分布均匀性、喷氨均匀性、氨逃逸体积分数控制等方面评估机组的运行状态，并为后续的运行调试及超低排放改造提供相应的技术指导。

1 性能试验结果

表1为SCR脱硝装置性能考核测试结果，所示结果为多次测量后A侧和B侧两个反应器的平均值。从表1中可以看出：在不同负荷下，SCR脱硝装置的脱硝效率、SO2转化为SO3的转化率、系统压降及温降、喷氨量等均符合性能保证值的要求；而氨逃逸体积分数严重超标，明显超出设计保证值3×10-6的要求；试验过程中还发现，脱硝系统A侧和B侧的运行状况存在较大差异。

表1 SCR脱硝系统性能测试结果

2 运行状态分析

为研究SCR脱硝系统的流场均匀性和喷氨均匀性，引入不均匀系数σ进行定量分析[11]。σ可以反应被考察对象的数据离散程度。

(1)

2.1 流场分布

反应器内流场分布的均匀性是影响脱硝性能的关键因素。流场分布均匀性高，可明显减少反应器内的高速区和低速区，使还原剂与NOx充分混合，提高NOx的脱除效率。流场分布不均会造成局部流速过大，导致烟气中的灰颗粒加剧对催化剂的冲刷磨损；流场分布不均还会造成烟气中的NOx质量浓度分布不均，使有的区域NOx质量浓度过大，超过催化剂的催化还原能力，导致脱硝效率不高，运行过程中运行人员会根据脱硝效率增加氨的喷入量，这样不但增加氨耗量，而且容易造成SCR反应器出口的氨逃逸体积分数超标，长时间运行逃逸的氨与SO2反应产生的硫酸氢铵会对空气预热器等下游设备产生腐蚀和堵塞[12]。

图1和图2为SCR脱硝系统A侧、B侧反应器出口断面流速分布。从图1、图2中可以看出反应器出口断面各通道流速偏差较大。A侧反应器在5通道1 m处的烟气流速最大，为13.9 m/s，在2通道1 m处的烟气流速最小，为8.5 m/s，经计算A侧反应器流场的不均匀系数为12.45%；B侧反应器在5通道 2m位置处的烟气流速最大，为10.2 m/s，在3通道1 m位置处的烟气流速最小，为7.02 m/s，B侧反应器的不均匀系数高达24.79%。SCR脱硝系统的不均匀系数为18.6%，流场分布均匀性较差。

图1 A侧反应器断面流速分布

图2 B侧反应器断面流速分布

根据姜晓明等[11]的研究，流场不均匀系数随整流格栅倾斜角的增大呈现先降后升的趋势，一方面是由于整流格栅的加入能够改善脱硝反应器内流场的均匀性，另一方面随着整流格栅倾角的不断增加，流线不断偏斜，流场开始变得紊乱且不均匀趋势不断增加。因此，脱硝系统在运行过程中应适当调整整流装置的状态，降低流场的不均匀系数，保证反应器内的烟气流场分布均匀，增加NH3和NOx的混合程度，提高系统脱硝效率。

2.2 喷氨分布

喷氨均匀性是脱硝装置运行过程中控制的难点和重点，SCR脱硝系统中喷氨量是否均匀可以通过脱硝出口烟道断面的NOx质量浓度分布来判断。图3和图4为SCR脱硝系统A侧、B侧反应器出口烟道的NOx质量浓度分布。从图3、图4中可以看出，该脱硝系统A侧、B侧两个反应器的喷氨量极不均匀。A侧反应器出口NOx的最高质量浓度在5通道1 m处，为111.36 mg/m3，最低质量浓度在1通道3 m处，为1.66 mg/m3；且5通道1 m处的NOx排放质量浓度已经超过了SCR脱硝系统性能保证值的要求，经过计算A侧反应器的喷氨不均匀系数为88.9%。B侧反应器出口NOx的最高质量浓度在3通道3 m处，达到21.61 mg/m3，最低质量浓度在1通道3m处，为1.66 mg/m3，B侧反应器的不均匀系数高达126.2%，严重超过系统性能保证值，给系统运行带来极大危害。喷氨均匀性差还导致NH3与NOx不能充分混合，影响系统的脱硝效率，降低系统运行的经济性。

图3 A侧反应器出口烟道的NOx质量浓度分布

图4 B侧反应器出口烟道的NOx质量浓度分布

一般造成喷氨均匀性差的原因主要有：喷氨格栅(AIG)喷氨均匀但烟气流场不均匀，或者烟气流场均匀但AIG喷氨不均匀[13]。从性能测试的结果可以看出：反应器中喷氨均匀性差是喷氨和流场不均匀两方面造成的，应根据分析结果进行喷氨优化调整，并辅以流场优化。调节喷氨量调节阀门，调整各路进氨支管的调节阀开度，动态调整反应器内不同区域的喷氨量，使得还原剂与NOx充分混合，提高脱硝效率进而提高系统运行经济性。

2.3 氨逃逸分布

脱硝反应是可逆反应，NH3与NOx不能完全反应，会有少量的NH3不参与反应，连同烟气一起从反应器内逃逸出来，因此氨逃逸体积分数就是未参与脱硝反应的NH3的体积与烟气体积(标准状态、干基、6%O2体积分数)之比。图5和图6为SCR反应器出口检测到的氨逃逸体积分数。

图5 SCR反应器A侧出口氨逃逸体积分数

图6 SCR反应器B侧出口氨逃逸体积分数

从图5、图6中可以看出，A侧、B侧两个反应器出口的氨逃逸体积分数均超出设计保证值3×10-6的要求。A侧反应器的氨逃逸体积分数最高值在1通道处，为7.13×10-6，氨逃逸体积分数最低值在3通道处，为3.40×10-6；B侧反应器的最高氨逃逸体积分数在5通道处，高达6.244×10-5，严重超过脱硝系统性能保证值限定的要求，最低氨逃逸体积分数在1通道处，为4.65×10-6。由于两侧反应器出口的氨逃逸体积分数均超过性能保证值，说明系统喷氨过量，这一点也可以从性能考核试验中喷氨均匀性的结果看出；另一方面，B侧反应器的氨逃逸体积分数高于A侧反应器的氨逃逸体积分数，说明B侧反应器的喷氨量大于A侧，因此B侧反应器出口的NOx较低，这与喷氨均匀性的分析结果一致。

造成氨逃逸体积分数超标的主要原因有：烟气流场和喷氨均匀性较差；喷氨量随负荷变化响应较差；催化剂积灰堵塞、中毒失活等降低了催化剂的有效反应面积[14]。由于脱硝装置刚投运不久，催化剂堵塞、中毒失活的可能性较小，可以推断脱硝系统氨逃逸体积分数超标归因于烟气流场和喷氨均匀性较差及喷氨量随负荷变化响应较差，应对脱硝系统进行流场和喷氨均匀性优化，并对喷氨量响应控制系统进行改造，使脱硝系统的氨逃逸体积分数在性能保证值范围内。

3 结语

针对该350 MW机组SCR脱硝系统进行了性能考核试验，同时对脱硝系统的运行状况进行了分析，主要结论如下：

(1) 在不同负荷下，SCR脱硝装置的脱硝效率、SO2转化为SO3的转化率、系统压降及温降、喷氨量等均符合性能保证值的要求；然而氨逃逸体积分数严重超标，明显超出设计保证值3×10-6的要求。

(2) 脱硝反应器内烟气流场分布极不均匀，A侧反应器的断面流速不均匀系数为12.45%，B侧反应器断面流速不均匀系数为24.79%，反应器内存在明显的高速区和低速区。

(3) 脱硝系统的喷氨均匀性较差，A侧反应器NOx质量浓度的不均匀系数为88.9%，B侧反应器NOx质量浓度的不均匀系数高达126.2%，超过性能保证值限定的要求。

(4) 脱硝系统喷氨过量，B侧反应器的喷氨量大于A侧。

(5) 针对脱硝系统运行中存在的问题，建议对脱硝系统进行流场优化及喷氨均匀性优化，同时对喷氨量控制系统进行调整，控制脱硝装置出口的氨逃逸体积分数，提高系统运行的经济性和稳定性。