W型火焰锅炉脱硝NOX分布优化技术应用

方朝君，王丽朋，刘 鹏，梁俊杰，陈嵩涛，谢新华，韦振祖

(1.西安热工研究院有限公司苏州分公司，江苏 苏州 215153；2.华能国际电力股份有限公司，北京 100031)

0 引言

为达到《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》中提出的脱硝超低排放要求，即NOX浓度不大于50 mg/m3(6 % O2为基准)，燃煤电厂主要采用了进一步发掘低氮燃烧器潜力以降低炉膛出口NOX初始排放水平和进行选择性催化还原(SCR)法脱硝的提效措施，并增加备用层催化剂或采用催化剂再生的方法。超低排放运行条件下，备用层催化剂提高了烟气中的SO3浓度，一般设置的脱硝效率也较高，但氨逃逸量较大，尤其是在氨逃逸分布不均匀时极易与烟气中SO3结合形成硫酸氢铵，造成锅炉下游空预器、低温省煤器等设备的堵塞。这不但导致引风机电流增大、电耗上升，甚至造成引风机叶片表面硫酸盐沉积，影响风机的正常运行。

对此，不少研究者开展了氨喷射装置的改进研究，深入分析了影响氨与NOX混合过程、混合质量的各种因素，新型喷氨格栅得以不断涌现。某电厂对脱硝喷氨格栅进行了改造，将每根喷氨管的开孔数量约增至原来的2倍，同时增大边侧喷氨孔直径，热态下进行了喷氨优化调整，有效缓解了局部氨逃逸过高造成的空预器堵塞问题(见文献6)。张文杰等研究表明，脱硝反应器入口截面普遍存在NOX浓度分布不均匀现象，建议NOX浓度检测或烟气自动监控系统(CEMS)取样采用多点网格法，以提高数据的代表性和用于指导脱硝运行，但是未提出有效的改进NOX分布不均匀性的方法或措施(见文献7)。梁秀进等利用现场实测运行数据对某360 MW机组进行了喷氨优化和流场优化的数值模拟(见文献8)，结果表明:通过划分控制区域，按照各区域内氨氮比均衡原则，优化各支管喷氨量，可将各控制区氨氮比的标准偏差从约10 %降到1．5 % 以下。

对于超低排放改造后的锅炉，硫酸氢铵堵塞空预器等设备的问题变得越来越突出，不仅影响电厂的节能减排，而且给锅炉设备的安全运行留下隐患或者造成危害。超低排放对SCR脱硝入口和出口NOX分布均匀性均提出了更高的要求，有的锅炉仅进行喷氨优化调整或者喷氨格栅加密改造，这并不能满足安全运行需要。如何尽可能降低NOX分布不均匀性是脱硝流场优化升级改造的难点。

下面结合W型火焰锅炉脱硝运行实例，利用技术改造与喷氨优化调整相结合的方法，探讨同时提高SCR入口和出口NOX均匀分布的可行性，为锅炉脱硝超低排放改造和设备安全运行提供借鉴。

1 设备简介

某电厂1号机组额定容量为600 MW，配套亚临界压力、一次中间再热、下冲W型火焰炉膛锅炉，锅炉最大蒸发量2 026 t/h。设计煤种为无烟煤，掺烧贫煤。锅炉设有3层选择性非催化还原(SNCR)喷枪和2个SCR反应器。脱硝反应器采用高灰型方式，布置在省煤器与空预器之间，不设烟气旁路。反应器内的催化剂按“3+1”模式布置，单个反应器中每层模块数量为80个，初装3层，最下层为备用层，超低排放改造时给予了加装。脱硝还原剂采用液氨，自氨区供来的氨气与稀释风混合后，通过布置在SCR入口的喷氨格栅注入烟道内。喷氨格栅每根支管上均设置了手动调阀，具备沿横向和纵向分区调节喷氨量的功能。

SCR脱硝超低排放改造设计参数如表1所示。

表1 SCR脱硝设计烟气条件与性能

2 优化技术方案

脱硝反应器入口NOX和NH3混合的分布均匀性直接影响脱硝装置整体性能和下游设备的安全运行。对SCR入口NOX浓度在截面上分布偏差较大的问题，大体有2种解决思路。

(1) 直接通过物理性混合装置，即通过SCR脱硝大尺度烟气混合器，扭转NOX浓度的分布偏差。将烟道中部分高NOX浓度的烟气引流到低浓度区域，将部分低NOX浓度的烟气引流到高浓度区域，再辅以扰流混合器使NOX绝对浓度偏差降低，速度场也同步得到优化。缺点是需加装物理性强制混合装置，会增加一定的阻力。

(2) 对高NOX浓度区域多供氨，对低NOX浓度区域少供氨，即分区供氨控制，通过差异化供氨以匹配SCR入口NOX浓度较大的分布偏差。图1为2个供氨分区示意图，这与格栅喷嘴分区布置不同，可以在一定程度上避免单根供氨母管上不同支管“抢氨”现象;缺点是不能改变反应器入口速度场的分布，需对单根供氨母管进行分开，独立并列设计，以实现不同NOX浓度区域分别独立供氨。但分区不易过多，单侧反应器设置2—4个供氨分区为宜，避免增加机组运行人员控制脱硝的难度。

图1 分区供氨示意(左侧反应器)

为提高脱硝反应器出口NOX浓度分布的均匀性，此次改造采用喷氨优化技术。通过在热态下测量SCR反应器出口NOX和氨逃逸浓度分布，改变不同喷氨支管的氨分配量。依次按以下4步开展:试调喷氨阀→喷氨支管间粗调→深度方向细调→不同效率水平和负荷下的喷氨校核，其实质是借助易测的反应器出口NOX和氨浓度场的分布情况来调节各支管喷氨量，提高反应器第1层催化剂处氨氮分布的均匀性，从而减少局部喷氨不均匀对下游设备的危害。

测试数据的计算，依据GB 10184—2015《电站锅炉性能试验规程》和DL/T 260—2012《燃煤电厂烟气脱硝装置性能验收试验规范》执行。下文中的NOX，氨逃逸浓度均已按标准折算到 6 % O2条件下。

3 优化结果分析

3.1 脱硝入口NOX浓度分布优化结果分析

试验在SCR反应器入口和出口烟道均匀分布的16个法兰测孔(由A至B反应器方向依次编号为A1，A2，……，A8，B8，B7，……，B1)内进行烟气取样，每个测孔内烟气取样点深度分别为1 m，1．5 m，2．0 m，2．5 m 处 (依次编号为 P1，P2，P3，P4)，按网格法布点取样。

在600 MW负荷下，烟气混合改造前的SCR入口NOX浓度及其分布如图2所示，靠近锅炉中心线区域的SCR入口NOX浓度高，远离锅炉中心线区域的NOX浓度低，A，B侧反应器NOX浓度最大绝对偏差分别高达431 mg/m3，412 mg/m3，相对标准偏差 (RSD)分别为 18．5 %，22．2 %。对于这样的NOX浓度绝对偏差，仅调整喷氨优化是难以使NOX与氨浓度分布均匀的。对此进行了烟气混合技术改造，增设SCR脱硝大尺度烟气混合器，辅之扰流器、流场校核与导流板优化，以提高SCR入口NOX分布的均匀性。

图2 改造前SCR反应器入口NOX浓度分布

改造后的SCR入口NOX浓度分布如图3所示。单侧反应器SCR入口NOX浓度分布几何外形有了一定的改观，NOX浓度分布偏差得到显著改善。A，B侧反应器NOX浓度的最大绝对偏差分别降至 164 mg/m3，115 mg/m3，RSD 分别降至 8．6 %，4．9 %。大尺度烟气混合器的直接混合作用为后续喷氨优化调整工作创造了良好的烟气条件。

图3 改造后SCR反应器入口NOX浓度分布

应当说明的是:由于锅炉为燃烧无烟煤的W型锅炉，炉内燃烧区域温度较高，容易造成大量NOX产生，有时甚至超过了超低排放设计基准值，以致锅炉运行人员为了NOX排放达标，不得不过量供氨，使SCR脱硝装置超设计效率运行，氨逃逸浓度会增到5 µL/L以上，甚至更高。这不但造成了二次氨污染，同时给下游设备运行带来了较大负面影响。

3.2 脱硝出口NOX浓度分布优化结果分析

经过脱硝入口烟气混合器改造后，在600 MW机组负荷下，未经喷氨优化调整的反应器出口NOX浓度分布如图4所示。2个反应器出口NOX浓度分布均匀性较差，A侧反应器出口截面NOX浓度最高为35 mg/m3，最低为8 mg/m3，RSD为39．5 %;B侧反应器出口截面NOX浓度最高为85 mg/m3， 最 低 为 11 mg/m3，RSD 为 71．9 %。根据机组实际负荷情况，喷氨优化试验首先在600 MW负荷下进行摸底测试，然后根据摸底情况进行优化调整，并对脱硝效率及氨逃逸进行测试。

图4 喷氨优化前SCR反应器出口NOX浓度分布

经过5轮喷氨优化调整后，2个反应器出口NOX浓度分布均匀性得到了改善。A侧反应器出口截面NOX浓度最高为45 mg/m3，最低为16 mg/m3，RSD为29．1 %;B侧反应器出口截面NOX浓度最高为46 mg/m3，最低为16 mg/m3，RSD 为 31．0 %(见图 5)。

图5 喷氨优化后SCR反应器出口NOX浓度分布

对氨逃逸取样分析，发现2个反应器出口氨逃逸浓度亦呈现明显分布不均现象，在加装烟气混合器后未进行喷氨优化之前，A，B侧反应器出口平均氨逃逸浓度分别为 38．8 µL/L，33．5 µL/L，局部氨逃逸浓度峰值分别为 62．2 µL/L，59．6 µL/L。经过喷氨优化调整后，A，B侧反应器出口平均氨逃逸浓度分别下降至 3．5 µL/L，4．1 µL/L，局部氨逃逸浓度峰值分别下降至 6．1 µL/L，5．9 µL/L。可见，喷氨优化调整可以使各支管喷氨量趋于合理，改善烟气中NOX与氨分布均匀性，有效降低局部较高的氨逃逸浓度。

3.3 NOX浓度分布均匀性对测量的影响

大多数电厂锅炉脱硝入口、出口及烟囱处的NOX在线检测仪表皆采用有限数量取样点(一般为1—3个)。SCR出口NOX浓度和氨逃逸浓度的分布均匀性直接影响在线仪表取样的代表性和对脱硝效率的运行控制，进而影响NOX的达标排放。为此，有的锅炉SCR出口采用了多点网格法在线取样装置系统，其取样点布置全面、具有代表性，脱硝反应器出口与烟囱处的NOX在线仪表显示值基本一致。然而该电厂此处的仪表显示值却掩盖了NOX和氨分布严重不均匀的问题，导致该锅炉启动运行了仅半个月，就发生了严重的空气预热器堵塞现象。

在对NOX浓度分布均匀性进行优化的过程中，不能忽略脱硝入口速度场分布均匀性（以上层为主）的影响。获取速度场的直接方法是在机组启动前，风机运转、锅炉冷态通风条件下，采用网格法对第1层催化剂入口烟道截面进行风速测试，或者是间接观察脱硝相关烟道内部具体结构状况、SCR催化剂的积灰和磨损情况，定性判断脱硝速度场是否满足运行要求。

4 结束语

对该台W型火焰锅炉(600 MW机组)的脱硝装置系统进行了优化升级改造，利用SCR脱硝大尺度烟气混合技术和喷氨优化技术，合理调整SCR入口NOX浓度分布和优化匹配各喷氨支管的供氨量，同时提高了SCR入口和出口NOX浓度分布的均匀性，降低了NOX分布相对标准偏差，为锅炉安全稳定地实现脱硝超低排放、预防和减轻空预器的铵盐堵塞风险创造了良好条件，为同类锅炉脱硝设备的运行优化与升级改造提供了参考。