锅炉脱硝喷氨系统均匀性优化研究与应用

董志强

(山西临汾热电有限公司，临汾 041000)

0 引 言

随着我国对环境保护政策要求的逐年提高，火电机组排放烟气中的NOx已纳入严格监管，因此，如何开发出高效的、可靠的、经济的烟气脱硝技术已迫在眉睫。选择性催化还原法(SCR)的烟气脱硝技术因其具有很高的脱硝率(可达90%以上)、技术可靠、结构简单等优点已成为燃煤电站锅炉控制NOx排放的主要选择。但由于SCR常用还原剂为NH3，导致SCR脱硝设备出口不可避免存在未反应的氨，称之为氨逃逸。逃逸的氨在尾部烟道中与三氧化硫反应生成粘结性的硫酸铵/硫酸氢铵，易造成空预器以及尾部烟道腐蚀及积灰堵塞。氨利用率的不均匀性是导致氨逃逸率偏大的重要因素，不均匀性的形成因素包括喷氨口喷氨不均匀、流场流动不均匀、催化剂催化效果不均匀等。

1 设备概况

某300 MW机组锅炉型号为DG1060/17.4-Ⅱ4，是由东方锅炉股份有限公司制造的亚临界自然循环汽包炉、单炉膛、∏型布置、一次中间再热、平衡通风、固态排渣、全钢架悬吊结构、炉顶带金属防雨罩。脱硝装置与主机同步设计、同步施工完成，采用选择性催化还原法(SCR)脱硝装置，每台炉安装有两台SCR反应器，左右两侧结构完全一致。单侧烟气流量Q=520 766.5 Nm3/h；烟气温度t=374 ℃。单侧喷氨量为73.8 m3/h，稀释风量1 402.2 m3/h，温度20 ℃。高温烟气离开省煤器后，沿烟道向下进入脱硝系统，经过90°转向进入水平段，水平烟道布置斜置的大小口。烟气经斜置大小口后，接90°转向段，进入竖直向上的烟道，在竖直段烟道上部布置喷氨格栅，混合定量的氨气后，烟气经两个转向段和整流格栅段，进入催化剂段发生脱硝反应，脱硝后的净烟气进入锅炉空气预热器。

2 现存问题分析及解决方案

1#炉存在喷氨量大，氨逃逸大造成空预器阻塞导致运行阻力大，SCR出口几个测点氮氧化物浓度不一致，脱硝出口NOx值与烟囱入口NOx值不对应，变负荷时烟囱入口NOx值响应慢导致喷氨无法投自动等问题。解决上述问题分三步进行：(1)通过模拟SCR烟气流场，对现有烟道结构内烟气流场分布进行分析，设计喷氨管道等压优化方案和喷氨格栅后加装氨-烟扰流混态发生器解决喷氨不均匀以及氨与烟气混合不均匀的问题；(2)在SCR出口网格法布置多点采样，通过试验分析，最终确定具有代表性的测点；(3)进行喷氨优化调整试验，选取具有代表性的测点，使得脱硝出口NOx值与烟囱入口NOx值接近，使用脱硝出口NOx值来控制喷氨，烟囱入口NOx值作为调节限值。

3 研究与革新内容及创新点

3.1 喷氨管道优化

SCR喷氨管道长度较长，一般设计为通长等直径，每经过一根喷氨直管其管道内的流量都会减少，这样就造成了喷氨管道在每个支管处的压力不一致，导致喷氨支管的流速不一致，从而使得喷氨格栅截面氨气分布不均。同时，我们注意到喷氨管道管径仅为270 mm。喷氨管径太小不仅会造成流通阻力大，而且会进一步增加喷氨管道内各分支管段压力的衰减，导致喷氨支管内流量不均匀。对喷氨管道采用等压力设计，使得喷氨管道长度方向各处的流速基本一致，保证喷氨支管的流速基本一致，进而使得喷氨格栅截面氨气分布均匀。改造方案如图1所示。

图1 改造方案示意图

3.2 喷氨后加装氨-烟扰流混态发生器

现有国内SCR脱硝设备烟道进口的烟气速度场及成分浓度场分布是不均匀的，一般采用在AIG(喷氨格栅)前面加装导流板来消除烟气的速度偏差，但烟气成分的浓度偏差(主要指NH3与NOX混合不均匀)难以用该设备消除，因此AIG到催化剂之间的烟道长度必须足够长，才能保证足够的烟气扩散、稀释和混合时间。然而现有系统的烟道都较短，无法使NH3与NOX充分混合，使进入催化剂的NH3/NOX(物质的量比)均匀性不尽如人意。因此提出了在AIG后面加装氨-烟扰流混态发生器，用以改善SCR反应器入口处的烟气速度分布及NH3/NOX分布的均匀性。改造方案如图2所示。

3.3 全截面均布式取样系统

SCR出口烟气取样装置，采用网格法在多点分别取样，用以分析SCR出口截面不同区域的NOx和NH3浓度分布情况，通过喷氨优化调整试验确定具有代表性的测点，使脱硝出口NOx值与烟囱入口NOx值接近一致。

3.4 喷氨优化实验

SCR流场优化可以达到脱硝出口NOx浓度场分布基本均匀，脱硝出口氨逃逸达标，进而解决空预器因氨逃逸大而堵塞的目的。通过喷氨优化调整试验，使得SCR出口各测点NOx值区域均匀，并选取具有代表性的测点使得脱硝出口NOx值与烟囱入口NOx值接近一致，使用脱硝出口NOx值来控制喷氨，烟囱入口NOx值作为调节限值。

图2 改造方案示意图

(1)通过模拟SCR烟气流场，对现有烟道结构内烟气流场分布进行分析，设计喷氨管道等压优化方案和喷氨格栅后加装氨-烟扰流混态发生器解决喷氨不均匀以及氨与烟气混合不均匀的问题；

优化后SCR出口各测点NOx的均匀性增强，便于进行喷氨优化实验调整。

(2)在SCR出口安装全截面均布式取样系统，通过试验分析，对SCR出口氨逃逸进行精准测量，并最终确定具有代表性的NOx测点，并可指导喷氨投运；

(3)进行喷氨优化调整试验，选取具有代表性的测点，使得脱硝出口NOx值与烟囱入口NOx值接近，优化喷氨控制，使用脱硝出口NOx值来控制喷氨，烟囱入口NOx值作为调节限值。

改造后解决喷氨不均匀以及氨与烟气混合不均匀的问题，改造后喷氨区域流场分布均匀，氨与烟气混合均匀；改造后脱硝出口氮氧化物浓度标准偏差明显降低，降低氨逃逸率。

4 结束语

#1炉脱硝喷氨系统均匀性优化综合改造前后各项统计数据分析，#1机组脱硝喷氨优化改造后，机组喷氨量至少下降10%，喷氨量减少，反应效率增加，可以使NH3逃逸降低，进而空预器、布袋除尘器因硫酸氢铵堵塞的问题明显缓解。

通过脱硝系统优化均匀性优化改造，按照#1炉日喷氨量下降238 m3，年运行时间7 200 h，氨的价格3 500元/t计算，每年可节约费用18万元。且改造后可缓解空预器堵塞的问题，提高机组接带负荷能力，具有较大的经济效益。在国内同类供热机组具有良好的示范效应及推广前景。