氮氧化物减排治理改造工程的分析

2013-08-31沈保中

电力与能源 2013年3期

沈保中

（华能上海石洞口第二电厂，上海 200942）

0 引言

为了应对“十二五”国家环保部对火电行业的氮氧化物减排要求，为了执行即将发布的新版《火电厂大气污染物排放标准》，目前绝大部分燃煤电厂均在加大力度，进行氮氧化物减排治理的改造工作。由于是在老机组上实施改造，受老设备原设计的约束和现场条件限制，会出现各种各样的问题，通过梳理2台600MW超临界机组氮氧化物减排治理过程中遇到的问题和总结经验，提供给需要改造的电厂作为参考。

1 配套低氮燃烧系统改造的必要性

被改造的2台600MW超临界机组的锅炉，绝大部分设计时没有采用低氮燃烧系统或采用较早的低氮燃烧技术，锅炉日常运行时氮氧化物的排放浓度较高，平均浓度超过650mg／m3。如果在改造中不进行配套低氮燃烧系统的改造，直接采用选择性催化（SCR）脱硝系统，氮氧化物的排放浓度要达到新排放标准要求的100mg／m3以下，就需要达到85%以上的脱硝效率；在催化剂的配置上需要增加催化剂的体积和高度，造成投资增加、运行时的压差增加，引起厂用电增加、还原剂的消耗量增加。如果在改造时同时配套进行低氮燃烧系统的改造，通过改造将氮氧化物的排放浓度下降到350mg／m3左右后再采用SCR脱硝系统，脱硝效率只要达到75%左右就可满足氮氧化物排放浓度小于100mg／m3的新排放标准要求。此时催化剂配置的体积和高度会明显减少，相应的投资、运行成本也会明显下降。

以1台600MW超临界机组为例，如果每层催化剂的高度从1.3m下降到0.95m左右，那么满负荷运行时每小时还原剂尿素的消耗量，将从777kg／h下降到436kg／h左右。而依照目前的低氮燃烧技术，将四角切圆燃烧锅炉的氮氧化物浓度下降到350mg／m3左右的改造，可以做到基本不影响锅炉的效率，是非常环保和经济的氮氧化物减排措施。所以，从总体上考虑，锅炉配套低氮燃烧系统改造，是氮氧化物减排治理改造的首选方案，再考虑在尾部增加SCR脱硝技术，是1条可行、可靠和经济的技术改造路线。

部分早期仅仅进行SCR脱硝改造的锅炉，由于没有同时配套进行低氮燃烧系统改造，改造投运后发现运行不经济性、无法达到新的排放标准等问题，需要进行第二次的追加低氮燃烧系统改造，造成了不必要的浪费。

对于锅炉配套进行低氮燃烧系统改造的锅炉，由于燃烧系统进行了较大的改动，锅炉投运后应该尽快开展锅炉燃烧优化调整试验，通过优化调整试验将锅炉的燃烧工况调整到最优化，确保在不影响锅炉效率的情况下将氮氧化物的排放浓度降到最低，使改造的效果实现最大化。

2 流场模拟计算和物模试验的重要性

在老锅炉上加装SCR脱硝系统改造时，由于原锅炉设计时没有考虑到加装SCR脱硝系统，锅炉后部钢架设计时没有预留足够的空间来引出和引入脱硝烟道及布置SCR脱硝反应塔的位置，锅炉钢架承重钢梁和主要立柱的位置会影响到烟道的布置优化，而对锅炉钢架承重钢梁和主要立柱进行移位是非常困难的，使得SCR脱硝系统改造时烟道和反应塔的布置就很难有较理想的流场。脱硝系统烟道的引出和引入普遍存在不规则的缩口和扩口现象，而且脱硝系统的引出和引入烟道普遍非常短，造成脱硝系统的引出和引入烟道内的流场分布非常不均匀。

为此，有必要委托经验丰富的单位开展SCR脱硝系统流场模拟计算和物模试验，通过试验找出解决流场均匀性的措施并在工程实施时给予落实，使得烟气在进、出口烟道和整个反应塔内的流动非常均匀，为脱硝系统的安全正常运行创造条件。如果没有开展SCR脱硝系统流场模拟计算和物模试验，或委托的试验单位没有足够的经验找出解决流场均匀性的措施，SCR脱硝系统投运后就有可能发生烟道内大量积灰、部分催化剂表面大量积灰和磨损严重，进而引起空气预热器表面堵塞等问题，影响机组安全稳定运行。

3 还原剂的选择

1）液氨需要压力容器进行运输和储存，运输、接卸、储存时具有较大的危险性；液氨单价较高，但折算到等摩尔的氨气的单价较低；使用系统简单、使用方便、调节灵活。尿素的运输、接卸、储存比较方便，没有任何危险性。

2）尿素单价较低，但折算到等摩尔的氨气的单价较高；尿素制造过程中需要消耗更多的能源和水资源；使用系统比较复杂，改造的初期投资较高；使用时需要消耗电能进行高温裂解，能耗较高、系统调节较困难，每次系统启停比较麻烦，需要经过较长的时间才能达到稳定；尿素属于农资产品，价格波动风险较高。

3）选择方案从电厂的使用方便性、运行成本控制、改造投资控制及总体环保效益最大化出发，选择液氨作为还原剂是较合理的。但是，如果改造工程处在大城市边缘、液氨供应源较远，需要长距离运输的电厂，从考虑社会环境大安全考虑，建议选择尿素作为还原剂。

4 调平衡试验要及时

1）浓度不均匀的原因虽然在设计时经过流场模拟计算和物模试验，使得SCR脱硝反应塔内的烟气流场尽量做到均匀，但是由于烟气本身存在浓度的不均匀性，加上各喷氨系统也存在一定的不均匀性，造成SCR脱硝系统改造投运后，反应塔内氮氧化物浓度与氨气浓度的比例存在不均匀性，造成SCR脱硝系统反应塔出口氮氧化物浓度与氨气逃逸浓度存在不均匀性，部分出口氮氧化物浓度较低的部位氨气的逃逸浓度升高。

2）调平衡试验的重要性由于烟气排放连续监测系统（CEMS）和氨逃逸表安装位置的限制，目前只能测量局部的氮氧化物浓度和氨气的逃逸浓度，无法做到测量整个反应塔内的实际情况。如果反应塔内有严重的不平衡性存在，投运后没有立即进行调平衡试验，就有可能造成SCR脱硝系统投运不久引起空气预热器堵塞、运行压差上升，情况严重的有可能危险到机组的安全运行。为此，需要及时开展调平衡试验，通过现场进行网格法测量脱硝系统出口氮氧化物的浓度，找出不平衡的位置，调整相对应的喷氨门，使反应塔出口氮氧化物浓度达到均匀。

3）调平衡试验分析为了方便开展调平衡试验，建议设计时在SCR脱硝系统末层的每1块催化剂出口安置1根取样管，形成1个与催化剂模块相对应的网格，使得每块催化剂均有1个网格坐标。调平衡试验时可以方便地测量每块催化剂出口的氮氧化物浓度，通过分析测量到的氮氧化物浓度网格数据，可以查出反应塔内部的不平衡性。如果没有安装上述取样管，进行调平衡试验时需要通过大量的人力在脱硝出口烟道上进行人工网格法测量，测量的数据与喷氨门的对应性较差，调平衡难度就大。例如：某尿素SCR脱硝系统初次投运调平衡前后的反应塔A侧出口氮氧化物浓度分布如表1所示。

表1 调平衡前的反应塔A侧出口氮氧化物浓度分布mg／m3

由表1可以看出，氮氧化物浓度最大为115mg／m3，最小为1mg／m3，平均为33.8mg／m3，相对标准偏差为84.7%，说明存在严重的不平衡性。根据表1所测数据，重新调整了相应喷氨门的开度，再次测试的数据如表2所示。

由表2得知，氮氧化物浓度最大为60mg／m3，最小为16mg／m3，平均为39.7mg／m3，相对标准偏差为28.5%。说明调整后，脱硝反应塔A侧的平衡度已经明显好转，达到了基本可以接受的程度。

对于采用尿素作为还原剂的系统，由于两侧反应塔共用一个裂解炉，2个反应塔内喷氨的均匀性更差，而且受外界的干扰因素更多，出现不平衡的可能性更大。所以，建议每次机组检修后要尽快做调平衡试验，或者当SCR脱硝出口氮氧化物浓度与烟囱入口氮氧化物浓度偏差较大时就需要开展调平衡试验。

表2 调平衡后的反应塔A侧出口氮氧化物浓度分布 mg／m3

5 考核存在不足

目前，部分省市出台的脱硝电价考核条款中，将氮氧化物排放浓度小于100mg／m3、脱硝效率必须大于70%或更高指标作为考核标准，显然存在不足。

1）不实施同步配套改造的考核可行对于不实施同步配套、单一进行低氮燃烧系统改造的机组，将氮氧化物排放浓度小于100mg／m3、脱硝效率大于70%或更高指标作为考核标准是可行的。这是因为SCR脱硝系统入口的氮氧化物排放浓度较高，采取降氮氧化物措施是非常必要的。

2）实施同步配套改造的考核欠妥对于实施同步配套进行低氮燃烧系统改造的机组，降氮氧化物的手段是通过低氮燃烧系统和SCR脱硝系统协同实现的。在正常情况下，50%左右的氮氧化物下降幅度由非常环保和经济的低氮燃烧系统来实现，剩余的30%左右的氮氧化物下降幅度则由运行成本相对较高的SCR脱硝系统来实现。

如果将低氮燃烧系统优化调整到最佳，在不影响锅炉效率的情况下，可以将氮氧化物排放浓度降到最低，此时SCR脱硝系统入口的氮氧化物浓度就可能较低。

如果锅炉燃烧比设计煤种挥发分更高的煤种时，氮氧化物的浓度可能会更低，SCR脱硝系统入口的氮氧化物浓度会大大低于设计浓度。

如果某SCR脱硝系统入口设计浓度按照400mg／m3设计，实际运行时如果SCR脱硝系统入口浓度在200mg／m3以下或更低，此时要同时满足上述考核条件，SCR脱硝系统出口氮氧化物浓度就会很低，总的氮氧化物下降幅度较小，对按照较高氮氧化物下降幅度设计的反应塔需要的氮氧化物和氨气的摩尔比就要上升、氨逃逸浓度就会升高。同时，过低的SCR脱硝系统出口氮氧化物浓度对反应塔内的不均匀性敏感度就会提高，局部催化剂出口氨逃逸浓度就会升高，造成潜在的系统堵塞、催化剂中毒的危险性增加。

3）考核标准要合理鉴于上述两种情况分析，对实施同步配套改造工程的机组，同时考核氮氧化物排放浓度和脱硝效率是非常不科学的，相关部门在制定政策时应以排放氮氧化物浓度作为绝对考核标准，适度的脱硝效率作为参考标准，鼓励企业努力运行好低氮燃烧系统，达到环保效应的最大化。

6 选择合理的取样点

由于参与改造的机组，脱硝系统进、出口烟道普遍较短，即使是场地相对宽余的新建工程，脱硝系统进、出口烟道上取样点的布置位置也无法完全符合相关规范的要求。为此，需要在现场寻找一个合理的取样点。

一般SCR脱硝系统进、出口烟道布置采用水平方向较宽、高度较窄的方式，而且锅炉烟道到省煤器出口存在一定偏差，造成SCR脱硝系统进、出口烟气氧浓度和氮氧化物浓度存在水平方向偏差，普遍是两侧偏高、中间偏低。所以，CEMS取样点建议布置在水平段烟道的上部居中位置，同时尽可能布置在烟道流向的下游位置，人工比对测孔尽量安装在CEMS测点上游1m左右。对于采用直接测量法的氨逃逸表的安装位置，由于必须要安装在烟气通流处，安装位置离脱硝系统越远越有利于系统混合，建议将氨逃逸表安装在空气预热器的入口垂直段。