宽负荷脱硝SCR入口烟气流场优化系统研究与应用

常 琪 陆卫东 张坚明 顾锦绣 李郁峰

上海吴泾发电有限公司

宽负荷脱硝SCR入口烟气流场优化系统研究与应用

常 琪 陆卫东 张坚明 顾锦绣 李郁峰

上海吴泾发电有限公司

燃煤机组锅炉在低负荷运行状态下，SCR （选择性催化还原）进口烟道沿宽度方向烟温偏差很大，外侧低中间高，偏差最高可达17～18℃。烟温低的区域处在催化剂低限值下面了，而喷氨枪仍然整个烟道均匀地在喷，造成氨气与烟气混合不均致使脱硝效率降低，同时对催化剂也产生不良影响。针对这一现象，本课题在SCR反应器入口烟道外侧加装均流挡板，使烟气通流面积随负荷变化而变化，充分保证喷氨枪断面上的流速，提高充满度确保烟气流场均匀，与氨气充分混合起到匀质的效果，从而提高脱硝效率。并使外侧催化剂处于休息状态，延长了催化剂寿命。

工程改造后进行性能测试，均质后的效果能将NOx值降低32～40 mg/Nm3，可实现20 mg/Nm3的近“0”排放，喷氨流量降低11%左右。获得了环保与经济的双重收益。

机组低负荷；SCR（选择性催化还原）；入口烟温偏差；NOx含量

1 技术产生的背景

目前，国家对环保要求越来越严。燃煤电厂的氮氧化物NOx排放必须满足国家的环保政策。燃煤电厂都装有SCR（选择性催化还原）烟气脱硝装置，使得锅炉燃烧后NOx排放达标。但是锅炉负荷降到60%以下时，烟气温度满足不了SCR的技术投运要求（至少＞300℃），致使无法脱硝。而机组低负荷运行情况又合巧普遍运行在40%～50%范围内，这就给环保带来了无法逾越的困难。所以，燃煤电厂必须实施宽负荷脱硝技术，在低负荷时保证SCR投入。

宽负荷脱硝技术虽然可保证在低负荷时NOx排放达标，但由于技术局限性使烟道内烟气分布不均，速度场、温度场分布温差较大，造成脱硝效果差，喷氨原料浪费，而且造成催化剂堵塞、中毒失效，有效寿命大幅下降，而催化剂在SCR系统中成本占50%以上。

由于烟道内烟气分布不均，氨气与烟气混合不好，NH3逃逸率增加，NH3和烟气中的SO2、SO3反应生成硫酸铵、硫酸氢铵，堵塞催化剂通道和下游设备空气预热器，降低了空气预热器的效率并腐蚀设备。

由于硫酸铵、硫酸氢铵堵塞催化剂通道，使得烟气流速缓曼，灰尘容易沉积，灰尘堵塞催化剂通道，如此恶性循环，降低了催化剂活性，影响SCR系统的脱硝效率。于是，SCR入口烟气流场的优化系统的研究提上了议事议程。

2 宽负荷脱硝工程简介

吴泾电厂11号炉是上海锅炉厂引进技术生产的强制循环、四角摆角燃烧的煤粉锅炉。为适应国家环保政策，2015年3月锅炉改造完成了宽负荷脱硝装置。

电厂在省煤器部位烟气侧进行了宽负荷脱硝改造，提高了省煤器出口烟温，使SCR入口烟温在机组负荷降低到120MW时，仍能保持在315℃以上，确保了喷氨系统不退出运行。

2.1 SCR入口烟气均质的必要性

（1）对于进入SCR反应塔的原烟气要满足以下2点：1）烟气温度≥315℃；2）烟气与氨气得到充分搅拌、混合均匀。

由于随着机组的负荷下降，降到150 MW负荷时的烟气量大约为100%负荷时的62.0%，烟气急剧减少，使烟道内烟气充满度减低，产生沿锅炉烟道宽度方向上的流量偏差。它的主要特征是中间高两边低，最后导致烟道中间烟温高两边烟温低的现象。

（2）SCR进口烟道的结构（图1）

图1 300 MW机组锅炉脱硝进口烟道示意图

锅炉尾部烟道宽度为1 4022 mm，它对应的2个宽度为10 000 mm的SCR进口烟道。低负荷下：

1）锅炉尾部烟道出口烟温呈两边低中间高的抛物线形状，进入SCR烟道（1.426倍锅炉烟道）会加剧烟温的偏差；

2）尤其是7.6 m突然扩大至10 m，造成外侧的烟温更低。

3）宽负荷脱硝装置在低负荷下，左右两个烟气通道不通，烟气往中间烟道通过，更进一步造成外侧烟道的烟温降低。

（3）鉴于SCR反应塔的要求和设备结构上的不足，为满足高效脱硝和防止催化剂中毒的目的，必须要对设备进行优化改造。

2.2 工程改造方法

（1）设备结构

1）每侧喷氨母管上共引出12根分管，均布在整个烟道上；

图2 300 MW机组锅炉脱硝进口设备示意图

2）每根喷氨分管再一分为二供应2支喷氨枪。喷氨枪正上部600 mm处有一根挡杆；

3）改造设计每侧有大、小均流板各一块，布置在挡杆上面900 mm处。见图2。（2）技术设计思路

1）原始状态：

①烟道流通截面积是按最大负荷时设计的。当负荷降低后烟气在烟道内的充满度降低，形成流量偏差。由于流量偏差同时产生烟温偏差；

②烟气充满度降低，烟气的紊流程度降低，氨气与烟气的混合效果变差；

③因流量偏差，喷氨流量仍以原调整的方式喷射，流量分布曲线与喷氨分布不对应；

④鉴于上述3个因素，造成低负荷下SCR工作条件变差，促使脱硝效率降低。

2） 技术方案改造的预期：

①SCR进口烟道内的烟气充满度保持基本不变，相当于额定负荷时的状态；

②当负荷在180～150 MW区段，将外侧的“外侧均流板”关闭，同时对应的4根喷氨管道关闭也关闭。“外侧均流板”关闭后所产生的效应是：

A.烟道内的烟气流速提高，相当于额定负荷时的烟速，烟气紊流程度提高。烟气与氨气的混合程度得到充分搅拌；

B.沿烟道宽度方向的烟温偏差减少，烟温场全部满足和大于催化剂的温度要求；

C.喷氨枪的单位流量增加，压力提高。使得喷口出来的气流雾化程度提高，同时喷口到档杆的冲击力抬高，致使氨气散射更均匀；

D.鉴于烟气流紊流度增加、氨气散射更均匀、烟温偏差减少促使了SCR 脱硝效率提高；

E.虽然单支喷氨枪的流量增加，但远比关闭4根喷氨管道的流量来得小。所以，也可收到降低喷氨流量的效果。

③同理，当负荷在150～120MW区段，将内侧的“内均流板”关闭，同时对应的2根喷氨管道电动阀也关闭。思路同A～E条款。

（3）设备安装进程

施工从2016年11月29日开始，至2016年12月9日冷态调试结束，历时11天。

3 试验

3.1 试验目的

（1）是否达到设计预期以及NOx变化特性；（2）改造后所能产生的经济效益。

3.2 试验方法

（1）加仓煤质要求：对燃烧煤质不做要求，按平时运行方式加仓。

（2） 磨煤机运行方式：对磨煤机运行方式不做要求，尽可能地提高再热蒸汽汽温。

3.3 试验工况操作方式

（1）确保CEMS表计NOx值在允许范围内，绝对不能超标排放。因此，宽负荷烟气挡板可以做任何操作。

（2）在160～170 MW负荷区段，分2个测试工况；

1） SCR入口导流挡板全开，喷氨枪全开；

2）SCR入口“外侧均流板”关闭，“内侧均流板”开。两侧对应的喷氨枪编号9～12总阀门关闭。

（3）在130～140 MW负荷区段，分2个测试工况；

1） SCR入口导流挡板全开，喷氨枪全开；

2） SCR入口“外侧均流板”和“内侧均流板”都关闭，两侧对应的喷氨枪编号9～12电动总阀门和编号7、8电动小阀门均关闭。

4 试验日期与测试结果

试验时间与负荷见表1。

表1 试验时间与负荷

4.1 160～170负荷段试验

160～170负荷段性能指标变化情况见表2。

（1）图3中A点是“外侧均流板”关，对应的编号9～12号喷氨支管的电动总门也同时关。CEMS表计的NOx值明显下降，最终稳定在20 mg/m3以下；

表2 160～170负荷段性能指标变化表

图3 “外侧均流板”的动态特性曲线注：右侧纵坐标是NOx含量标尺

（2）B点是“外侧均流板”恢复开的起始点；

（3）试验中也采取了先关闭“外侧均流板”，然后再关喷氨支管的电动总门，在这个过程中，SCR反应塔的效率会在关喷氨支管电动总门之前下降约7%～8%，CEMS表计值没变化。当开始关喷氨支管的电动总门后，SCR反应塔的效率马上提升直至超过原始状态效率值约7%～8%。所以，“均流板”和对应的喷氨电动门必须同步开或关。

4.2 130～140负荷段试验

（1）均流板开与关的特性变化

130～140负荷段性能指标变化情况见表3。

（2）烟道沿宽度的分布特性

进口烟道沿宽度方向的特性曲线见图4

1）“◆”点的曲线是均流板前的烟温，“■”点的曲线是均流板后的烟温；

2）大均流板关闭时，图中横坐标的0～3烟道宽度被挡住，烟气只能往内侧流动，改变了外侧温度比较低的现象（A/B=317.5/306℃）,进入SCR的烟温显著抬升，达到了335℃以上；

表3 130～140负荷段性能指标变化表

图4 137.0 MW时的SCR进口烟道沿宽度方向的烟温曲线

3）大均流板关闭的同时，对应的喷氨枪也停止喷射，使得SCR催化反应的效率明显提高。

4.3 两个不同负荷下的SCR性能指标

仅仅调节“大均流板”开度由“开”到“关”，其他可控参数不变，观察SCR性能变化。性能变化情况见表4。

表4 性能指标变化表

由表4可见，仅仅将SCR外侧的“大均流板”关闭，其他控制参数不变，

（1）NOx值可以下降30～40 mg/m3。

随着负荷降低，NOx下降值也有所下降，其原因是SCR进口NOx上升（从415 mg/m3上升到560 mg/m3）所导致的；

（2）低负荷下，CEMS表计NOx值通常在60 mg/m3，通过均流板的控制，可使NOx值控制在30 mg/m3以内。

（3）氨气流量可以下降11%左右。

因喷氨枪两侧各减少了4支（喷氨枪两侧各有12支），从而使得喷氨流量降低。

（4）“大均流板”开关取得的效果非常明显，并且重演性相当好；

（5）改变了原来的“脱硝氨气流量”不随负荷变化的弊病。

5 本项技术实施后的经济性

本项技术实施后的经济性明细情况见表5。

说明：

（1）均流板全开的状态下，CEMS表计NOx值一般在58～65 mg/Nm3之间，一般很难再低；

（2）均流板投入运行后，CEMS表计NOx值降低到18～20 mg/Nm3之间；

（3）NOx排污费按上海市2017～2018年的收费标准计算，基准值为8.0元/ kg，

表5 11号炉改造后的经济性明细表

排放值50～75 mg/Nm3：收费为8.0元/ kg×0.4= 3.2元 / kg；

排放值 ≤50 mg/Nm3：收费为8.0元/ kg×0.3 =2.4元/ kg

（4）匀质改造后，NOx排污费减少15.38万元/a，尿素费用降低5.04万元/a，合计降低20.42万元/a。

6 试验结论

负荷≤180 MW区段，在其他可控参数不变的情况下，均流板的作用非常明显。

（1）降低NOx值（表6）

（2）降低喷氨流量（表7）

（3）“外侧均流板”的动作对“NOx”值和“喷氨流量”的对应变化重演性非常好；

（4）改变了原始方式的“脱硝氨气流量”不随负荷变化的弊病。

（5）无论“外侧均流板”还是“内侧均流板”的操作，对引风机运行电流都没有影响；

（6）在“内、外均流挡板”的同时作用下，机组负荷137.9 MW下，CEMS表计NOx值能达到不足20 mg/Nm3排放值，换言之即能达到近“0”排放，这是一个非常京喜的成果。若2019年上海市实施NOx排放值低于50 mg/Nm3标准，本次烟气匀质改造是一个非常好的发现，可先实施烟气匀质，再来考虑是否需要采用增加催化剂的方法。

表6 均流板对NOx的作用

表7 均流板对喷氨流量的作用

（7）烟气匀质改造后，NOx排污费减少15.38万元/年，尿素费用降低5.04万元/a，合计降低20.42万元/a。

目前国内还未有类似的脱硝概念和方法实施，属于首创。它设备简单、操作容易、烟气挡板调节对锅炉运行参数基本没有影响；能非常方便地复制应用到其它锅炉上。

总之，SCR进口烟气均流板完全达到和超出了设计预期，不仅能明显降低NOx排放值而且也带来了客观的经济性收益，是节能与环保两者难得的统一。另外也给SCR反应塔外侧的催化剂得到了休养生息。

美旧金山15号码头探索博物馆实现零能耗

位于美国旧金山15号码头的探索博物馆采用可持续发展的设计理念和施工方式，以适应严酷的海洋性气候。机械系统将海湾的水引进钛制板式换热器和水源热泵系统，用于采暖制冷。建筑师充分利用历史码头所拥有的自然光线，在244米长的屋顶上安装能提供1.3 MW能源的太阳能光伏发电板，解决了大型展览和其它用电的需求。全馆安装了110多个电力仪表，用于监控电负载，督促员工改进博物馆的管理运营。与基准建筑相比，探索博物馆能源消耗减少55%，被美国建筑师协会 (AIA)评为2016年10大绿色项目之一，并通过LEED白金认证。

（李忠东 译）

Study and Application of Wide Load Denitrification SCR Inlet Flue Flow Distribution Optimization System

Chang Qi, Lu Weidong, Zhang Jianming, Gu Jinxiu, Li Yufeng
Shanghai Wujing Power Generation Co.,Ltd

Coal-Fired unit boiler runs at low load, SCR inlet flue temperature changes a lot along width direction, which shows outsides temperature is low and middle ones is high and deviation is around 17～18℃ . Ammonia gun is working in whole flue pipe while low flue temperature is below low limit value of catalyst and uneven ammonia and flue mixture results in low denitrification efficiency with bad influence on catalyst. Focus on fixing it, the author installs current sharing baffle outside of SCR reactor inlet flue, which makes flue flow area change with load changes and guarantee ammonia flow velocity to improve much evener flue distribution mixing with ammonia to increase denitrification efficiency with good influence on catalyst.

The performance test was carried out after engineering renovation and the effect of homogenization can reduce NOxvalue by 32-40 mg/Nm3, which achieves 'Zero' emission of 20 mg/Nm3and reduce ammonia injection rate by about 11%. It means double benefits of environment protection and economy value.

Low Load Unit, SCR (Selective Catalytic Reduction), Inlet Flue Temperature Deviation,NOxContent

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.11.007