涡流混合式SCR脱硝系统喷氨优化调整试验研究

张佳佳，葛 铭，胡 珺，王升佳，郭 康，火鸿宾，何陆灿，戴维葆，陈国庆

(1.国电科学技术研究院有限公司，江苏 南京 210023；2.国电蚌埠发电有限公司，安徽 蚌埠 233000)

0 引 言

随着电厂排放政策的日益严格，电站锅炉NOx排放浓度限值降低到50 mg/m3，脱硝系统经济高效运行对于电站锅炉意义重大。选择性催化还原脱硝技术(SCR)是我国电站锅炉应用最广、技术最成熟的技术[1]。目前，根据NH3喷射混合装置可以将SCR系统分为主要的3种结构：涡流静态混合式AIG、线性控制式AIG、分区控制式AIG。而涡流混合式AIG由于喷嘴不易堵塞、反应速度快、成本低等特点得到广泛应用，但也存在混合不均等缺点[2]。

由于煤种变化、燃烧配风方式不同、催化剂失效等原因，SCR脱硝系统出口NOx浓度分布不均，氨逃逸量大，残留的氨与烟气中的SO3反应，生成易腐蚀和堵塞设备的硫酸氢铵[3]。对于脱硝系统，一般从低氮燃烧[4]、催化剂寿命[5]、喷氨控制系统[6-7]、流场优化[8]、喷氨格栅改造、喷氨手动蝶阀调节[9]等角度进行优化。对于已投运的脱硝系统，主要调整手段为喷氨支管手动蝶阀调节和喷氨控制系统优化。何陆灿等[10]以喷氨支管手动蝶阀的调节为手段，针对涡流静态混合式脱硝系统，对脱硝出口NOx浓度场“削峰填谷”，降低了NOx浓度的不均匀度。翁骥等[11]对分区控制式喷氨格栅系统进行优化调整，着重考虑了速度场的影响。武宝会等[12]对比分析了不同的喷氨控制策略，提出了氨逃逸率控制方案，提高了自动控制的投入率。郭凯旋等[13]提出了模糊控制与均衡控制相结合的前馈串级控制方法，有利于提高出口NOx浓度的分布均匀性。其中，通过“削峰填谷”降低脱硝出口截面NOx浓度的不均匀度是最基础、最直接的降低氨逃逸手段。

本文以调节喷氨支管手动蝶阀为主要手段，对某660 MW机组涡流混合式SCR脱硝系统进行喷氨系统优化，降低了脱硝出口NOx浓度不均匀度和氨逃逸量。同时利用SIS数据分析，总结了涡流混合式脱硝控制系统存在的问题以及应对措施，为SCR脱硝系统可靠高效运行提供保障。

1 喷氨优化

1.1 基本情况

某电厂锅炉为660 MW超超临界二次再热直流锅炉，采用π型炉，单炉膛；对冲燃烧、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构，尾部三烟道，烟气调节挡板调温方式。锅炉参数为32.55 MPa/605 ℃/623 ℃/623 ℃。脱硝采用静态涡流式喷氨系统，催化剂左右侧设计为2+2层布置，实际采用2+1布置。每层催化剂层配置声波吹灰，催化剂设计化学寿命应不小于24 000 h。脱硝入口设计NOx浓度为300 mg/Nm3。实际运行中，NOx浓度在280～380 mg/Nm3。在任何工况条件下满足脱硝效率达到90%以上，氨的逃逸率控制在3×10-6以内，SO2氧化生成SO3的转化率控制在1%以内。每台锅炉配有2台100%容量的稀释风机，一运一备。氨气/空气混合器出口的氨气浓度不得大于5%(体积比)。

由于环保压力，电厂要求机组实际运行时净烟气NOx排放浓度在10 mg/m3以下。运行一段时间后，除尘器大面积跳机。停机检修发现除尘器电极头附着大量白色的硫酸氢氨，除尘器荷电能力下降导致跳机。综合分析，由于脱硝系统的氨逃逸量大，导致生成了大量的硫酸氢氨。机组排烟温度较高，硫酸氢铵的冷凝推迟至除尘器。附着硫酸氢氨的除尘器电极头如图1所示。

图1 除尘器电极头附着硫酸氢铵Fig.1 Ammonium bisulfate adhere to insert electrodetip of dust collector

1.2 试验方法

稳定负荷下，控制净烟气NOx浓度不变。采用网格法测量脱硝反应器入口、出口的NOx浓度分布。入口烟道A、B两侧各布置17个测孔，由后墙向前墙方向在不同深度位置分别布置3、2、1三个测点。出口烟道A、B两侧各有17个测孔，每个测孔由后墙向前墙方向在不同深度依次布置4、3、2、1四个测点，每个测点沿深度方向的间距为0.8 m。利用德图Testo350型烟气分析仪测量出口烟气的NO浓度(10-6)。利用便携式激光氨气分析仪测量出口的氨浓度(10-6)。不均匀度Cv定义[14]如下：

(3)

(4)

(5)

式中，Cv为NOx不均匀度；%；σ为NOx的标准偏差；x为NOx的平均值，mg/m3。

喷氨支管位于SCR系统的上升烟道内侧，出口NOx浓度测点位于下降烟道的外侧，SCR进出口位置布置和测点位置布置如图2所示。

图2 脱硝进出口测点布置Fig.2 Measuring points arrangement of imports and exports in denitrification system

机组采用了新型涡流盘结构。喷氨支管位于涡流盘上方，烟气自下向上流动。利用“驻涡”原理，烟气经过涡流混合器形成稳定的涡流或旋流[15]。涡流盘有一定的折角，强化了湍流扩散，便于氨与空气的混合气向烟道深度方向扩散，能够缓解NOx浓度沿烟道深度方向分布不均的问题。涡流混合器结构如图3所示。

图3 涡流盘结构Fig.3 Structure of vortex disk

1.3 摸底工况

在机组660 MW和330 MW稳定负荷下，控制净烟气NOx排放浓度为25 mg/Nm3，采用网格法测量脱硝反应器入口、出口的NOx浓度。摸底工况脱硝出入口NOx浓度分布如图4所示。

由图4可知，脱硝入口NOx分布趋势与脱硝出口NOx浓度分布趋势没有明显的关联性。脱硝入口截面NOx浓度分布呈现烟道外侧高，内侧低的趋势，这与炉内的流场、烟道布置相关。满负荷下，控制净烟气NOx排放浓度为25 mg/Nm3，此时脱硝出口A侧A4～A8测孔区域NOx浓度高，A9～A14测孔区域NOx浓度低，NOx不均匀度为48.3%；B侧B5～B7、B13～B17测孔区域NOx浓度低，B9～B12测孔区域NOx浓度高，NOx浓度不均匀度为62.7%。

对比660 MW负荷和330 MW负荷下脱硝出口NOx浓度分布发现，高低负荷下脱硝出口NOx浓度的分布趋势相同。对于对冲炉，高低负荷都采用偶数台磨组运行，2种情况下的流场分布大致相同。在330 MW负荷下，脱硝出口A侧NOx浓度不均匀度为63.6%，脱硝出口B侧NOx浓度不均匀度为75.7%。

由摸底工况可知，得益于新型涡流混合器结构，脱硝出口NOx浓度沿烟道深度方向分布较为均匀，仅在宽度方向呈现一定的不均匀现象，可以通过调整喷氨支管手动蝶阀的开度降低宽度方向的不均匀度。

1.4 流场分布特性

为了排除流场分布不均对脱硝出口NOx浓度分布的影响，在660和330 MW稳定负荷下，对脱硝出口A、B两侧烟道流场进行测定，分析流场的均匀性。高低负荷下流场均匀性分布如图5所示。

由图5可知，660 MW负荷下，A侧脱硝反应器出口烟气流速均值为15.5 m/s，速度不均匀度为17.2%；B侧脱硝反应器出口烟气流速均值为15.1 m/s，不均匀度为17.8%。在330 MW负荷下，A侧脱硝反应器出口烟气流速均值为9.2 m/s，速度不均匀度为17.4%；B侧脱硝反应器出口烟气流速均值为9.1 m/s，不均匀度为17.0%。考虑到测量误差，高低负荷下，锅炉两侧烟道烟气流速均值基本一致，流量相同。两侧烟道内的流场分布较为均匀，不存在明显的涡流区。脱硝出口NOx浓度分布不均排除了速度场的影响。

图4 摸底工况脱硝出入口NOx浓度分布Fig.4 NOx concentration distribution of inlets and outlets in denitrification system under mapping conditions

图5 脱硝出口流场分布Fig.5 Flow distribution of denitrification system outlets

1.5 喷氨支管调节过程

在稳态负荷下，根据SCR反应器出口截面NOx浓度分布特征，遵循“削峰填谷”的原则，对每侧反应器进口7只喷氨支管手动蝶阀开度进行调节。增大高NOx浓度区对应的阀门开度，减小低NOx浓度区对应的阀门开度。为了方便观察宽度方向NOx浓度的变化，以每个测孔4个深度方向NOx浓度的均值来衡量该测点区域NOx浓度。NOx浓度沿烟道宽度方向的分布变化趋势如图6所示。

图6 出口各测点NOx浓度变化趋势Fig.6 Tendency chart of NOx concentration at outlet measuring point

由图6可知，与摸底工况下各测点NOx浓度均值相比，经过喷氨优化调整，A、B两侧各测点NOx浓度均值分布逐渐趋于平缓。A、B侧不均匀度明显下降，烟道截面NOx浓度分布趋于一致。

1.6 氨逃逸测量

实际运行中发现，机组升负荷过程中，除尘器高压侧电流容易出现较大波动。同时，部分相电流偏小，荷电能力下降。检修中发现该相电极头有附着物，为硫酸氢铵结晶物，说明升负荷过程中氨逃逸量大。升负荷过程中氨逃逸与稳态负荷下氨逃逸数据进行对比如图7所示。

图7 升负荷与定态负荷氨逃逸对比Fig.7 Comparison of ammonia escape between elevated load and fixed load

由图7可知，机组在升负荷过程中氨逃逸量大于稳态负荷下。升负荷过程中，A侧氨逃逸均值为4.6×10-6，B侧氨逃逸均值为6.2×10-6。定态负荷下，A侧氨逃逸均值为1.7×10-6，B侧氨逃逸为5.2×10-6。同时，B侧烟道B13～B17测孔区域的氨逃逸浓度大，说明喷氨过多，这与图4摸底工况下B13～B17测点区域NOx浓度低相互印证。实际检查发现，原始状态下，脱硝出口B13～B17测孔区域对应的脱硝入口B6、B7喷氨支管手动蝶阀开度偏大。

喷氨优化调整结束后，喷氨支管的手动蝶阀开度都处于合理水平，能够保证脱硝出口截面NOx浓度的均匀性。在稳态负荷下，测量脱硝出口截面的氨逃逸如图8所示。

图8 喷氨优化后氨逃逸Fig.8 Ammonia escape after optimization of ammonia injection

由图8可知，喷氨优化结束后，在稳态负荷下，脱硝出口A、B侧的氨逃逸整体都较小，均小于3×10-6。A侧氨逃逸均值为1.5×10-6，与喷氨优化试验前氨逃逸相比下降0.2×10-6；B侧氨逃逸均值为1.0×10-6，与喷氨优化试验前氨逃逸相比下降4.2×10-6，氨逃逸量显著下降，喷氨优化效果显著。减小B侧B6、B7喷氨支管的手动蝶阀开度以后，B侧B13～N17测孔区域的高氨逃逸特点也得到解决。

1.7 喷氨效果验证

喷氨优化后，在660和330 MW稳定负荷下，控制净烟气NOx排放浓度为25 mg/Nm3。测量脱硝出口NOx浓度的不均匀度，并与调整前对比来验证调整效果，结果如图9所示。

图9 验证负荷下脱硝出口NOx浓度分布Fig.9 NOx concentration distribution of outlet in denitrification system under verification conditions

由图9可知，在660 MW负荷下，A侧脱硝反应器出口NOx浓度分布不均匀度为19.4%，比试验前降低28.9%；B侧脱硝反应器出口NOx浓度分布不均匀度为21.8%，比试验前降低40.9%。在330 MW负荷下，A侧脱硝反应器出口NOx浓度分布不均匀度为21.5%，比试验前降低42.1%；B侧脱硝反应器出口NOx浓度分布不均匀度为23.1%，比试验前降低52.4%。脱硝出口A、B侧NOx浓度不均匀度较摸底试验均明显降低，调整效果显著。

2 大数据分析

利用电厂SIS数据可以协助分析处理问题。对于脱硝系统，可以做出喷氨量、进出口NOx浓度值随时间的变化曲线，分析在线采集仪器CEMS值准确性、喷氨逻辑反应速率等问题。

2.1 CEMS测点

截取2019-07-25特定时间段内，喷氨量、CEMS测点值随时间变化的SIS数据如图10所示。

图10 单侧喷氨量与出口NOx浓度的SIS图Fig.10 SIS diagram of the one-sided ammonia spray and the NOx concentration of outlet

由图10可知，蓝色曲线为脱硝系统A侧喷氨量，红色曲线为A侧出口NOx浓度表盘值。该机组自动投运时，单侧喷氨量在80～90 kg/h，此时脱硝出口NOx浓度CEMS值为12 mg/m3，远大于实际测量值2 mg/m3，此时增加喷氨量也无法进一步降低脱硝出口CEMS值。脱硝出口NOx浓度CEMS测点不准确，无法测量低值，导致喷氨量过大。将喷氨控制方式为手动后，单侧喷氨量降到30 kg/h左右，此时脱硝出口CEMS值上升，达到15 mg/m3左右稳定，此时NOx表盘浓度与实测值一致。由此可知，脱硝系统中CEMS测量值不准确，CEMS测量系统标定零点存在问题，不能精确测量低NOx浓度，造成实际喷氨量大，容易导致氨逃逸大。

2.2 喷氨控制逻辑

为了分析喷氨控制逻辑的速率，截取2019-07-14特定时间段内，A、B侧喷氨量和出口NOx浓度值，结果如图11所示。

图11 喷氨量与出口NOx浓度的SIS图Fig.11 SIS diagram of the ammonia spray and the NOx concentration of outlet

由图11可知，B侧脱硝出口NOx浓度(蓝色曲线)已经上升，而B侧喷氨量(绿色曲线)直到5 min后才开始上升，喷氨量对脱硝出口NOx浓度的敏感性和跟随性不好，有至少5 min以上的延迟。同时，两侧的实际喷氨量(紫色曲线和绿色曲线)波动幅度太大，远多于实际需求值，容易导致喷氨量过多。

3 结论及建议

1)通过喷氨优化调整，在660 MW负荷下，脱硝出口A侧NOx浓度不均匀度比试验前降低28.9%，达到19.4%；B侧NOx浓度不均匀度比试验前降低40.9%，达到21.8%。在330 MW负荷下，脱硝出口A侧NOx浓度不均匀度比试验前降低42.1%，达到21.5%；B侧NOx浓度不均匀度比试验前降低52.4%，达到23.1%。

2)经过喷氨优化调整，各喷氨支管手动蝶阀的开度都已达到最优值。在高低负荷下，两侧烟道的氨逃逸值都小于3×10-6。

3)该电厂在每侧脱硝出口烟道只布置一个CEMS测点，不具代表性。为了使CEMS值具有代表性，应该采用网格法多点取样混合，同时加强CEMS取样分析系统的维护和检测，定期标定。

4)电厂喷氨自动控制逻辑中，推荐的喷氨量值偏大，容易导致氨逃逸过大。同时，喷氨量反应速率慢，不能很好地跟随入口NOx浓度值变化，需要对自动控制逻辑进行优化，适当增加喷氨量反馈的提前量。

5)国内环保政策要求电站锅炉净烟气NOx排放浓度不得高于50 mg/m3，很多电厂为了争取环保电量会竞相压低净烟气NOx排放浓度，但容易带来氨逃逸大，导致空预器堵塞等问题。电厂在满足国家排放政策的前提下需要综合考虑脱硝系统环保性和经济性，制定切实可行的氮氧化物排放规定。建议电厂设置净烟气NOx排放浓度在25～35 mg/m3。