350MW超临界直流锅炉脱硝技术改造及降低氨耗量优化调整

贾文飞，王晓峰，李中尧，霍英海，谷明亮

（内蒙古京能康巴什热电有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017010 ）

SCR法即所谓的选择性催化还原技术，SCR是最成熟的烟气脱硝技术，它是一种炉后脱硝方法,是利用还原剂(NH3, 尿素)在金属催化剂作用下，选择性地与 NOx反应生成N2和H2O，而不是被O2氧化，故称为“选择性”[1]。康巴什热电采用的还原剂即NH3，通过SCR反应器的喷氨格栅作为催化剂，与NOx反应生成N2和H2O降低污染物的排放，该法脱硝效率高，价格相对低廉，是电站烟气脱硝的主流技术。

在2018年至2020年间，在经历了一系列探索之后，康巴什热电通过燃烧调整及优化喷氨控制将喷氨耗量由2018年的3.26kg/mwh降至2019年的2.7kg/mwh，2020年在过去的几月中平均耗量也在2.6kg/mwh以下。

1 设备改造

1.1 全负荷脱硝改造

内蒙古京能康巴什热电有限公司2×350MW机组锅炉设计时采用了SCR脱硝技术，为确保脱硝效率以及设备的安全运行，脱硝装置的投运对SCR入口烟温有一定的要求，通常要求其进口烟温在300℃～405℃范围内，而锅炉在设计时为降低排烟温度，为提高锅炉热效率，设置了足够的省煤器受热面积，以尽可能降低省煤器的出口烟温[2]。但在低负荷运行下，因省煤器出口烟温较低，不能满足SCR脱硝装置的投运要求。省煤器出口烟温实际运行数据及设计运行数据如下表所示。

从表1、表2数据可以看出，省煤器出口烟温设计值与实际运行值十分接近，暂以设计的运行烟温数据作为原始输入数据。现场运行数据和设计计算数据均为50%THA负荷以下，SCR脱硝装置入口处烟气温度达不到要求，无法投运SCR脱硝装置。脱硝装置厂家要求脱硝入口烟温不得低于310℃，而投产以来1号机组脱硝入口烟温低于310℃累计时长1658小时，机组运行总时长6503小时，烟温低于310℃运行时间占机组运行时间的25.49%；2号机组脱硝入口烟温低于310℃累计时长1350小时，机组运行总时长4109小时，烟温低于310℃运行时间占机组运行时间的32.85%。脱硝入口烟温长期低于310℃时，由于催化剂效率低，导致氨逃逸率高，产生硫酸氢氨，进而导致空预器堵塞等不良后果。

针对上述问题，康巴什热电经过改造增加省煤器进口到脱硝入口的旁路烟道，在低负荷期间，开启其旁路烟道使部分烟气不经过省煤器，减少热量传递，保证进入SCR反应器时能够有足够的温度。

抽烟口选取位置位于后烟井后墙低温再热器与省煤器之间的空挡处。后烟井后墙置一个烟气抽口，高温烟气经抽口进入汇合烟道。汇合烟道后设置两路旁路烟道，分别进入省煤器出口烟道，高、低温烟气在此处混合，流向SCR入口烟道。同时，在原有的烟气主路上设置一个烟风调节挡板，进行烟气的节流调节，经过试验，在50%BMCR负荷下，主路烟气节流调节挡板在旁路全开的情况下关至13%对机组风烟调节无影响，30%BMCR负荷时SCR入口处烟气温度仍达到300℃以上。

表1 省煤器出口实际运行烟温

表2 省煤器出口设计运行烟温

图1 低氮燃烧器改造情况及炉膛一二次风射流角度图

1.2 低氮燃烧器改造

康巴什热电燃烧方式采用摆动式四角切圆燃烧技术，原有的燃烧器布置为20只直流式燃烧器分5层布置于炉膛下部四角，煤粉和空气从四角送入，在炉膛中呈切圆方式燃烧。在主燃烧器和炉膛出口之间布置有1组SOFA燃烧器喷嘴（共5层）。由于机组设计施工时国家污染物排放标准NOx排放浓度＜100mg/m³，但随着超低排放要求的降低，原有的燃烧器设计结构不能够满足相关的运行要求，为此该电厂针对燃烧器进行了低氮燃烧器改造项目。此次改造现有燃烧器风箱壳体不动，一次风标高不动，一次风组件、紧邻燃烧器的煤粉弯头及二次风喷口重新设计。一次风喷口采用上下浓淡中间带稳燃钝体的燃烧器；采用新的二次风喷口，适当减小端部风室、油风室及中间空气风室的面积；二次风喷口采用预偏置喷口设计，二次风喷口与一次风喷口形成4°夹角（改造前夹角为17°）。端部二次风及一次风设计为顺时针方向旋转，一次风切圆调整变为Φ493mm（改造前直径为1193mm）；中间二次风改为与一次风小角度偏置，反向切入，形成横向空气分级。风量重新合理分配，并调整主燃烧器区一、二次风喷口面积，使一次风速满足入炉煤种的燃烧特性要求，主燃烧器区的二次风量适当减小，形成纵向空气分级。保留原SOFA燃尽风喷口，在原SOFA燃烧器与主燃烧器之间（标高32.715m）布置新的两层SOFA喷口。原最上层燃尽风喷口设计时不考虑运行，改造过程中保留此层喷口，作为备用调整手段。总SOFA燃尽风风率按照35%设计（改造前为28%），新增燃尽风取自锅炉二次风大风道。

燃烧器改造后，炉膛空间尺度和煤粉燃烧过程尺度有了更大的调整余度，将炉内大空间整体作为对象，通过炉内射流合理组合及喷口合理布置，炉膛内中心区形成具有较高温度、较高煤粉浓度和较高氧气区域。同时炉膛近壁区形成较低温度、较低CO和较低颗粒浓度的区域，使在空间尺度上中心区和近壁区三场(温度场、速度场及颗粒浓度场)特性差异化。

2 SCR装置喷氨优化及燃烧调整方式优化降低喷氨耗量

经过设备的改造之后，两台机组均具备了超低排放的条件，NOx排放能够控制在50mg/Nm3以下，满足了环保对其相关参数的要求，但在改造投入使用后第一年的参数调整中发现，耗氨量偏大，2017年为3.10kg/mwh,2018年达到了3.26kg/mwh。

通过分析可知，设备容量满足调整要求的前提下，调整方法是影响液氨耗量的主要因素，而在整个NOx从生成到排放的流程当中，降低初始NOx生成浓度，提高SCR反应器内转化效率是调整过程中的重点控制方向。针对上述问题，康巴什热电对SCR装置喷氨进行了优化，并对燃烧调整方式进行了试验优化，将液氨耗量大幅降低[3]。

2.1 喷氨格栅支管调节

在锅炉180MW负荷条件下，脱硝装置按常规方式运行，测试反应器进出口的NOx浓度和反应器出口氨逃逸，根据SCR反应器出口截面的NOx浓度分布，对反应器入口竖直烟道上的AIG喷氨格栅的手动阀门开度进行多次调节，最大限度提高反应器出口的NOx分布均匀性[4]。

经过多次调整后，喷氨格栅各方阀门开度如下。

表3 调整后各阀门开度表

经过调整后，在上述所示阀门开度下，340MW负荷下A侧反应器出口NOx分布相对标准偏差为10.9%，B侧反应器出口NOx分布相对标准偏差为8.7%，NOx浓度分布相对标准偏差大幅缩减，整个反应器内的NOx均匀性得以提高。

2.2 燃烧调整方式优化

1号机组污染物超低排放改造低氮燃烧器改造后，整体的二次风门及炉膛火焰中心情况有了很大的改变，这就对炉膛的燃烧调整方式及配风方式有了新的要求。设备改造为降低NOx生成浓度提供了先提条件，但若要降低NOx生成浓度就要保证风量不要过剩的前提下，让炉膛出口的空气流场变的更平稳。通过以往数据统计机组满负荷（350MW）运行工况下，炉膛出口NOx浓度值约230～310 mg/Nm3，总的喷氨量约90kg/h，SCR出口烟气NOx浓度值约65 mg/Nm3；50%BMCR（175MW）运行工况下，炉膛出口NOx浓度值约260～330 mg/Nm3，总的喷氨量约75kg/h，SCR出口烟气NOx浓度值约60 mg/Nm3。而在新改造后燃烧器布置改变的情况下，又通过实验对二次风进行了重新配比，整体对燃烧方式进行了改变，通过归纳总结出二次风配比时开大SOFA-1、SOFA-I可以有效地降低NOx生成浓度，使炉膛出口空气动力场更平稳，同时优先开大周界风关小辅助风可以在防止结焦的同时满足燃烧要求。

1号机组锅炉低氮燃烧器改造和修改配风方式之后，根据现场运行数据，在330MW工况下，炉膛出口NOx排放约180-190mg/Nm3，低于200mg/Nm3，总的喷氨量约80kg/h，SCR出口烟气NOx浓度值约20 mg/Nm3；在50%BMCR负荷的工况下，炉膛出口NOx排放控制＜250mg/Nm3，有效的控制了炉膛出口NOx的生成浓度。

2.3 优化脱硝喷氨控制调门特性

原有的PID控制是根据以前的被调量偏差来进行调节，属于“事后”调节，无法提前调节，它只能依靠“过量”调节使喷氨尽可能跟上NOx生成浓度摆动。若喷氨的“过量”量小，喷氨控制跟不上NOx波动；“过量”量大，则系统不稳定，NOx参数容易振荡。模型预测控制器（MPC）将喷氨的“过量调节”变为“不过量或少过量的提前调节”，这样不仅可以使喷氨跟上烟囱入口的NOx变化，而且可以有效减缓过调引起的振荡[5]。

3 结论总结

通过上述方式的综合调整之后该电厂的液氨耗量有了明显的降低。

2019年2月液氨耗量在3.55kg/mwh，其他月份的液氨耗量均在3kg/mwh以下，2019年2月，公司为降低燃煤成本掺烧了大量高硫煤，因掺烧高硫煤防止硫化物生成浓度超标，整体调整风量要求比平时偏高，导致NOx浓度生成高，液氨耗量大幅增加。除2019年2月的个体数据偏高以外，其他月份的耗氨量均在控制范围以内，并且每年的氨耗量减少幅度较大。

经过四年的试验观察可以看出，在降低NOx浓度生成物方面，主要是通过设备改造能够满足调整前提后，通过二次风的配比来降低其生成浓度，在二次风配比的时候还要兼顾好炉膛结焦情况及空气动力场的分布情况，同时煤种不要选用例如高硫煤等其他影响因素的煤种。当炉膛出口NOx浓度降的较低，空气动力场较为平稳的进入SCR反应器后，提高SCR反应器的效率便成了另外一个关键因素，调整每一个喷氨格栅的喷氨情况，使其混合均匀的进行反应，尽量维持SCR反应器内的温度在催化剂活性较高的区域，同时对喷氨调门进行优化，保证整个反应的过程平稳。当上述调整都满足后，液氨耗量即可平稳的降低。