燃煤锅炉喷氨系统性能诊断及结构优化研究

2021-07-02唐吉安顾沛渊范辰浩姜伟华

上海节能 2021年6期

韩军唐吉安顾沛渊范辰浩姜伟华

上海电力股份有限公司吴泾热电厂

0 概述

燃煤锅炉燃烧过程中所生成的主要氮氧化物是NO和NO2，将这两种氮氧化物通称NOx，一般NO占90%以上，NO2占5%～10%左右。选择性催化还原法（Selective Catalytic Reduction，SCR）脱硝技术成熟，脱硝效率高，装置简单，运行可靠，占地面积小，便于维护，是目前国内应用最广泛的烟气脱硝技术[1]，其原理是在烟气中加入还原剂（最常用的是氨和尿素），在一定温度下，还原剂与烟气中的NOx反应，生成氮气和水。

目前，国家政策要求[2]具备改造条件的燃煤电厂应实现超低排放，包括在基准氧含量6%条件下，NOx排放浓度不高于50 mg/Nm3。部分地区燃煤电站的NOx排放浓度控制在30 mg/Nm3以下。为实现更高的脱硝效率，必须增加耗氨量，然而烟气和氨的不均匀分布会增加反应器出口的氨逃逸率[3-7]。有文献介绍通过数值模拟和现场试验等方法，提出多种方法提高脱硝入口反应物混合的均匀性，包括增加烟气导流板[8-10]，动态混合器[11]等。上述方法着重烟气侧的改造，技术方案粗犷、工程量大。

通过现场试验完成锅炉脱硝系统的性能诊断，得到喷氨格栅位置处各细分区域氨氮摩尔比分布，寻找到喷氨系统结构设计缺陷。通过改变细分区域的喷氨格栅阻力，主动适应烟气流速变化，实现非均匀精准喷氨，提高脱硝入口反应物混合均匀程度。

1 设备概况

本文的研究对象为300 MW亚临界π型锅炉、控制循环、四角切向燃烧、一次中间再热、单炉膛平衡通风、固态排渣、露天布置、全钢结构的汽包炉。燃煤机组脱硝改造受限于物理空间，脱硝入口烟道存在截面明显突扩和多处90°拐角。以A侧尾部烟道为例（见图1），省煤器出口水平烟道内布置棋盘式喷氨格栅（见图2），下游烟道经突扩后布置脱硝反应器。省煤器出口至脱硝出口存在4处90°烟道拐角。脱硝出口NOx运行表计布置在偏烟道外侧。

图1 锅炉尾部烟道

2 运行现状

根据环保排放要求，锅炉烟囱排放口的NOx小时平均值不得超过50 mg/Nm3。喷氨格栅优化前，运行工况变化时，锅炉入口NOx发生波动，脱硝出口运行表的NOx随之大幅波动（见图3），瞬时最小值为0 mg/Nm3，瞬时最大值可达到100 mg/Nm3，不利于脱硝系统的自动投运，增加运行人员操作工作量。

图3 变工况下脱硝出口NOx大幅波动

SCR出口烟道试验测点位于第三层催化剂下游，均匀布置8个测试孔，从烟道外侧至中间侧分别为A1···A8。在230 MW和150 MW两个负荷下，完成脱硝出口NOx浓度场试验，以A侧烟道为例，测量结果见表1。

表1 SCR出口NOx实测数据

在150 MW负荷下，A1和A2测点的NOx数值分别为94.6 mg/Nm3和68.5 mg/Nm3，而A7和A8数值为0。230 MW负荷下，A1-A6测点的数值相对接近，但A7和A8数值仅为个位数。150 MW和230 MW负荷下脱硝出口NOx相对标准偏差分别为93.0%和55.5%，说明脱硝出口NOx浓度分布存在很不均匀的状况。

此时，A侧的9个喷氨支管手动截止阀开度见表2，其中螺杆有效长度全关时为0 mm、全开时为75 mm。

由表2可见，A1-A3喷氨支管的阀门几乎处于全关状态，这是导致脱硝系统对应出口区域NOx浓度偏高的直接原因。

采用传统喷氨调平方法[12,13]，即增加对应A1-A3手动截止阀门开度，脱硝出口A2-A5测点位置的NOx表计值为0；同时脱硝出口NOx运行表计（位于测点A3和A4间）的数值也降为0，完全失去代表性，导致脱硝系统无法自动运行，被迫恢复手动截止阀门为初始开度。因此，依靠调节喷氨支管截止阀开度无法实现喷氨调平。

3 原因分析

3.1 氨/空气混合器位置不合理

勘查脱硝喷氨系统设备发现，喷氨系统的氨/空气混合器距离第一根喷氨支管较近（见图4），直接导致氨和空气尚未混合均匀已进入喷氨支管。

图4 喷氨母管现场图

3.2 截止阀流量特性差

机组停机期间稀释风机运行，随机选取2个截止阀，调节不同开度，测量对应喷氨格栅的空气流速，得到截止阀的流量特性曲线，见图5。

图5 截止阀流量特性

由图5可见，阀门螺杆长度由0 mm开至3 mm，实测流量已经达到最大流量的60%；开至7 mm，流量达到最大流量的80%；开至14 mm，实测流量达到最大流量的90%以上。

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阀门开度的微小变化导致介质流量的大幅变化，同时氨/空气混合器位置不合理导致浓度差异大，使传统喷氨调平方法难以实现超低排放条件下的NOx精准控制。

3.3 反应物混合不均

机组停机期间，测试锅炉冷态通风量1 267 t/h和996 t/h下脱硝系统喷氨格栅处的烟气流速分布，磨煤机运行方式以及各二次风门开度与锅炉热态运行工况（230 MW和150 MW）一致。引入烟气相对流速无量纲变量，即分区域烟气速度与截面平均速度之比。单侧烟道测点布置数量与喷氨格栅分区相对应，宽度方向9个点、高度方向6个点，测量结果见表3和表4。

表3 烟气相对流速分布（1 267 t/h）风量

表4 烟气相对流速分布（996 t/h）风量

由表3和表4可见，1 267 t/h工况下，最高烟气相对流速为1.30，最低烟气相对流速为0.74，相对标准偏差为15.1%；996 t/h工况下，最高烟气相对流速为1.31，最低烟气相对流速为0.68，相对标准偏差为14.6%；烟气流速存在不均匀分布。

汇总两个风量下烟道宽度方向和高度方向的烟气相对流速平均值，分布曲线见图6。

图6 喷氨格栅处烟道的烟气相对流速分布

由图6可知，高低两档风量下，不论从宽度方向还是高度方向看，证实不同负荷下喷氨格栅位置处的烟气流速分布规律都相对一致。宽度方向上，烟道A1位置处的烟气相对流速较高，达到平均流速的1.1～1.15倍，这是由于脱硝反应器烟道向外侧突扩造成。其他区域的烟气相对流速基本一致；仅在A8位置处存在较低值为0.9～0.95。高度方向上，烟气流速明显成M形分布，即高度方向上烟气流速存在两处极大值，上标高、中部、下标高烟气流速较低。极大值对应烟气相对流速能达到平均流速的1.2倍，极小值仅为烟气流速平均值的0.85倍。

为了方便分析烟道截面处的氨氮摩尔比分布情况，对应烟气流速分布，将喷氨格栅分成54个区域。机组停机状态下开启稀释风机，喷氨支路手动截止阀全开，测量各分区域的氨/空气流速，可以得到氨/空气相对流速分布。设：脱硝进口NOx浓度无偏差[12]，烟道分区的氨/空气相对流速与烟气相对流速的比值可表征各区域的氨氮摩尔比，其中烟气相对流速分布取两档风量工况的平均值。最终，可得到喷氨格栅处烟道的氨氮摩尔比分布，见图7。

图7 喷氨格栅处烟道的氨氮摩尔比分布

由图7可知，整个宽度方向上，标高2和3区域的氨氮摩尔比基本在0.8左右，严重偏低。这是机组长期运行后，喷氨格栅基材发生严重锈蚀，剥落的锈蚀残渣堵塞格栅底部喷嘴，导致在烟气流速较高区域无法匹配等量的氨/空气。而A7-A9测点的标高4和5区域的氨氮摩尔比大于1.2；一方面是该区域烟气温度较低，另一方面则是其他喷嘴不同程度的堵塞导致该区域氨/空气流量较高。整个烟道截面处的氨氮摩尔比分布存在较大偏差，氨氮摩尔比最大值为1.38、最小值为0.74，相对标准偏差达到15.9%，反应物的混合明显不均匀。