300 MW机组喷氨优化分析及评估

高 鹏，孟 强，王承亮，王玉敬，吕为智，李剑宁

(1.华电邹县发电有限公司，山东济宁 273522；2.华电国际电力股份有限公司技术服务分公司，济南 250000；3.上海发电设备成套设计研究院有限责任公司，上海 200240)

燃煤电厂污染物排放治理一直是近些年来火电领域研究的重点，在治理污染物排放的过程中，从政策层面，国家要求火电机组NOx排放质量浓度不超过50 mg/m3，为燃煤电厂的氮氧化物(NOx)排放治理明确了方向和指标[1]；从技术方面，火电机组积极根据自身煤质情况，采取多种手段降低出厂NOx的排放量，炉内燃烧侧治理NOx的手段主要是通过低氮燃烧器增加炉内还原性气氛，从而抑制NOx的生成，在尾部烟道采用选择性催化还原(SCR)技术，对烟气中NOx进行脱除，通过使用催化剂与炉内喷氨的手段，最终使NOx排放质量浓度低于50 mg/m3。

在污染物排放治理的同时，由于火电形势的变化，在火电机组运行方面，也有一些其他政策性的指导。2016年6月，国家能源局发布第一批火电灵活性改造试点项目的通知，确定丹东电厂等16个项目为提升火电灵活性改造试点项目，由此拉开了火电机组灵活性深度调峰改造的序幕。

在超低排放和深度调峰的政策要求下，为追求经济侧盈利，降低燃料成本，机组燃烧实际煤质大幅偏离设计值，对于已经进行SCR脱硝改造后的机组，均存在不同程度的喷氨过量、负荷频繁波动、SCR脱硝反应器烟温不足、烟气含硫量偏高等现象，引起 NH3和NOx混合不均、SO2氧化率过大、喷氨控制协调落后、氨逃逸率过大等问题，最终造成SCR脱硝系统下游空气预热器(简称空预器)侧堵塞[2]，影响机组运行的经济性和安全性。

针对目前燃煤机组在喷氨优化方面的工作，方朝君等[3]就某600 MW机组进行脱硝出入口NO和NH3质量浓度分布测量，并对喷氨格栅支管进行优化调整，优化后A、B侧出口NOx质量浓度相对标准偏差都降至8%以内；梁俊杰等[4]对国内多台燃煤机组进行汇总分析，就喷氨全过程的数据进行分析，并寻求共性规律，为脱硝优化调整提供了理论分析支撑；刘建航等[5]对某300 MW机组进行燃烧侧的优化调整，通过空气分级手段主动降低NOx质量浓度，实现整体喷氨量的下降；齐晓辉等[6]重点针对喷氨格栅的喷口进行优化，提高了SCR脱硝系统中烟气速度分布和氨浓度分布的均匀性。

综上所述，燃煤机组在一段时间的运行后，均出现不同程度的NOx质量浓度偏差，通过脱硝侧喷氨优化调整可实现机组氨氮浓度在SCR脱硝反应器内的均匀分布，有利于减少后期运行中的氨量并缓解下游空预器的堵塞情况。

1 机组概况

某电厂机组锅炉为亚临界压力中间一次再热控制循环锅炉，锅炉为П形布置，平衡通风，四角喷燃。炉前布置3台低压头炉水循环泵，机组SCR烟气脱硝装置设置2台反应器，布置在省煤器和空预器之间，每台反应器的截面尺寸为13 480 mm×12 010 mm，反应器内催化剂按照“2+1”模式布置，脱硝还原剂采用液氨，氨气与稀释风混合后，通过布置在SCR脱硝反应器入口烟道截面上的喷氨格栅喷口喷入SCR脱硝反应器烟道中，每台SCR脱硝反应器在入口垂直烟道上沿宽度方向上布置喷氨管，每侧分12组，每组又分为2根支管伸入烟道内不同深度。每组喷氨支管上安装了1个手动调节阀，通过调节阀门开度，实现沿反应器宽度和深度方向上喷氨量分区控制(见图1)。

图1 测点分布示意图

2 试验内容及工况设计

按照电站锅炉性能试验规程要求，机组SCR喷氨优化试验主要分摸底试验、高负荷喷氨优化试验及其余负荷喷氨优化试验3个部分。

2.1 摸底试验

在高负荷工况下，对机组运行工况进行摸底，主要测量NOx质量浓度分布。摸底试验旨在作为基准工况，为后续优化试验提供对比基础。

2.2 高负荷喷氨优化试验

在高负荷下，根据SCR脱硝反应器出口截面的NOx质量浓度分布，对反应器进口的喷氨格栅手动蝶阀开度进行调节，最大限度提高反应器出口的NOx质量浓度分布均匀性。

2.3 其余负荷喷氨优化试验

根据优化后的喷氨支管手动阀开度，在中低负荷进行喷氨效果校验。

A、B两侧SCR脱硝反应器沿宽度方向各有7个测孔，沿除尘器至锅炉本体方向分别编号A1～A7、B1～B7，其中，A2和B2两个测孔已被业主测试仪器占用，A7和B7两个测孔处于边缘斜烟道区域。由于流场分布原因，NOx质量浓度基本不变，因此本次试验未将A2、B2、A7、B7测孔考虑在内。测孔位置及分布见图2。喷氨优化试验测点及测量项目见表1。

图2 网格法测点布置

表1 喷氨优化试验测点及测量项目

在SCR脱硝反应器出入口，同时采用网格进行法逐点烟气取样，采用德图testo350多功能烟气分析仪分析NO和O2，采用加权平均法计算SCR脱硝反应器出入口的NO浓度(干基、NO体积分数为95%、O2体积分数为6%，下同)。在SCR脱硝反应器出口截面进行多点烟气取样，以硫酸为吸收溶液采集氨样品，并记录所采集的烟气流量和O2浓度。利用离子光谱法分析氨溶液中的NH3浓度，并根据烟气流量，计算烟气中NH3浓度。烟气温度测量按照等截面网格法，利用经校验合格的Ⅱ级精度K形铠装热电偶和单点温度计，测量烟道截面的烟气温度分布。

3 试验结果及分析

3.1 摸底试验

在机组255 MW负荷下进行摸底试验，基于NOx体积分数试验结果初步评估SCR脱硝系统现状，主要包括NOx质量浓度分布及O2质量浓度分布，摸底试验工况数据汇总见图3。

图3 摸底试验测点NOx体积分数分布

从图3可以看出，A、B两侧SCR脱硝反应器NOx质量浓度沿宽度和深度方向呈现不均匀分布。具体表现为：A侧SCR脱硝反应器出口在宽度方向靠近锅炉本体侧NOx质量浓度明显偏低，靠除尘器侧NOx质量浓度明显偏高，A侧出口截面NOx平均质量浓度为23.2 mg/m3，最高质量浓度为49.9 mg/m3，最低质量浓度为10.19 mg/m3，整个截面出口NOx质量浓度相对标准偏差为51.7%，A侧平均氨逃逸体积分数为2.10×10-6；B侧SCR脱硝反应器出口NOx质量浓度分布正好相反，在宽度方向靠近锅炉本体侧区域NOx质量浓度明显偏高，靠近除尘器侧区域NOx质量浓度明显偏低，B侧出口截面NOx平均质量浓度为33.6 mg/m3，最高质量浓度为55.1 mg/m3，最低质量浓度为20.53 mg/m3，整个截面出口NOx质量浓度相对标准偏差为28.0%，B侧平均氨逃逸体积分数为3.10×10-6。A、B侧NOx质量浓度分布相反，分析原因为烟气从省煤器出口分成两股分别对称进入A、B侧SCR脱硝反应器，因此烟道出口NOx分布呈对称分布，后期建议对机组进行流场导流优化。

3.2 喷氨优化试验

3.2.1 高负荷喷氨优化试验

1号机组喷氨优化试验在290 MW负荷进行，主要调整原则是控制SCR脱硝反应器出口NOx质量浓度在50 mg/m3以内。在满足环保要求的前提下，根据实测SCR脱硝反应器出口截面NOx体积分数分布情况，对喷氨格栅各支管手动阀开度进行多次调整，通过开大关小的方式，直至SCR脱硝反应器出口截面NOx体积分数分布均匀性达到合理状况。1号机组整个优化调整过程进行4次，喷氨优化试验过程中SCR脱硝反应器出口NOx体积分数分布见图4～图7。

图4 第1次调整试验试验测点NOx体积分数分布

图5 第2次调整试验试验测点NOx体积分数分布

图6 第3次调整试验试验测点NOx体积分数分布

图7 第4次调整试验试验测点NOx体积分数分布

4次调整优化试验主要是以摸底工况为基准，通过控制SCR脱硝反应器出口NOx质量浓度偏差，逐次调整至SCR脱硝反应器出口NOx质量浓度相对标准偏差低于15%的目标要求。

图8显示了A、B侧NOx质量浓度在试验过程中的变化过程。从图8可以看出：随着喷氨优化调整过程的深入，A、B两侧SCR脱硝反应器出口截面NOx平均质量浓度基本不变，经测算，A侧SCR脱硝反应器出口截面NOx质量浓度相对标准偏差由摸底试验工况的51.7%降低至8.4%，B侧SCR脱硝反应器出口截面NOx质量浓度相对标准偏差由摸底试验工况的28.0%降低至9.8%，A、B侧SCR脱硝反应器出口截面NOx平均质量浓度保持在40 mg/m3左右，其分布逐渐趋于均匀。经过4次喷氨优化调整后，A、B侧平均氨逃逸体积分数由调整前的2.10×10-6、3.10×10-6分别降低至0.30×10-6、1.83×10-6。

图8 4次调整试验试验测点NOx质量浓度分布

3.2.2 其余负荷喷氨优化试验

在高负荷的调整基础上，为全面掌握优化调整效果，针对优化后的喷氨支管手动阀开度，在机组255 MW及210 MW负荷下，对A、B两侧SCR脱硝反应器出口NOx体积分数进行校验测试，测试结果见图9、图10。

图9 255 MW试验测点NOx体积分数分布

图10 210 MW试验测点NOx体积分数分布

从图9和图10可以看出：1号机组在经过喷氨优化调整后，A、B两侧SCR脱硝反应器出口NOx质量浓度分布均匀性得到了明显的提高和改善。高、中、低负荷运行时，SCR脱硝反应器出口未出现局部NOx质量浓度过高或过低、氨逃逸体积分数局部偏高等现象。

3.3 喷氨优化试验评估

3.3.1 脱硝效率及氨逃逸评估

根据1号机组在290 MW、255 MW和210 MW负荷下喷氨优化调整试验对脱硝效率与氨逃逸进行评估，结果见表2。

表2 脱硝效率及氨逃逸汇总

从表2可以看出：各负荷段下SCR反应器的A侧和B侧NOx质量浓度相对标准偏差均控制在15%以下，喷氨优化调整后，290 MW负荷下，机组SCR脱硝反应器出口截面NOx质量浓度相对标准偏差从最高51.7%下降到8.4%，SCR脱硝反应器脱硝效率A、B侧分别为82.3%、83.9%，基本恢复到设计值。

3.3.2 脱硝系统阻力测试

针对1号机组在290 MW下的SCR脱硝系统阻力进行测试，结果见表3。

表3 290 MW下SCR脱硝系统阻力测试

从表3可以看出：喷氨优化调整后，机组SCR脱硝系统阻力A、B侧分别维持在1 053 Pa、941 Pa，基本恢复到设计值。总体来看，经过手动喷氨优化调整，在保证NOx质量浓度不超标的情况下，首先通过喷氨总量控制A、B侧NOx质量浓度的主要偏差，其次分别针对每侧沿宽度方向的偏差分别进行优化调整后，调整效果良好，喷氨优化调整后对当前煤种下机组高、中、低负荷的适应性较好。

4 结语

通过对300 MW机组SCR脱硝装置进行喷氨优化调整，得到如下结论：

(1)现行机组运行由于煤质变化、负荷波动等因素，SCR脱硝反应器出口NOx质量浓度偏差较大，摸底试验中，A、B侧出口NOx质量浓度相对标准偏差分别为51.7%和28%。

(2)在290 MW负荷下机组进行喷氨优化，A侧SCR脱硝反应器出口NOx质量浓度相对标准偏差由摸底试验工况的51.7%降低至8.4%，B侧SCR脱硝反应器出口NOx质量浓度相对标准偏差由摸底试验工况的28.0%降低至9.8%，A、B侧平均氨逃逸体积分数由调整前的2.10×10-6、3.10×10-6分别降低至0.30×10-6、1.83×10-6。

(3)喷氨优化调整后，对中低负荷进行校验，SCR脱硝反应器出口未出现局部NOx质量浓度偏差过大和氨逃逸率过大等现象，对机组全工况下的脱硝运行适应性较好。

(4)喷氨优化调整后，脱硝效率及反应器烟气侧阻力基本恢复到设计值，有利于机组设备的长期运行和寿命维护。