不同型式AIG对喷氨性能影响的试验研究

夏 斌，何陆灿，严晓勇，陈国庆，李朝兵，孙俊威

(1.国能南京电力试验研究有限公司，江苏 南京 210023；2.国能(福州)热电有限公司，福建 福州 350309)

1 引言

选择性催化还原(SCR)技术因其工艺成熟、脱硝效率高，被普遍应用于火电厂氮氧化物减排中[1-4]，其原理是将NH3与空气预混，经喷氨格栅(Ammonia Injection Grid, AIG)与烟气混合后，在催化剂的作用下，将烟气中的NOx还原成N2和H2O。利用选择性催化还原技术能有效减少NOx排放，但也带来了一些新问题。其中，最为普遍的问题就是脱硝反应器内局部氨氮摩尔比不匹配，氨氮摩尔比偏低的区域脱硝效率低，影响NOx的超低排放；氨氮摩尔比偏高的区域氨逃逸量大，易产生硫酸氢氨，并与飞灰等附着在空预器上，增大空预器阻力，影响空预器的安全运行[5-6]。因此，有必要进行喷氨优化调整试验，以保证脱硝反应器内喷氨量与烟气中NOx的良好匹配。本文介绍了进行喷氨优化调整试验方法，并结合某厂AIG改造，对两种型式AIG调整效果进行对比。

2 研究方法

2.1 喷氨优化调整试验方法

现场进行喷氨优化调整试验具体步骤如下：(1)测量脱硝反应器出口NO质量浓度分布；(2)根据NO质量浓度分布，计算脱硝反应器出口NOx质量浓度分布不均匀度；(3)将计算得到的NOx质量浓度不均匀度与目标不均匀度进行比较，当脱硝反应器出口NOx质量浓度分布不均匀度小于目标不均匀度时，喷氨优化调整完成；当脱硝反应器出口NOx质量浓度分布的不均匀度大于目标不均匀度时，根据脱硝反应器出口NOx质量浓度分布特性，调整喷氨支管手动蝶阀开度，重复第(1)～(3)步骤，直至脱硝反应器出口NOx质量浓度分布不均匀度小于目标不均匀度。

上述调整方法以及诸多文献[7-10]均采用不均匀度(vx)概念来衡量脱硝反应器出口NOx质量浓度分布的均匀性，即喷氨优化调整结果，计算公式：

(1)

(2)

(3)

式中：Ex为脱硝反应器出口NOx质量浓度算术平均值；σx脱硝反应器出口NOx质量浓度标准方差；vx为脱硝反应器出口NOx质量浓度分布不均匀度。

2.2 喷氨格栅简介

2.2.1 喷氨格栅类型

工程上通常称NH3喷射混合装置为喷氨格栅(AIG)，其主要作用是将稀释后的NH3喷入烟道内与烟气均匀混合[11-13]。AIG按结构型式主要分为三大类[14-15]：涡流静态混合式AIG、线性控制式AIG、分区控制式AIG。

涡流静态混合式AIG的主要特点是喷嘴孔径大，喷氨管及喷嘴数量少，堵塞风险低；喷嘴与静态混合器配合使用，且喷嘴个数与静态混合器的片数一致[11]。线性控制式AIG的主要特点是通常沿烟道一个方向或者相互垂直的两个方向布置若干支配有喷嘴的喷氨管，每支喷氨管的喷氨量可根据烟气中NOx含量可单独调整[12]。分区控制式AIG的主要特点是将烟道横截面划分为若干个面积相同的区域，每片区域布置相同数量的喷嘴，每片区域的喷氨量可根据烟气中NOx含量单独调整[16]。

2.2.2 某厂AIG改造概况

某电厂锅炉为哈尔滨锅炉厂有限责任公司生产的超临界600MW纯凝式燃煤发电机组锅炉，π型布置，燃烧器为轴向旋流燃烧器，为前后墙对冲布置方式。该锅炉配套的脱硝系统采用选择性催化还原技术，SCR反应器布置在省煤器与空气预热器之间的高含尘区域，采用尿素作为脱硝还原剂。每侧脱硝反应器入口安装6支喷氨支管，每根支管配备一组涡流静态混合式AIG，支管上安装手动蝶阀，喷氨流量沿烟道宽度方向可调。为了改善脱硝出口NOx质量浓度分布的均匀性、降低局部氨逃逸体积浓度、防止空预器堵塞，电厂进行了喷氨格栅改造，将涡流静态混合式AIG改造为分区控制式AIG，根据烟道尺寸以及数值模拟结果将每侧脱硝反应器入口划分为3×6个区，每个区均布置手动蝶阀，可实现深度和宽度两个维度调节喷氨量的功能。

2.2.3 喷氨支管与出口测点位置关系

喷氨优化调整试验时，调整喷氨支管手动阀门开度的原则：NOx质量浓度高的区域对应的喷氨手动蝶阀要开大，NOx质量浓度低的区域对应的喷氨手动蝶阀要关小[17-20]。因此，在调整喷氨支管手动阀门开度前，先确定喷氨支管喷氨覆盖区域与出口测点位置的对应关系。喷氨位置与测点位置布置示意图、涡流静态混合式AIG以及分区控制式AIG脱硝系统喷氨支管喷氨覆盖面与出口测点位置的对应关系见图1-图3，其中图3小支管喷氨手动蝶阀未示出。

图1 喷氨位置与测点位置布置示意图Fig.1 Schematic diagram of location of ammonia injection and measuring point

图2 涡流静态混合式AIG脱硝系统喷氨支管喷氨覆盖面与出口测点位置对应关系图Fig.2 The corresponding relationship between ammonia injection coverage of ammonia injection branch pipe and the position of outlet measuring point in denitrification system under vortex static hybrid AIG

图3 分区控制式AIG脱硝系统喷氨支管喷氨覆盖面与出口测点位置对应关系图Fig.3 The corresponding relationship between ammonia injection coverage of ammonia injection branch pipe and the position of outlet measuring point in denitrification system under partition-controlled AIG

3 结果与讨论

为了验证喷氨格栅改造后效果，在喷氨格栅改造前后均进行了喷氨优化调整试验。根据喷氨支管手动阀调整方法，阀门本着先开后关的原则，开大NOx质量浓度偏高的区域对应的喷氨手动蝶阀，关小NOx质量浓度偏低的区域对应的喷氨手动蝶阀。所有试验均在500MW负荷下进行，试验过程中，烟囱出口NOx质量浓度均控制在40 mg/m3左右，试验采用网格法[21-25]测量了优化调整前后脱硝反应器出口NOx质量浓度分布以及氨逃逸体积浓度分布。每侧脱硝反应器出口均有7个测孔，沿测孔深度方向，由外向内依次布置4个不同深度NOx质量浓度测点，同时在每个测孔中央布置一个氨逃逸体积浓度测点。

3.1 涡流静态混合式AIG试验结果

3.1.1 优化调整前后喷氨阀门开度

500MW负荷下，采用涡流静态混合式AIG，喷氨优化调整前后，喷氨阀门开度如表1所示。

表1 涡流静态混合式AIG喷氨优化调整前后喷氨阀门开度Tab.1 Opening degrees of the ammonia injection valve before and after the optimization adjustment of the vortex static mixing AIG ammonia injection

3.1.2 优化调整前后NOx质量浓度分布

500MW负荷下，采用涡流静态混合式AIG，喷氨优化调整前后，NOx质量浓度分布如图4所示。

图4 涡流静态混合式AIG喷氨优化调整前后脱硝出口NOx质量浓度分布图Fig.4 Distribution diagram of NOx mass concentration at outlet of denitrification system under vortex static hybrid AIG before and after the adjustment

500MW负荷下，采用涡流静态混合式AIG，喷氨优化调整前，A侧脱硝反应器出口NOx质量浓度为0mg/m3～110.3mg/m3，分布不均匀度72.8%；B侧脱硝反应器出口NOx质量浓度0mg/m3～111.2mg/m3，分布不均匀度为90.3%。A、B两侧脱硝反应器出口NOx质量浓度分布不均。

喷氨优化调整后，A侧脱硝反应器出口NOx质量浓度11.1mg/m3～84.9mg/m3，分布不均匀度为39.3%；B侧脱硝反应器出口NOx质量浓度5.9mg/m3～75.6mg/m3，分布不均匀度为40.2%。

经喷氨优化调整后，虽在一定程度上提高了脱硝反应器出口NOx质量浓度分布均匀性，由于NOx深度方向上的不均无法调整，限制了NOx质量浓度分布的进一步降低。

3.1.3 优化调整前后氨逃逸体积浓度分布

500MW负荷下，采用涡流静态混合式AIG，喷氨优化调整前后，氨逃逸体积浓度分布如图5所示。喷氨优化调整前，A、B侧脱硝反应器出口NH3逃逸体积浓度平均值分别为2.39μL/L、2.97μL/L。

图5 涡流静态混合式AIG喷氨优化调整前后脱硝出口氨逃逸体积浓度分布图Fig.5 Distribution diagram of NH3 escape volume concentration at outlet of denitrification system under vortex static hybrid AIG before and after the adjustment

喷氨优化调整后，A、B侧脱硝反应器出口NH3逃逸体积浓度平均值分别为0.97μL/L、0.96μL/L。

经过喷氨优化调整，脱硝系统内氨氮摩尔比匹配状况有效改善，脱硝出口NH3逃逸体积浓度降低，局部氨逃逸过高现象消失。

3.2 分区控制式AIG试验结果

3.2.1 优化调整前后喷氨阀门开度

500MW负荷下，采用分区控制式AIG，调整手动蝶阀将SCR出口横截面NOx浓度纵向分布调匀后，电动调节阀门由系统自行调整。喷氨优化调整前所有喷氨手动蝶阀开度均为80%，喷氨优化调整后，喷氨手动蝶阀开度如表2所示。

表2 分区控制式AIG喷氨优化调整后喷氨手动蝶阀开度Tab.2 Opening degrees of the manual butterfly valve for ammonia injection after the optimization and adjustment of the partition control type of AIG ammonia injection

3.2.2 优化调整前后NOx质量浓度分布

500MW负荷下，采用分区控制式AIG，喷氨优化调整前后，NOx质量浓度分布如图6所示。

从图6可知，采用分区控制式AIG，喷氨优化调整前，A侧脱硝反应器出口NOx质量浓度8.4mg/m3～81.8mg/m3，分布不均匀度为36.2%。B侧脱硝反应器出口NOx质量浓度7.8mg/m3～71.9mg/m3，分布不均匀度为45.4%。A、B两侧脱硝反应器出口NOx质量浓度分布不均。

图6 分区控制式AIG喷氨优化调整前后脱硝出口NOx质量浓度分布图Fig.6 Distribution diagram of NOx mass concentration at outlet of denitrification system under partition controlled AIG before and after the adjustment

喷氨优化调整后，A侧脱硝反应器出口NOx质量浓度30.6mg/m3～47.6mg/m3，分布不均匀度为13.2%；B侧脱硝反应器出口NOx质量浓度范围21.7mg/m3～46.9mg/m3，分布不均匀度为18.8%。

经喷氨优化调整后，脱硝反应器出口NOx质量浓度分布在宽度和深度方向均得到有效改善。

3.2.3 优化调整前后氨逃逸体积浓度分布

500MW负荷下，采用分区控制式AIG，喷氨优化调整前后，氨逃逸体积浓度分布如图7所示。

图7 分区控制式AIG喷氨优化调整前后脱硝出口氨逃逸体积浓度分布图Fig.7 Distribution diagram of NH3 escape volume concentration at outlet of denitrification system under partition-controlled AIG before and after the adjustment

500MW负荷下，采用分区控制式AIG，喷氨优化调整前，A、B侧脱硝反应器出口NH3逃逸体积浓度平均值分别为0.78μL/L、1.91μL/L。

喷氨优化调整后，A、B侧脱硝反应器出口NH3逃逸体积浓度平均值0.57μL/L、0.79μL/L。

与涡流静态混合式AIG相比，对分区控制式喷氨优化调整后，脱硝系统内氨氮摩尔比更加合理，使得脱硝出口NH3逃逸体积浓度更低。

4 结论

(1)500MW负荷下，采用涡流静态混合式AIG，经过喷氨优化调整，A、B两侧脱硝反应器出口NOx质量浓度分布不均匀度分别由72.8%、90.3%下降至39.3%、40.2%；A、B两侧脱硝反应器出口NH3逃逸浓度平均值分别由2.39μL/L、2.97μL/L下降至0.97μL/L、0.96μL/L。

(2)500MW负荷下，采用分区控制式AIG，经过喷氨优化调整，A、B两侧脱硝反应器出口NOx质量浓度分布不均匀度分别由36.2%、45.4%下降至13.2%、18.8%；A、B两侧脱硝反应器出口NH3逃逸浓度平均值分别由0.78μL/L、1.05μL/L下降至0.57μL/L、0.68μL/L。

(3)涡流静态混合式AIG，NOx质量浓度深度方向上不均问题无法调整，限制了NOx质量浓度分布的进一步降低。分区控制式AIG，经喷氨优化调整后，脱硝反应器出口NOx质量浓度分布在宽度和深度方向均得到有效改善，脱硝系统内氨氮摩尔比更加合理，脱硝出口NOx质量浓度分布更加均匀，NH3逃逸体积浓度更低。分区控制式AIG效果优于涡流静态混合式AIG。