六角切圓鍋爐改造后NOx排放特性研究

唐樹芳，唐郭安，喻小偉，吳暢

（華電電力科學研究院有限公司，浙江省 杭州市 310030）

0 引言

隨著中國火電建設步伐的加快，控制燃煤電廠氣體污染物排放已經成為重中之重。在燃煤電站排放的大氣污染物中，NOx對生態(tài)環(huán)境和人體健康的危害極大，且難以處理。我國《火電廠大氣污染物排放標準》應用于燃煤電站，對NOx排放限制標準日益嚴格。近2年來我國各種類型的燃煤電廠已普遍使用選擇性催化還原技術(selective catalytic reduction，SCR)進行 NOx的治理[1-7]。六角切圓煤粉鍋爐具有自己的特性，整個爐內氣流旋轉強度較弱[8-10]，在國內外煤電行業(yè)占有比例少，對通過低氮燃燒改造后的運行調整情況缺乏相應的研究，又由于鍋爐超低排放改造比較集中，時間較短，改造完成后的新機組在投運后出現流場分布不均勻，脫硝出口NOx分布不夠均勻，出口氨逃逸超標的問題，再加上技術人員運行水平限制以及現場設備操作不當等原因，不能有針對地進行噴氨，造成噴氨濃度很大，增加了還原劑耗量，降低了機組運行安全性及機組運行的經濟性。本文選取一臺完成超低排放改造的六角切圓煤粉鍋爐為例，對其進行脫硝進出口NOx質量濃度分布及氨逃逸質量濃度的研究。

1 設備概況

某六角切圓燃煤鍋爐為超高壓、一次中間再熱、單汽包自然循環(huán)煤粉鍋爐，鍋爐型號為HG-670/140-12HM，脫硝系統(tǒng)為SCR系統(tǒng)，鍋爐的設計煤質見表1，脫硝入口設計參數見表2。

表1 鍋爐設計煤質Tab. 1 Qualities of boiler design coal

脫硝系統(tǒng)布置在省煤器與空氣預熱器之間，采用2層新催化劑投運，一層備用形式，入口煙氣中NOx的質量濃度不大于450 mg/m3(標態(tài)、干基、6%O2)，設計效率不小于 56%，氨逃逸質量濃度不大于2.28 mg/m3(標態(tài)、干基、6%O2)。

表2 脫硝入口煙氣參數Tab. 2 Denitrification inlet flue gas parameters

2 NOx質量濃度分布特性

2.1 脫硝進出口NOx質量濃度分布特性

NOx質量濃度的測試采用網格法測量，測量深度分別為0.3、0.6、0.9、1.2、1.5 m。測試結果見圖1、圖2。

從圖1可以看出，脫硝反應器入口A側NOx質量濃度最大值399 mg/m3,最小值292 mg/m3，平均值 351 mg/m3，相對標準偏差 8.07%；入口 B側 NOx質量濃度最大值 472 mg/m3，最小值358mg/m3，平均值 420 mg/m3，相對標準偏差8.03%。入口NOx質量濃度B側明顯高于A側，單側質量濃度也出現不同程度的偏差，分布不均勻。這說明爐膛內燃燒不完全，煙氣在流經脫硝裝置時流場分布不均勻，使得脫硝內部噴氨量相對不均勻，最終造成出口NOx質量濃度分布不均。

圖1 入口沿寬度方向NOx分布Fig. 1 NOx distribution of the inlet along the width direction

圖2 出口沿寬度方向NOx分布Fig. 2 NOx distribution of the outlet along the width direction

入口NOx質量濃度分布不均勻主要是由于入口流場的分布不均勻，而入口流場分布不均勻不僅會造成NOx質量濃度場分布不均，也會造成溫度場、流速場的分布不均，從而在一定程度上加劇NOx質量濃度分布不均勻性。

脫硝系統(tǒng)入口NOx分布的均勻性、溫度和空間流速等因素會直接影響煙道內各處噴氨量的大小[11-12]，進入第一層催化劑前NOx與氨混合均勻且速度分布均勻時才能保證脫硝效率和氨逃逸質量濃度的穩(wěn)定[13-14]，而氨逃逸質量濃度超標則會加劇空氣預熱器的堵塞，也會對生態(tài)環(huán)境和人體健康造成威脅[15]。

脫硝反應器出口 A側 NOx質量濃度最大值163 mg/m3,最小值 60 mg/m3，平均質量濃度111mg/m3，相對標準偏差26.10%；出口B側NOx質量濃度最大值149 mg/m3，最小值51mg/m3，平均質量濃度105 mg/m3，相對標準偏差27.88%。出口NOx質量濃度分布在寬度方向上呈現A側左側低而右側高，B側右側低而左側高的分布特點；NOx質量濃度分布在深度方向上呈現煙道前墻和后墻較低，中間較高的特點。整個脫硝斷面偏差較大，分布不均勻。

造成這種現象通常有2種原因，一種是因為噴氨量不均勻，從而導致NOx質量濃度較高的區(qū)域噴氨不足，或者NOx質量濃度較低的區(qū)域過量噴氨；另一種原因是，存在催化劑反應不良，煙氣在反應區(qū)停留時間過短或者由于堵塞等催化劑失活現象造成脫硝效率降低，從而導致出口NOx質量濃度分布不均勻。

2.2 脫硝出口氨逃逸分布特性

試驗期間脫硝反應器出口A、B側氧量分布如圖3所示。

脫硝反應器出口A、B側氨逃逸質量濃度分布如圖4所示。

通過測試數據及氨逃逸質量濃度分布可以發(fā)現，A側煙道有3個測點進行氨逃逸測試，其中在煙道右側(內側)的測點氨逃逸質量濃度為1.176 mg/m3(標態(tài)、干基、6%O2)，滿足設計要求，而其他2個測點質量濃度超過了設計要求。B側煙道3個測點的測量結果與A側類似，煙道左側(內側)的測點氨逃逸質量濃度為 1.277 mg/m3(標態(tài)、干基、6%O2)，滿足設計要求，其他 2個測點質量濃度超過了設計要求。結合脫硝反應器進口NOx質量濃度分布、出口NOx質量濃度分布和氧量分布分析，反應器進出口NOx質量濃度分布和氧量分布都不均勻，出口NOx質量濃度的相對標準偏差較大，說明脫硝入口存在過量噴氨現象。

脫硝反應器入口NOx質量濃度A側平均值為351 mg/m3，B側平均值為420 mg/m3，B側質量濃度大于 A側質量濃度。脫硝反應器出口 NOx質量濃度 A側為 111 mg/m3，B側平均值為105 mg/m3，A側質量濃度大于B側，而出口氨逃逸在寬度方向上呈現煙道兩側高中間低的現象，在NOx質量濃度較高的地方氨逃逸較低，NOx質量濃度較低的地方氨逃逸較高，A側氨逃逸平均值 2.021 mg/m3低于 B側氨逃逸平均值 2.314 mg/m3，這說明A側噴氨量小于B側，噴氨流量與NOx質量濃度不匹配，排除因煙氣流速過大或催化劑吹損等原因造成催化劑反應不良使得出口NOx質量濃度分布不均的可能性。

經過計算，A側脫硝效率為69.29%，B側脫硝效率為75.69% ，A側的脫硝效率低于B側，。過量的不匹配噴氨和入口 NOx質量濃度分布不均，加劇了出口NOx質量濃度分布的不均勻性，在一定程度上也會加劇氨逃逸。因此應該對各支管噴氨量進行合理調整，增大高NOx質量濃度區(qū)域的噴氨量，降低低NOx質量濃度區(qū)域的噴氨量。也應該進行入口煙氣流場優(yōu)化，從根本上解決入口NOx質量濃度分布不均勻的問題。

圖3 出口沿寬度方向O2分布Fig. 3 O2 distribution of the outlet along the width direction

圖4 出口沿寬度方向氨逃逸分布Fig. 4 Ammonia escape concentration distribution of the outlet along the width direction

3 結論

1）脫硝SCR反應器入口流場不均勻導致入口 NOx質量濃度分布不均勻，A側平均值351 mg/m3，相對標準偏差 8.07%；B側平均值420 mg/m3，相對標準偏差 8.03%，需要對 SCR入口整流裝置進行檢查和調整，以提高SCR反應器入口流場的均勻性；也可以對燃燒器和二次風進行調整，提高爐膛出口煙氣流場的均勻性，也有助于提高SCR反應器入口煙氣流場的均勻性。

2）脫硝 SCR反應器噴氨量不均勻，造成出口NOx質量濃度分布不均勻，相對偏差較大。A側平均值111 mg/m3，相對標準偏差26.10%；B側平均值105 mg/m3，相對標準偏差27.88%。出口氨逃逸質量濃度超過設計值，A側最大值2.484mg/m3，B側最大值3.102mg/m3，需要適當減小A側左側、B側右側的噴氨量，以避免SCR出口局部氨逃逸過高。

3）為了降低NOx的排放質量濃度，減小脫硝出口的氨逃逸質量濃度，避免空氣預熱器由于氨逃逸而造成堵塞，需要對脫硝系統(tǒng)進行噴氨優(yōu)化調整。

SCR脫硝裝置運行情況直接關系著電廠的NOx排放是否達到環(huán)保要求。氮氧化物分布的均勻性是影響脫硝效率和脫硝反應的重要因素，需要密切關注脫硝出口氮氧化物的分布規(guī)律，并結合SCR入口溫度、煙氣量，及時進行噴氨優(yōu)化調整，確定不同噴氨格柵的噴氨量，逐步減小A側左側和B側右側的噴氨量，并通過反復的調整，以得到最佳的噴氨量，節(jié)約能源，降低污染，避免引起環(huán)境問題或損害尾部煙道設備，從而保證電廠機組安全可靠的長期運行。