660MW塔式直流炉SCR烟气脱硝喷氨调整探讨与研究

针对塔式直流炉烟道的布置特点，对于采用SCR烟气脱硝工艺，由于烟气流场在烟道内的不均，喷氨量与烟气流场不能完全匹配调，氨气与NOx不能全部混合，造成氨逃逸过大，NOx排放浓度难以控制。经过分析及试验提出通过调整喷氨不均以适应烟气流场不均，提高氨气与NOx充分混合程度，降低氨逃逸，达到喷氨投入自动控制的目的。
神华国能哈密电厂4×660MW国产超临界空冷燃煤发电机组。锅炉为上海锅炉厂生产的2236t/h超临界参数变压运行螺旋管圈直流锅炉，单炉膛塔式布置、四角对冲正反切向燃烧、摆动喷嘴调温、一次再热、平衡通风、全钢架悬吊结构、紧身封闭布置、固态排渣。机组设有烟气除尘、脱硫、脱硝装置。
烟道采用单烟道型式，脱硝系统采用选择性催化还原（SCR）工艺技术，在设计煤种、锅炉最大工况BMCR、处理100%烟气量条件下，在入口NOx含量在300mg/Nm3时，效率按不小于80%设计，布置在锅炉省煤器和空预器之间，三层催化剂为“2＋1”模式。主机采用艾默生DCS操作系统，辅控采用新华DCS操作系统。
1．脱硝设备概述：
锅炉燃烧器采用高级复合空气分级低NOx切向燃烧技术和炉膛布置的匹配来满足NOx的排放浓度不超过200mg/Nm3（O2=6%），根据煤粉燃烧时NOx的生成机理，减少挥发份氮转化成NOx，其主要方法是建立早期着火和使用控制氧量的燃料/空气分级燃烧技术。主要特点有：
a.采用对冲同心正反切圆燃烧系统；
b.采用两级燃尽风实现对燃烧区域过量空气系数的多级控制； c.偏置辅助风和两级燃尽风形成的燃烧区域水平方向的空气分级； d.采用快速着火煤粉喷嘴。
还原剂采用液氨，通过氨区蒸发装置，制成合格氨气供应至SCR区域。SCR采用单反应器型式。反应器尺寸(W×D×H)为：13.86m×29.11m×13.20m，布置于锅炉烟道55m处。喷氨格栅布置于锅炉烟道85m处，烟道截面尺寸13.5m×7.8m，再通过混合器使氨气与烟气充分混合，经过均流板再进入下部的反应器完成脱硝工艺。
喷氨注入格栅包括注射喷嘴的集管和支管。设置7组共21根支管，每组三根支管在7.8m的烟道内分别通过近、中、远的位置向烟道内通过喷嘴喷射氨气，每根支管上共9对喷嘴（对称布置），共1134只。21根支管分别设置流量调节阀进行供氨流量的调节。
喷氨注入格栅布置示意图：
2.问题状况
2015年10月份之前，机组经过调试试运，将喷氨格栅各支管差压均调节为100Pa，调试人员认为锅炉烟道烟气流场在经过喷氨格栅时是均匀稳定的，自喷氨开始，经过混合器及均流板，并经过40m烟道的充分混合，氨气与烟气至SCR催化剂层反应完全，SCR出口CEMS取样点的混合烟气已具代表性。
四台机组经过调试、试运后，烟囱出口NOx浓度数据随工况变化及喷氨量的变化而发生一定变化，但SCR出口NOx浓度数据波动变化很小，SCR出口与烟囱出口的NOx浓度数据变化偏差很大，SCR出口NOx浓度数据上传至艾默生DCS操作系统，烟囱出口NOx浓度数据上传至新华DCS操作系统，由于DCS操作系统艾默生（主机）与新华系统（辅控）不兼容，自动跟踪一直无法投入运行，运行操作上很难控制，而且氨逃逸率一直居高不下，经常超过3ppm，且时常超仪表量程，过量未反应的氨气在空预器中与烟气中的SO3生成硫酸氢铵。硫酸氢铵的露点温度为147℃，液态的硫酸氢氨粘性很强，吸附烟气中的灰尘，会造成空预器的堵塞（空预器冷端温度一般在120-130℃），严重影响机组的安全稳定经济运行。
3.问题分析
3.1初始分析
开始阶段认为SCR出口CEMS取样不准，没有代表性。供氨压力与稀释风机出口压力是稳定的，其他工况无异常。SCR出口CEMS取样点处位于烟道34.5m处，此处烟道截面尺寸为12.5mx10.4m，取样枪只有1.8m深度，对于10.4m宽的烟道来说，取样不具备代表性，同时怀疑取样位置没有代表性，取样点处氨气与烟气混合的不够充分。
利用机组检修机会，在SCR出口CEMS取样点处邻近（上部烟道上）开设对比孔，在12.5m长的烟道上等距开孔10个。对机组的烟气差压与NOx浓度进行对比测量。不论在原CEMS测点位置还是新开对比孔，无论供氨量怎么调整，NOx浓度变化不明显，而且烟气差压基本相同，同样也没有代表性。因此判断靠近炉膛一侧的烟道壁附近的烟气流速是均等的，但由于取样枪的限制，无法得到更深处烟道内烟气流速，更无法判断出整个烟道内烟气流场的特性。对比孔分别相隔一个进行烟气流速测量。
3.2流场分析
在前面的测量试验中，曾采用极端方式，彻底关闭供氨调阀，SCR出口NOx浓度数据增长及其缓慢，说明烟气中含有大量未反应的氨气。在此情况下，经过讨论分析，氨气与烟气在烟道下部CEMS取样处未能得到充分混合，因此判断烟气在进入喷氨格栅时流场分布就是不均匀的，喷氨量保持均衡反而使氨气与烟气不能得到很好的混合。
烟气自锅炉进入喷氨格栅如图：
锅炉烟风自锅炉顶部经过90°的弯头进入烟道，虽然经过将近10m的距离进入喷氨格栅，但进入喷氨格栅时的烟气流场分布还是不均匀的，在7.8m宽的烟道中由炉膛侧至远端，烟气流速是相对逐渐增大的。因此针对每组喷氨支管的三段布置，进行分别调节。
4．调整及效果
4.1原始状态
11月6日至7日的24小时数据曲线画面可看出氨逃逸非常高，经常维持在10ppm左右，SCR出口NOx排放浓度数据几乎没有变化波动，而烟囱出口数据波动变化很明显，两者曲线完全不能吻合，如下图：
4.2按设计调整
经过与设计厂家联系,将问题进行详细沟通,根据厂家提供的CFD模型报告资料，按非均匀喷氨方案进行了调节。
按照厂家提供的数据，按此比例调节喷氨差压，发现效果不佳，SCR出口NOx浓度数据波动变化还是很小，与烟囱出口NOx浓度数据趋势曲线不相吻合，更严重的是造成了烟道两侧的两组喷氨支管出现了堵塞现象，经过停机检修清堵处理后投运正常。如下图：
4.3初步调整
11月份中旬开始试调节3号机组的喷氨格栅差压，每组支管近、中、远段喷嘴分别设置为50、80、100Pa，机组SCR出口NOx浓度数据出现了明显的变化，与烟囱出口NOx浓度数据趋势曲线相对吻合，氨逃逸基本下降到1ppm以下。
11月20日至21日的24小时数据曲线画面可明显看出，经过调整喷氨的变化，氨逃逸明显下降，最高未超过3ppm，而SCR出口与烟囱出口NOx排放浓度数据曲线已基本吻合，变化一致，取得了一定的效果。如下图：
4.4最终调整
在不同负荷工况条件下，经过多次进一步的摸索、调整，最终将喷氨差压确定为40、80、100Pa，达到了预期效果。
12月25日至26日的24小时数据曲线画面可明显看出，经过细致调整喷氨的变化，氨逃逸明显下降，最高未超过1ppm，而SCR出口与烟囱出口NOx排放浓度数据曲线已经吻合，变化一致。如下图：
5.结论：
对于660MW机组塔式直流炉的烟道中的烟气流场特性，烟气流场分布区别于传统的4m×4m的烟道布置，CEMS取样枪一般均为1.8m左右，布置于中间位置，相对取样效果理想，数据具备代表性。我厂经过进一步调整喷氨差压，基本确定了在7.8m烟道宽度中，近、中、远三段的烟气流速基本比例为1:2:2.5。机组不同负荷情况下，烟道内烟气的充满度有较大偏差，尤其在低负荷工况下偏差比较严重。
对于SCR脱硝工艺，在保证不投油低负荷稳燃和燃烧效率，控制合适的氧量，减小炉膛出口烟温偏差，避免结焦和高温腐蚀前提下。通过调整低氮燃烧器配风，控制SCR相对低浓度的入口数值。 通过对喷氨的差压调整，使SCR出口NOx浓度数据与烟囱出口数据曲线几乎吻合，并且控制了极低的氨逃逸率，为机组安全稳定环保经济运行，打下良好基础。在下一步工作中，如果能够采用网格法测量出SCR入口烟道中烟气流场特性，根据特性数据进行调整将更加具有代表性。并且喷氨调阀如能改装成自动调节阀，在喷氨注入格栅支管上设置烟气流速或流量测量装置，将彻底解决喷氨自动投入问题，但会增加很大的投资成本。更多环保技术，请关注
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