超低排放改造后SCR脫硝出口NOx分布和氨逃逸異常分析

張其良，馬大衛，陳中元，張本耀，黃齊順，何軍，程靖，朱帥

(國網安徽省電力有限公司電力科學研究院，合肥 230601)

0 引言

2015年12月，國家環境保護部、國家發展和改革委員會、國家能源局聯合印發《全面實施燃煤電廠超低排放和節能改造工作方案》(環發〔2015〕164號)通知要求，在2020年前全國所有具備超低排放改造條件的現役燃煤機組，全部實現NOx排放質量濃度≤50 mg/m3[1]。目前，國內在役常規燃煤機組已經基本完成脫硝超低排放改造，但由于我國選擇性催化還原(SCR)脫硝工藝起步較晚、改造工期緊、設備調試不到位、運行經驗欠缺等因素，部分超低排放改造后已投運的機組出現了脫硝反應器出口NOx質量濃度偏差大、局部逃逸氨質量濃度過高、空氣預熱器(以下簡稱空預器)硫酸氫銨(ABS)堵塞等影響機組安全運行的問題[2-4]。文獻[5]對國內49個電廠132臺已完成超低排放改造機組SCR脫硝工程進行調查，指出改造后脫硝效率有較大幅度的提高。但實際運行過程中，隨著脫硝效率的進一步上升，噴氨不均、催化劑孔道堵塞和反應器入口NOx質量濃度分布不均等因素對脫硝效率和逃逸氨質量濃度的影響越來越顯著，不少電廠采用過量噴氨來實現較高的脫硝效率，從表觀上來看，機組實現了達標排放，但粗放的處理方式會進一步降低機組的安全性和經濟性。文獻[6]統計了安徽省 67 臺已完成超低排放改造機組的技術路線，其中脫硝裝置超低排放改造主要技術措施是增加備用層催化劑或更換催化劑，改造措施較為單一，忽視對脫硝裝置流場的優化調整、噴氨優化調整，造成脫硝反應器出口NOx質量濃度偏差大、逃逸氨質量濃度過高的問題。文獻[7-8]指出在超低排放改造過程中只注重NOx排放質量濃度，忽視對逃逸氨分析儀的改進、校準，導致改造后逃逸氨在線連續監測系統(CEMS)檢測值不可靠，主要原因有：SCR脫硝反應器出口煙道截面積較大，噴氨后氨氮濃度比分布不均勻，逃逸氨在線檢測值不具代表性；SCR脫硝系統高塵、高溫的測試環境易造成檢測儀表管路部件堵塞和損壞等。不能實時準確監測逃逸氨質量濃度和脫硝反應器出口NOx質量濃度偏差大造成噴氨系統無序過量噴氨，導致逃逸氨質量濃度過高，影響機組穩定、安全運行。對超低排放改造后SCR脫硝反應器出口NOx分布和逃逸氨的準確評估對降低逃逸氨質量濃度、防止空預器ABS堵塞、節約脫硝還原劑實現節能降耗、監測催化劑的運行狀況和活性等具有重要意義[9]。

為了解超低排放改造后SCR脫硝反應器出口NOx質量濃度分布和逃逸氨質量濃度異常問題，本文根據DL/T 260—2012《燃煤電廠煙氣脫硝裝置性能驗收實驗規范》，選取1臺超低排放改造后機組進行脫硝出口NOx質量濃度分布和逃逸氨質量濃度測試，分析了NOx和逃逸氨質量濃度分布特征，為超低排放改造后SCR脫硝裝置的運行優化提供數據依據。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

H電廠#3機組容量為660 MW，其以液氨作為脫硝還原劑，鍋爐采用SCR高含塵脫硝工藝。2014年5月，SCR脫硝裝置隨機組2×600 MW級擴建工程環?！叭瑫r”投入運行。SCR脫硝裝置的催化劑按2+1層布置，其中最下層為預留層，催化劑為板式催化劑。#3機組于2017年6月20日完成超低排放改造并投運。改造內容：超低排放改造催化劑仍采用板式催化劑，增加原備用層催化劑，改造按照加裝半層催化劑考慮，增加量160 m3。改造后脫硝裝置主要設計參數見表1。

注：①作為NO2，干態，6%O2；②干態，6%O2。

1.2 測試與分析方法

測試期間，#3機組平均負荷為511 MW，煤質見表2。在SCR脫硝反應器出口煙道截面進行氧量、NOx分布及逃逸氨質量濃度測試，測點布置如圖1所示：在SCR反應器出口煙道截面均勻分布著24個法蘭測孔進行測試，由A反應器至B反應器方向依次編號為A1，A2，…，A12，B1，B2，…，B12；NOx質量濃度分布測試深度為0.75，1.50，2.25，3.00 m；逃逸氨質量濃度測試采取隔孔測量，即測量A2，A4，A6，A7，A9，A11，B2，B4，B6，B7，B9，B11，測量深度為1.60 m。

表3 SCR脫硝反應器出口測試數據匯總Tab.3 Testing results at the SCR denitration reactor outlet

圖2 #3機組SCR脫硝反應器A，B側出口NOx質量濃度分布Fig.2 NOx mass concentration distribution at outlets on A,B sides of SCR denitration reactor

圖1 #3機組SCR脫硝反應器出口煙道截面測點布置方式Fig.1 Arrangement of measuring points at the outlet of No.3 unit SCR denitration reactor

氧量和NOx質量濃度采用MRU NOVA plus煙氣分析儀運用網格法測量[10]；逃逸氨質量濃度采用M-NH3便攜式逃逸氨分析儀測量[11]，每個測點取12 min均值。

2 結果與分析

2.1 NOx質量濃度分布測試分析

對#3機組SCR脫硝反應器出口氧量和NOx質量濃度分布測試發現，NOx質量濃度均值≤50 mg/m3(干態，6% O2)，達到了超低排放標準，但NOx質量濃度分布偏差較大。SCR脫硝反應器出口測試數據匯總見表3，SCR脫硝反應器出口NOx質量濃度分布測試數據如圖2所示。

由表3、圖2可知：SCR脫硝反應器A側出口截面NOx質量濃度最大值為64.00 mg/m3，最小值為11.00 mg/m3，整個A側出口NOx質量濃度均值為33.83 mg/m3，分布相對標準偏差為45.21%；B側出口截面NOx質量濃度最大值14.00 mg/m3，最小值0 mg/m3，整個B側反應器出口NOx質量濃度均值為4.15 mg/m3，分布相對標準偏差為109.43%。整個脫硝反應器出口斷面的NOx質量濃度分布相對標準偏差均值為98.18%，大于設計值(15.00%)，整個反應器出口NOx質量濃度均值為18.99 mg/m3，CEMS測點不能代表整個斷面的NOx質量濃度。NOx質量濃度沿反應器寬度方向(反應器外側至鍋爐中心線)，A側呈現兩側低而中間高但在CEMS測點附近較低，B側呈現兩側高而中間低，可能是噴氨不均導致，其中B側NOx質量濃度在測孔B1，B3，B6，B7，B8，B9，B10處非常低，只有0～9.00 mg/m3，可能是噴氨過量導致。

煙氣SCR脫硝裝置在設計階段通常會進行計算流體力學(CFD)熱態模擬和冷態物理模型驗證試驗對煙道內的流場進行優化，以保證SCR脫硝反應器入口截面的煙氣流速和NOx質量濃度分布較為均勻[12]。但往往由于現場空間限制或安裝等因素，實際運行過程中會出現SCR反應器出口截面NOx質量濃度分布偏差大，部分區域可能會出現逃逸氨質量濃度超過設計保證值的現象，這一方面會影響系統整體的脫硝效率，另一方面會增加空預器ABS腐蝕和堵塞風險。

圖3 脫硝反應器出口A側逃逸氨測試數據(截屏)Fig.3 Test data of escaped ammonia on side A of the denitration reactor outlet(screenshot)

2.2 逃逸氨質量濃度測試分析

分析#3機組SCR脫硝反應器出口逃逸氨質量濃度測試結果發現，逃逸氨質量濃度均超過設計值(2.28 mg/m3，干態，6%O2)。脫硝反應器出口A側逃逸氨數據如圖3所示，B側逃逸氨數據如圖4所示，圖中變化曲線為測試期間各測點逃逸氨質量濃度的瞬時值。

通過測試數據(表3、圖3、圖4)可以發現，試驗期間，#3機組脫硝反應器A側出口逃逸氨平均質量濃度8.45 mg/m3，B側出口逃逸氨平均質量濃度16.47 mg/m3；12個測點逃逸氨質量濃度均超過設計值(2.28 mg/m3，干態，6%O2)；總體逃逸氨質量濃度過高現象可以從前文NOx質量濃度分布相對標準偏差反映出來，脫硝反應器A側出口NOx質量濃度分布相對標準偏差45.21%，B側出口NOx質量濃度分布相對標準偏差為109.43%，整個脫硝反應器出口斷面的NOx質量濃度分布相對標準偏差均值為98.18%，均超過設計值(15.00%)，說明脫硝反應器入口NOx質量濃度與噴氨量分配極其不均勻，即氨氮濃度比不均勻，出現局部噴氨過量，導致脫硝反應器出口斷面總體逃逸氨質量濃度超過設計值，各測點NOx質量濃度與逃逸氨質量濃度對比如圖5所示。

從分散控制系統(DCS)提供的數據(如圖6所示)可以發現，測試期間脫硝反應器B側噴氨量總體上大于A側，導致B側脫硝效率高于A側，同時導致B側NOx質量濃度低于A側(圖2、圖5)，過量噴氨和出口NOx質量濃度過低加劇了逃逸氨，表現在B側逃逸氨質量濃度均值高于A側，分別為16.47，8.45 mg/m3(標態，干基，6% O2)。從圖5中還可以發現，A側出現NOx質量濃度高，逃逸氨質量濃度也很高，出現這種現象主要有以下幾點原因：(1)脫硝反應器入口流場分布不均，氨氮摩爾比不均，導致高NOx質量濃度區域缺少氨，低NOx質量濃度區域氨過量，進而出現NOx質量濃度高，逃逸氨質量濃度也很高的現象；(2)可能由于流速過大或催化劑損壞、堵塞，導致催化劑性能降低，氨和NOx無法反應。

3 CEMS檢測值不準確分析

SCR脫硝反應器出口NOx質量濃度和逃逸氨質量濃度是脫硝控制的重要參數，逃逸氨CEMS和出口NOxCEMS檢測值不準會影響脫硝裝置噴氨系統的調節，造成噴氨系統無序過量噴氨。

圖4 脫硝反應器出口B側逃逸氨測試數據(截屏)Fig.4 Test data of escaped ammonia on side B of the denitration reactor outlet(screenshot)

圖5 測點NOx質量濃度與逃逸氨質量濃度對比Fig.5 Comparison of NOx mass concentration and escaped ammonia mass concentration

從DCS提供的數據(圖6)可以看出，在線逃逸氨CEMS所測值和NOxCEMS所測值和測試結果相比都存在一定差異。NOxCEMS檢測值不準的主要原因是脫硝反應器出口斷面NOx分布不均(A側出口NOx質量濃度分布相對標準偏差為45.21%，B側出口NOx質量濃度分布相對標準偏差為109.43%)，CEMS取樣點單一NOx分析儀所測值只能代表取樣點附近區域NOx質量濃度，所測數據不具代表性。逃逸氨CEMS檢測值不準原因可能是：(1)逃逸氨分析儀表缺乏檢修維護，表計本身存在問題造成測量值不準確；(2)逃逸氨質量濃度分布不均(圖5)，取樣點不具代表性，#3機組脫硝反應器出口逃逸氨取樣點分別在A，B側拐角處，逃逸氨分析儀所測值只能代表相應拐角處逃逸氨質量濃度，其所測值不具代表性。

圖6 測試期間脫硝反應器A，B側噴氨量、脫硝效率、出口NOx質量濃度、逃逸氨質量濃度變化曲線Fig.6 Curve of ammonia injection amount,denitration efficiency,NOxmass concentration at the outlet,and escaped ammonia mass concentration on A and B sides of denitration reactor during the test

4 結論

燃煤電廠SCR脫硝反應器出口NOx質量濃度和逃逸氨質量濃度是脫硝控制的重要參數，超低排放改造后，脫硝反應器出口NOx質量濃度分布不均和逃逸氨質量濃度高的問題突出。通過對1臺600 MW超低排放改造后機組進行脫硝反應器出口NOx分布和逃逸氨測試分析，發現超低排放改造后機組SCR脫硝反應器出口NOx質量濃度分布嚴重不均、逃逸氨質量濃度超過設計值及逃逸氨CEMS和出口NOxCEMS檢測值不準等問題，并提出以下建議：

(1)進行流場優化試驗、噴氨優化試驗，能提高脫硝反應器入口氨氮濃度比的均勻性，降低出口NOx質量濃度相對標準偏差，使NOxCEMS具有代表性，有益于噴氨系統自動調節。

(2)改進、校準在線逃逸氨CEMS儀表，有效準確監測實時逃逸氨質量濃度。

(3)可通過改進燃燒方式、調整配風方式等措施降低脫硝反應器入口NOx質量濃度水平，達標排放的同時減小脫硝效率可有效降低逃逸氨質量濃度。

(4)對脫硝催化劑進行性能監測，保障催化劑活性。