摘要：對(duì)現(xiàn)有采用SCR工藝典型燃煤機(jī)組脫硝超低排放改造前后性能進(jìn)行對(duì)比評(píng)估，可為后超低排放形勢(shì)下燃煤機(jī)組SCR煙氣脫硝裝置的高效、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行提供參考及借鑒。通過跟蹤并對(duì)35個(gè)電廠81臺(tái)采用SCR煙氣脫硝工藝燃煤機(jī)組超低排放改造前后的脫硝裝置運(yùn)行現(xiàn)狀進(jìn)行對(duì)比分析，得到了脫硝效率、入出口NOx濃度及其分布、入口速度分布、氨逃逸、氨氮摩爾比、運(yùn)行煙溫、溫降等脫硝裝置各方面改造前后實(shí)際運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)，掌握了此類機(jī)組脫硝裝置主要性能變化情況。結(jié)果表明：超低排放改造后大部分脫硝裝置整體性能有所提升，但出口NOx濃度分布均布性差、入口速度分布達(dá)不到要求、氨逃逸超標(biāo)、低負(fù)荷脫硝投運(yùn)煙溫低等問題日益突出，并相應(yīng)提出了建議及意見。
關(guān)鍵詞：燃煤機(jī)組；SCR；超低排放前后；均布性；性能對(duì)比
0 引言
氮的氧化物（NOx）是大氣污染物的重要組成之一，自2014年以來(lái)，環(huán)保壓力進(jìn)一步升級(jí)，國(guó)家發(fā)改委、能源局、環(huán)保部聯(lián)合下發(fā)《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014-2020年）》，要求所有具備改造條件的現(xiàn)役燃煤機(jī)組NOx質(zhì)量濃度執(zhí)行不高于50mg/m3（6%基準(zhǔn)氧）的排放限值，部分省市如河北省進(jìn)一步加碼要求NOx排放濃度不高于30mg/m3（6%基準(zhǔn)氧，W型火焰鍋爐除外），比現(xiàn)行的100mg/m3排放標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格很多（W型火焰鍋爐、循環(huán)流化床鍋爐除外）。對(duì)此，國(guó)內(nèi)燃煤電廠積極響應(yīng)并進(jìn)行了新一輪大規(guī)模的煙氣脫硝超低排放改造，當(dāng)前改造已陸續(xù)進(jìn)入尾聲。
SCR作為我國(guó)燃煤電廠煙氣脫硝主流工藝，在本輪脫硝超低排放改造技術(shù)中仍舊占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)地位。由于前期“十二五”脫硝改造工期緊、管理粗放、運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)不足等原因?qū)е虏糠指脑旃こ藤|(zhì)量控制不力，部分工程實(shí)施過程中隱藏的問題已在投運(yùn)后逐漸顯現(xiàn)，而原脫硝裝置已顯露和仍隱藏的問題尚未有效解決的情形下又迎來(lái)了此次脫硝超低排放改造，勢(shì)必會(huì)對(duì)現(xiàn)役機(jī)組脫硝系統(tǒng)造成更大的不利影響。實(shí)際上，從SCR脫硝超低排放改造后的運(yùn)行情況來(lái)看，脫硝裝置改造前存在的如入口NOx濃度偏離原設(shè)計(jì)值、脫硝效率達(dá)不到設(shè)計(jì)值等問題得到一定程度的改善，但考慮到超低排放改造后更低的排放限值要求勢(shì)必會(huì)對(duì)運(yùn)行調(diào)控的要求更高，氨逃逸超標(biāo)引起的如空預(yù)器硫酸氫銨堵塞和催化劑失活等問題也將越發(fā)突出，同時(shí)，以往和當(dāng)前仍然存在的脫硝裝置流場(chǎng)不均問題更多還是停留在片面的噴氨優(yōu)化濃度場(chǎng)調(diào)整而忽視了速度場(chǎng)的影響，此外，低負(fù)荷脫硝投運(yùn)煙溫低造成催化劑失活和影響脫硝裝置穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放等疑難問題仍未有效解決，且呈現(xiàn)更嚴(yán)峻發(fā)展趨勢(shì)，將對(duì)機(jī)組的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。
為此，本文對(duì)35個(gè)電廠81臺(tái)采用SCR工藝典型燃煤機(jī)組超低排放改造前后的脫硝裝置運(yùn)行現(xiàn)狀進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)估脫硝系統(tǒng)超低排放改造前后暴露的問題，分析問題產(chǎn)生的深層次原因，為后煙氣超低排放形勢(shì)實(shí)際運(yùn)行調(diào)整提供參考及借鑒。
1 研究方法與內(nèi)容
本次研究針對(duì)35個(gè)電廠81臺(tái)已采用SCR工藝實(shí)現(xiàn)超低排放運(yùn)行的燃煤機(jī)組，性能試驗(yàn)測(cè)試安排在機(jī)組SCR脫硝裝置改造投運(yùn)后的2~6個(gè)月內(nèi)，測(cè)試時(shí)間為1~3天。測(cè)試期間除了最低負(fù)荷的SCR入口煙溫測(cè)試外，其他參數(shù)測(cè)試要求燃煤機(jī)組鍋爐處于滿負(fù)荷工況，燃用煤質(zhì)、運(yùn)行負(fù)荷穩(wěn)定。測(cè)試參數(shù)主要包括NOx濃度及其分布均勻性、SO2濃度、O2濃度、氨逃逸濃度、煙氣溫度、煙氣流速及其分布均勻性、脫硝效率和氨氮摩爾比等，其中SO2、NOx、O2等煙氣成分濃度利用氣體分析儀在線檢測(cè)，氨逃逸濃度采用現(xiàn)場(chǎng)人工采樣實(shí)驗(yàn)室分析化驗(yàn)檢測(cè)，煙氣流速利用皮托管、微壓計(jì)、溫度儀等測(cè)試計(jì)算而得，NOx濃度分布和煙氣流速分布均勻性分別根據(jù)上述設(shè)備檢測(cè)結(jié)果計(jì)算其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)定。為了保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用了平行采樣平行分析的方法，參照《固定污染源中顆粒物測(cè)定與氣態(tài)污染物采樣方法》（GB /T 16157-1996）、《燃煤電廠煙氣脫硝裝置性能驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)范》（DL /T 260-2012）等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分別對(duì)機(jī)組脫硝裝置改造前和改造后進(jìn)行系統(tǒng)的性能試驗(yàn)及評(píng)估，機(jī)組情況如表1所示。需要說(shuō)明的是，無(wú)煙煤一般應(yīng)用于W火焰鍋爐，當(dāng)前有部分W火焰鍋爐正在進(jìn)行超低排放改造試點(diǎn)，尚未全面展開，本次研究不考慮無(wú)煙煤機(jī)組。從中可以看出本次的研究機(jī)組具有較強(qiáng)代表性，可有效反映當(dāng)前燃煤機(jī)組SCR煙氣超低排放運(yùn)行前后的真實(shí)現(xiàn)狀。
表1機(jī)組情況
2 結(jié)果與討論
2.1 脫硝效率及入出口NOx濃度分析
調(diào)查機(jī)組超低排放改造前和改造后的脫硝效率及其入口、出口NOx濃度實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值如圖1-圖3所示。由圖1可以看出，超低排放改造后的機(jī)組脫硝效率都有比較明顯的提升，實(shí)際脫硝效率均高于設(shè)計(jì)值，表明當(dāng)前機(jī)組脫硝效率基本能夠滿足設(shè)計(jì)要求。
圖1 超低排放改造前/改造后各機(jī)組脫硝效率
圖2 超低排放改造前/改造后各機(jī)組脫硝裝置入口
圖 3 超低排放改造前/改造后各機(jī)組脫硝裝置入出口 NOx 濃度
圖4 超低排放改造前/改造后各機(jī)組脫硝裝置出口NOx濃度與脫硝效率
濃度的增大而提高，結(jié)合圖3(a)可以看出，部分機(jī)組超低排放改造后脫硝裝置入口NOx濃度設(shè)計(jì)值較改造前有所調(diào)整，表明脫硝機(jī)組超低排放改造時(shí)對(duì)不合理的原入口NOx濃度設(shè)計(jì)值進(jìn)行了優(yōu)化，通過合理提高或降低設(shè)計(jì)值能使改造后脫硝運(yùn)行更貼合實(shí)際運(yùn)行狀況，有利于更好發(fā)揮脫硝裝置整體性能。從圖3可以看出，脫硝裝置入出口濃度基本都能控制在設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)，結(jié)合圖1和圖4還可以發(fā)現(xiàn)，超低排放改造后脫硝裝置出口NOx濃度控制較改造前有明顯的收斂，基本控制在20~50mg/m3，但各機(jī)組彼此之間差距仍然較大，不少機(jī)組為了提高脫硝效率將出口NOx濃度控制在較低的排放水平，這將會(huì)導(dǎo)致噴氨量加大增加運(yùn)行成本的同時(shí)還會(huì)造成硫酸氫銨加劇生成影響催化劑性能以及對(duì)下游設(shè)備產(chǎn)生不利風(fēng)險(xiǎn)。為此，應(yīng)當(dāng)合理調(diào)整運(yùn)行控制方式、優(yōu)化噴氨系統(tǒng)，將出口NOx濃度壓線運(yùn)行或低于排放限值5~10mg/m3運(yùn)行。
2.2 SCR入出口NOx濃度均勻性分析
由圖5(a)可知，SCR脫硝裝置超低排放改造前和改造后的入口NOx濃度分布偏差不大，基本能夠控制在10%以下，且改造后脫硝裝置A、B兩側(cè)入口之間偏差較改造前略小，但二者整體偏差均不大，表明超低排放改造前和改造后的SCR入口NOx濃度分布較為均為。而由圖5(b)可知，SCR脫硝裝置超低排放改造前的出口NOx濃度分布偏差基本在5%~30%，個(gè)別達(dá)到60%以上，而改造 后 的 出 口 NOx濃 度 分 布 偏 差 基 本 在20%~60%，個(gè)別能達(dá)到80%以上，其中部分機(jī)組由于改造前入口NOx濃度設(shè)計(jì)值偏高、出口NOx濃度實(shí)測(cè)值較低，導(dǎo)致改造后其出口NOx濃度分布偏差有所降低，整體而言改造后的出口NOx濃度分布偏差普遍高于改造前，且改造后脫硝裝置A、B兩側(cè)出口之間偏差也更明顯。同時(shí)由圖6可知，SCR出口NOx濃度分布偏差與氨逃逸存在一定相關(guān)性，偏差越大氨逃逸也越容易超標(biāo)，且超低排放改造后這一現(xiàn)象更加明顯。這表明實(shí)施超低排放改造后脫硝裝置出口NOx濃度分布更加不均勻，分析其原因，一方面是因?yàn)楦偷呐欧畔拗祵?duì)運(yùn)行調(diào)整的要求更高、控制難度更大，另一方面則是因?yàn)槌团欧艑?duì)脫硝裝置流場(chǎng)改造均勻性認(rèn)識(shí)不足、改造措施有限甚至認(rèn)為脫硝超低排放改造就是新增或更換催化劑。為此需要提高認(rèn)識(shí)，提升運(yùn)行調(diào)控水平，加強(qiáng)噴氨優(yōu)化調(diào)整，必要時(shí)根據(jù)機(jī)組自身實(shí)際情況開展精準(zhǔn)噴氨或智能噴氨改造工作，此外要特別注意噴氨噴嘴磨損堵塞、供氨閥門調(diào)節(jié)特性、導(dǎo)流混合裝置調(diào)整、催化劑活性等脫硝關(guān)鍵設(shè)施的檢修運(yùn)維工作。
圖5 超低排放改造前/改造后各機(jī)組脫硝入出口NOx濃度分布
圖 6 超低排放改造前/改造后各機(jī)組脫硝出口 NOx濃度分布與氨逃逸
2.3 SCR入口煙氣速度均勻性分析
由圖7可知，不同機(jī)組超低排放改造前和改造后的SCR入口煙氣流速相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差情況差異較大，有改造后偏差明顯降低的，也有改造后偏差反而更大的，但整體上約70%的機(jī)組改造前和改造后SCR入口煙氣流速偏差均在15%以上，約30%的機(jī)組改造前和25%的機(jī)組改造后偏差均在25%以上。由圖8可知，SCR入口煙氣流速相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差與氨逃逸存在一定相關(guān)性，結(jié)合圖5、圖7可以發(fā)現(xiàn)，噴氨格柵上游的原煙氣NOx濃度分布相對(duì)比較均勻，但煙氣速度分布則不再均勻。這表明改造后SCR入口煙氣流速偏差較改造前雖然有了一定程度的改善，但流速不均問題仍然非常突出，特別是超低排放改造后對(duì)SCR入口煙氣流速偏差要求更高，而超低排放實(shí)際改造過程中對(duì)脫硝裝置流場(chǎng)優(yōu)化工作并未有效開展，該問題沒有得到根本性解決。針對(duì)此問題，有必要根據(jù)電廠實(shí)際情況對(duì)脫硝裝置開展現(xiàn)場(chǎng)冷態(tài)流場(chǎng)摸底試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合工作，重點(diǎn)關(guān)注噴氨裝置上游和催化劑上游煙氣速度分布，通過調(diào)整或增設(shè)導(dǎo)流板、整流裝置、布置合適靜態(tài)混合器、混裝不同孔隙、不同型式催化劑等方式來(lái)重新校核與優(yōu)化流場(chǎng)。
圖7 超低排放改造前/改造后各機(jī)組脫硝入口速度分布
圖8 超低排放改造前/改造后各機(jī)組脫硝入口煙氣速度分布與氨逃逸
2.4 氨逃逸、氨氮摩爾比及流場(chǎng)均勻性分析
氨逃逸、氨氮摩爾比和流場(chǎng)均勻性是反應(yīng)脫硝裝置性能水平的關(guān)鍵參數(shù)，圖9中可以看出超低排放改造前和改造后分別約有48%、21%的機(jī)組氨逃逸濃度超出原SCR脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)值，圖10可以發(fā)現(xiàn)超低排放改造后氨逃逸與SCR出口NOx濃度和入口煙氣速度分布相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差相關(guān)性更加緊密，這主要是因?yàn)槌团欧鸥脑烨捌诿撓豕芾矸绞捷^為粗放，對(duì)氨逃逸、氨氮摩爾比和流場(chǎng)均勻性控制意識(shí)不強(qiáng)，超低排放改造后對(duì)氨逃逸、氨氮摩爾比和流場(chǎng)均勻性控制雖然得到一定程度改善但仍難有效控制氨逃逸超標(biāo)。結(jié)合圖1和圖5還可以看出，脫硝效率要求越高、濃度場(chǎng)均勻性越差的機(jī)組氨逃逸濃度超標(biāo)情況越明顯，這主要是因?yàn)槌团欧鸥脑煨蝿?shì)下流場(chǎng)均勻性要求嚴(yán)格、NOx低濃度數(shù)據(jù)調(diào)控困難、負(fù)荷多變引起的NOx濃度波動(dòng)大導(dǎo)致氨逃逸全部或局部超標(biāo)，同時(shí)氨逃逸濃度在線表計(jì)監(jiān)測(cè)不準(zhǔn)、脫硝效率控制不合理、催化劑壽命管理不重視也給氨逃逸和氨氮摩爾比控制增加難度，為此在實(shí)際運(yùn)行時(shí)可通過低氮燃燒優(yōu)化調(diào)整，定期或不定期開展噴氨優(yōu)化試驗(yàn)，必要時(shí)根據(jù)具體機(jī)組自身特點(diǎn)，進(jìn)行精準(zhǔn)噴氨或智能噴氨改造工作，同時(shí)還應(yīng)關(guān)注催化劑全壽命管理，定期對(duì)運(yùn)行中催化劑檢測(cè)評(píng)估。
圖9 超低排放改造前/改造后各機(jī)組脫硝出口氨逃逸濃度
圖 10 超低排放改造前/改造后各機(jī)組氨逃逸與出口 NOx 濃度分布及入口煙氣流速分布
2.5 煙溫分析
SCR 脫硝催化劑對(duì)運(yùn)行溫度有一定要求，煙溫高于最高連續(xù)運(yùn)行煙溫或低于最低連續(xù)運(yùn)行煙溫均會(huì)造成催化劑失活。由圖11(a)可以看出，整體上機(jī)組脫硝系統(tǒng)超低排放改造前和改造后在滿負(fù)荷工況時(shí)設(shè)計(jì)煙溫與實(shí)際煙溫偏差不大，基本都在320~420℃之間，滿足SCR脫硝催化劑運(yùn)行煙溫要求。但由圖11(b)可以看出最低負(fù)荷工況下存在著部分機(jī)組SCR脫硝裝置入口煙溫低于最低連續(xù)運(yùn)行煙溫問題，且改造后這一現(xiàn)象更加明顯，同時(shí)由圖11(b)還可以發(fā)現(xiàn)超低排放改造后的最低連續(xù)運(yùn)行煙溫設(shè)計(jì)值普遍在300~320℃，基本低于改造前設(shè)計(jì)值（320℃）。這主要是因?yàn)楫?dāng)前國(guó)內(nèi)燃煤機(jī)組負(fù)荷調(diào)度、調(diào)峰頻繁，部分電廠為應(yīng)對(duì)低負(fù)荷煙溫過低導(dǎo)致脫硝退出而采取了調(diào)低最低連續(xù)運(yùn)行煙溫設(shè)計(jì)值方式，對(duì)此必須注意要科學(xué)理性對(duì)待，一方面催化劑潛能實(shí)際上會(huì)在最低連續(xù)運(yùn)行煙溫上留有一定裕度，但另一方面超低排放改造后脫硝效率的提升必不可免會(huì)導(dǎo)致氨氮摩爾比的增大，進(jìn)而導(dǎo)致NH3濃度提高，即同一電廠煤質(zhì)不變情況下超低排放改造后最低連續(xù)運(yùn)行煙溫會(huì)提高。各電廠必須結(jié)合自身實(shí)際情況合理設(shè)置最低連續(xù)運(yùn)行煙溫，必要時(shí)可采取省煤器煙氣旁路、省煤器分級(jí)改造等技改方式。
圖11 超低排放改造前/改造后各機(jī)組脫硝入口煙溫
2.6 煙溫降分析
SCR脫硝系統(tǒng)煙溫降一般要求控制在3℃以內(nèi)，由圖12可以看出約22%的機(jī)組超低排放改造前SCR脫硝系統(tǒng)煙溫降超出原設(shè)計(jì)值，超低排放改造后這一比例達(dá)到了約36%，部分機(jī)組甚至超過原設(shè)計(jì)值2~5倍，這主要是因?yàn)槊撓跸到y(tǒng)煙溫降未被重視，超低排放改造過程中對(duì)脫硝系統(tǒng)保溫裝置維護(hù)不到位。根據(jù)《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014-2020年）》要求，燃煤機(jī)組全面實(shí)施超低排放改造后所有現(xiàn)役電廠每千瓦時(shí)平均煤耗低于310g[3]，脫硝系統(tǒng)節(jié)能降耗關(guān)鍵點(diǎn)相對(duì)有限，煙溫降作為脫硝系統(tǒng)為數(shù)不多的節(jié)能降耗關(guān)鍵點(diǎn)，容易被忽視，特別是煙溫降明顯高于設(shè)計(jì)值的電廠需引起高度重視，應(yīng)在機(jī)組檢修時(shí)加強(qiáng)對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)的保溫防護(hù)。
圖12 超低排放改造前/改造后各機(jī)組脫硝系統(tǒng)溫降
3 結(jié)論
本文通過對(duì)我國(guó)現(xiàn)有采用SCR工藝典型燃煤機(jī)組超低排放改造前和改造后的脫硝設(shè)施運(yùn)行性能進(jìn)行對(duì)比評(píng)估，得到脫硝效率、入出口NOx濃度及其分布、入口速度分布、氨逃逸、氨氮摩爾比、運(yùn)行煙溫、溫降等脫硝裝置改造前后實(shí)際運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)比研究結(jié)果顯示：（1）超低排放改造后大部分脫硝裝置整體性能得到提升，超低排放改造后出口NOx濃度分布偏差基本在20%~60%且脫硝裝置A、B兩側(cè)出口之間偏差更明顯；
（2）約70%的機(jī)組改造前和改造后SCR入口煙氣流速偏差均在15%以上，約30%的機(jī)組改造前和25%的機(jī)組改造后偏差均在25%以上；
（3）超低排放改造前和改造后分別約有48%、21%的機(jī)組氨逃逸濃度超出原SCR脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)值，同時(shí)出口NOx濃度和入口煙氣速度分布偏差與氨逃逸存在一定相關(guān)性，其中出口NOx濃度分布偏差越大氨逃逸越容易超標(biāo)；
（4）部分機(jī)組SCR脫硝裝置入口煙溫低于最低連續(xù)運(yùn)行煙溫問題且改造后這一現(xiàn)象更加明顯；22%的機(jī)組超低排放改造前SCR脫硝系統(tǒng)溫降超出原設(shè)計(jì)值，改造后這一比例達(dá)到了約36%。
這些表明當(dāng)前國(guó)內(nèi)燃煤機(jī)組出口NOx濃度分布均勻性差、入口煙氣速度分布偏差達(dá)不到要求、氨逃逸超標(biāo)、低負(fù)荷脫硝投運(yùn)煙溫低等問題日益突出，針對(duì)這些問題建議采取的解決措施主要有：
（1）合理調(diào)整運(yùn)行控制方式、優(yōu)化噴氨系統(tǒng)，將出口NOx濃度壓線運(yùn)行或低于排放限值5~10mg/m3運(yùn)行；
（2）優(yōu)化低氮燃燒調(diào)整，定期或不定期開展噴氨優(yōu)化試驗(yàn)，必要時(shí)根據(jù)機(jī)組自身實(shí)際情況開展精準(zhǔn)噴氨或智能噴氨改造工作；
（3）根據(jù)電廠實(shí)際情況對(duì)脫硝裝置開展現(xiàn)場(chǎng)冷態(tài)流場(chǎng)摸底試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合工作，重點(diǎn)關(guān)注噴氨裝置上游和催化劑上游煙氣速度分布，重新校核與優(yōu)化流場(chǎng)；
（4）重視催化劑全壽命管理工作，定期對(duì)運(yùn)行中催化劑檢測(cè)評(píng)估；
（5）合理設(shè)置脫硝最低連續(xù)運(yùn)行煙溫，加強(qiáng)脫硝系統(tǒng)溫降防護(hù)、設(shè)備及儀表維護(hù)力度，提高運(yùn)維管理水平。
