330 MW燃贫煤机组SCR脱硝系统分析及诊断
摘 要： 为了解决山西某330 MW燃贫煤火电厂SCR脱硝系统存在的脱硝效率偏低、催化剂寿命短的问题，对SCR反应器进行了现场测试，使用烟气分析仪、温度测试仪、流量测试仪等仪器对烟道内烟气组分浓度、温度场、速度场进行检测。测试结果表明，SCR反应器运行过程中存在流场、温度场不均匀的现象，这是导致催化剂磨损严重，进而影响脱硝效率的主要原因。在测量结果的基础上，分析并确定运行过程中的问题根源所在,可为火电厂优化运行与改造提供建议。
关键词： SCR；烟气脱硝；现场试验；优化运行；催化剂磨损
0 引 言
随着环保政策的日益收紧，我国国家发改委、环保部、国家能源局三部委制定的《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014—2020年)》要求火电机组的烟气排放中NOx、SO2和烟尘含量分别不得高于50、35和10 mg/Nm3[1]。在此背景下，火电企业和科研院所纷纷进行环保改造和优化运行研究。选择性催化还原法(selective catalytic reduction，SCR)烟气脱硝技术是技术成熟、应用广泛的烟气脱硝技术，在日益收紧的火电厂烟气排放政策驱动下在火电企业中逐渐得到了普遍应用。但由于燃煤含硫量的增加和超低排放政策的推行，SCR系统运行过程中存在投入及运行成本较高、氨逃逸量高、脱硝催化剂磨损堵塞、空气预热器腐蚀等问题。
目前已有大量关于SCR系统运行状况及反应器设备方面的研究，在SCR系统运行状况方面，秦福初[2]通过对火电厂运行参数进行分析，说明SCR反应器的运行效率受炉膛给煤量、风速、风量，烟道结构、催化剂布置与型式影响。梁川等[3]对绥中电厂四号机组SCR反应器前后的NOx体积分数、温度、氧量、流量等进行现场检测，得出运行状况并提出优化运行方案。杨建国等[4]对某660 MW机组进行燃烧调整及SCR运行调整，通过控制氧体积分数、喷氨量，平衡脱硝效率和氨逃逸量，对厂区的运行和改造参数提出了建议。SCR反应器设备改造方面，凌忠钱等[5]、杨松等[6]、徐旭等[7]均采用数值模拟方法对烟气导流板进行了优化设计，优化的SCR反应器结构具有良好的均匀性，这不仅可以减轻催化剂的磨损情况，还可以保证脱硝反应的平稳均衡进行。除此之外，杨超等[8]也对带有整流器的SCR反应器催化剂前的烟气流场分布进行了研究，XU Y Y等[9-10]也对整流器对SCR反应器流场均匀性的影响进行了模拟，提出了适用的最佳整流器高度350 mm。雷达等[11]对某600 MW机组的SCR反应器进行模拟研究，确定喷氨格栅处烟气速度场对SCR反应器流场均匀性和反应过程中还原剂性能的影响。安敬学等[12]、何文深等[13]、李锋等[14]均对烟道内催化剂受到粉尘颗粒的磨损情况进行了试验室研究和模拟研究，以期探寻解决因催化剂磨损而导致的脱硝成本升高的方法。在现场运行测量和分析方面，王忠杰等[15]、孙也等[16]、潘荔等[17]对烟气连续排放的现场测试进行了介绍，赵宗让[18]、杨婷婷等[19]对现场测量方法和数据处理方式进行了介绍。
综上所述，对于SCR反应器的大部分工作是对SCR反应器进行数值模拟，进而探究其烟道内部结构对流场的影响，确定其运行过程中存在的问题并提出改造建议。而通过现场测量数据探究SCR反应器的运行状况鲜见报道。本文立足于某2×330 MW燃贫煤电厂的2号机组，针对SCR反应器运行过程中催化剂存在的磨损堵塞问题，对现场进行考察，并对反应器上下游位置的流场和烟气参数进行测量，分析定位催化剂层磨损、堵塞的原因，以期为火电企业运行条件的控制和设备改造提供参考。
1 试 验
选用某2×330 MW燃贫煤电厂的2号机组，锅炉为 DG1150/18.3-II12 型亚临界、中间一次再热、自然循环、燃煤汽包锅炉，单炉膛 Π 型布置，四角切圆燃烧，尾部双烟道，固态排渣，平衡通风，全钢架悬吊结构。脱硝装置采用“高含尘布置方式”的SCR工艺，液氨为还原剂，在设计煤种及校核煤种、锅炉最大连续蒸发量(boiler maximum continuous rating，BMCR)工况、处理100%烟气量条件下，启用附加层催化剂前脱硝效率≥90%，启用后预期脱硝效率95%，催化剂层数按“2+1”布置。
1.1 试验原料
系统燃用贫煤，炉内燃烧原始生成氮氧化物浓度较高，因此采用尾部烟气的SCR脱硝工艺，还原剂采用液氨。
1)煤质分析
锅炉燃煤为以贫煤为主混配而成，煤质较为稳定，煤样元素分析和工业分析见表1。
表1 原料煤工业分析和元素分析
Table 1 Proximate and ultimate analysis of raw coal
注：样品1为330 MW负荷用煤取样；样品2为250 MW负荷锅炉用煤取样；a表示差量法获得。
2) 脱硝催化剂及原料液氨
① 催化剂：2号机组脱硝装置初装2层节距为8.2 mm的蜂窝状催化剂，其孔数为18×18，体积为343.7 m3；备用层启用后增加催化剂体积为137 m3，型式与初装催化剂相同，将新催化剂放置在上层，旧催化剂相应下移；催化剂运行温度为325～420 ℃。
② 液氨：脱硝装置还原剂采用液氨，其品质符合国家标准GB 536—1988《液体无水氨》技术指标的要求，氨含量≥99.6%，残留物含量≤0.4%。
1.2 试验仪器及设备
对SCR反应器前后的烟气进行流场分析与组分分析，以确定SCR反应器的运行状况以及改进空间。使用仪器及型号：烟气分析仪，3012H，青岛崂山应用技术研究所；红外测温仪，GM1650,BENETECH；烟气分析仪，Testo350，德国TESTO；FLUKE温度表，50Ⅱ，美国FLUKE。
1.3 工艺流程及测试方法
1)工艺流程
长治热电SCR系统属于高灰段布置，全厂烟气系统示意如图1所示。烟道内的烟气经省煤器换热后，在弯道导流板的导引下，在省煤器出口处与从喷氨格栅内喷出的氨空气混合气进行混合，再经过静态混合器，气流发生强烈扰动，在此作用下烟气与氨空气混合气进行充分混合，随后通过上弯道的导流板、整流器进入到催化剂空间，在SCR反应器内装有3层催化剂，进入第1层催化剂的烟气参数与从整流器流出的烟气参数密切相关。SCR反应系统的结构如图2所示。
图1 电厂系统示意
Fig.1 Diagram of power plant system
图2 SCR反应器示意
Fig.2 Diagram of SCR reactor
2)测试方法及布点
按等截面多点网格法布置，其测点布置如图3和表2所示。用EIC数据采集系统、FLUKE温度表、K型热电偶和烟气分析仪进行烟气温度、流量和烟气组分的采集测量，每15 min采集一次数据。
图3 网格法测点布置平面图
Fig.3 Scheme of test points by grid method
1.4 试验内容
在确定运行工况条件下，使用青岛崂山应用烟气分析仪分别对A、B两组SCR反应器喷氨前、喷氨后、SCR反应器出口处的烟气温度和流速进行了测量，以考察流场的均匀性。使用Testo350对烟气成分进行分析，考察负荷(选取330、250 MW)对SCR系统脱硝效率的影响。使用FLUKE温度表对空气预热器进出口烟气进行温度测量并分析，考察负荷(选取330、250 MW)对SCR脱硝性能的影响试验，通过以上试验数据，结合现场调研，判断SCR系统运行状况，确定优化空间。
表2 测点布置
Table 2 Test points
2 结果与讨论
2.1 SCR脱硝系统速度场分布
在负荷330 MW下对2号炉A、B侧速度场和温度场的测量数据使用科学绘图软件Origin进行处理，在不同位置不同取样口不同深度位置的速度云图如图4所示。对于2号炉的SCR反应器来说，A侧反应器入口侧靠近中心位置有低流速区，出口侧靠近中心也有一个低流速区，速度分布不均匀；B侧反应器入口中心线上流速均较低，出口处右侧速度明显偏小，影响脱硝设备的运行效率。
2.2 SCR脱硝系统温度场分布
在对速度场进行测量的同时，对SCR系统的温度场进行了测量,如图5所示。
图4 2号炉A侧和B侧SCR反应器喷氨前、喷氨后、SCR出口速度云图
Fig.4 Velocity contours of A side and B side of No.2 furnace’s SCR reactor before spray ammonia,after spray ammonia and SCR outlet
图5 2号炉A侧和B侧SCR反应器喷氨前、喷氨后、SCR出口温度云图
Fig.5 Temperature contours of A side and B side of No.2 furnace’s SCR reactor before spray ammonia,after spray ammonia and SCR outlet
从图5可以看出：330 MW负荷下，A侧温度高于B侧10 ℃左右；且SCR系统入口温度略高于出口温度，出口温度场均匀性较差；A侧入口，3号测点附近温度略低于两边，B侧入口，中间位置温度略低于两边，A、B系统烟道两侧温度均低于中间，B侧前墙部位温度波动较大。
2.3 空气预热器出口温度场分布
在330 MW负荷工况下对空气预热器出口温度场进行了测试，测试结果如图6所示。B侧排烟温度低于A侧。A、B侧烟道均存在外侧排烟温度低，内侧排烟温度高的分布趋势，靠近一次风风道区域排烟温度明显较低，这是因为空气预热器外侧为一次风风道，一次风压力高，漏风量大，造成了排烟温度低。空气预热器出口各处最低烟温均高于酸露点，这有利于SCR系统的安全稳定运行。
2.4 SCR脱硝系统进出口NOx浓度场分布
2.4.1 相同负荷下SCR脱硝前后NOx浓度场变化情况
为了确定330 MW负荷下SCR脱硝系统NOx浓度分布情况，对各断面进行检测，330 MW负荷工况下脱硝入口、出口不同检测点NOx (6%O2dry mg/m3) 分布情况如图7所示。入口氮氧化物含量分布为A侧NOx浓度高于B侧，A、B侧烟道均存在内侧NOx浓度高，内侧NOx浓度较高的趋势，这与温度的分布趋势一致，且B侧前墙出口NOx局部较高，分析认为这与B侧前墙催化剂局部堵塞、磨损严重，进而导致脱硝效率降低有关。
图6 A、B两侧空气预热器出口温度场分布
Fig.6 Temperature contours of A side and B side of air heater’s outlet
图7 2号锅炉330 MW负荷下脱硝入口和出口NOx浓度场(6%O2 dry mg/m3)分布
Fig.7 NOx concentration contours of No.2 furnace’s SCR reactor’s inlet and outlet at 330 MW
2.4.2 不同负荷下SCR脱硝后NOx场变化情况
为了比较不同负荷下SCR脱硝后NOx浓度场变化情况，对250 MW负荷工况下脱硝出口的NOx进行检测，250 MW负荷工况下脱硝出口NOx(6%O2dry mg/m3)分布如图8所示。其结果与330 MW负荷时分布相似，尤其B侧前墙NOx局部较高的现象更为严重，这证明B侧流场不均匀，而不均匀的流场会造成催化剂层的严重磨损或积灰。
2.5 SCR脱硝系统催化剂磨损、堵塞情况
结合烟气流场、温度场、氮氧化物浓度场进行分析，可以推测SCR反应器内催化剂磨损堵塞的位置。为了验证试验结论，设备检修期间对SCR反应器B侧催化剂的磨损进行现场调研，B侧催化剂磨损情况如图9所示。
图8 250 MW负荷工况下脱硝出口NOx浓度(6%O2 dry mg/m3)分布
Fig.8 NOx concentration contours of No.2 SCR reactor’s outlet at 250 MW
图9 B侧催化剂磨损堵塞情况
Fig.9 Catalyst abrasion and block at B side
脱硝反应器B侧上层前墙催化剂磨损严重，从下面看上层催化剂的底面已经磨成片状，中间有漏点。尤其在蒸汽吹灰器正下方的催化剂磨损最为严重，出现了大面积的磨穿现象，前墙部位催化剂有一定磨损，但催化剂整体完好，未出现明显破损现象，同时该层催化剂磨损和堵灰现象严重，这与流场及脱硝效率检测结果相符。
在上述现场考察和试验的基础上，通过对脱硝系统进行三维建模，并进行CFD 流场数值模拟，其结果显示首层催化剂上方烟气速度场均匀性、氨浓度场均匀性两大控制指标不能满足SCR反应器流场考核标准，其原因与省煤器出口两个异径烟道、下转角、反应器入口烟道等处导流板布置不妥有关。
3 结 论
1)通过对火电厂的烟气流场现场试验的测量分析，结合现场调研，表明反应器内流场不均匀是导致催化剂磨损的主要原因，因此可通过优化流场的手段达到解决催化剂磨损的目的。
2)A侧脱硝反应装置运行效果优于B侧，B侧靠锅炉侧流场不均，温度波动大，氮氧化物浓度相对较高，可推断该侧催化剂堵塞、磨损严重。通过实际催化剂考察，发现实际催化剂磨损情况和检测推断结果相符。
因此，在运行测量的基础上，对火电厂烟道内各点的温度、速度和烟气组分浓度等参数进行测量，可帮助确定SCR系统运行状况。
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Analysis and diagnosis of SCR denitrification system in 330MW lean coal-fired boiler
Abstract:To solve the low efficiency and the short life of the catalyst in the SCR denitrification system of a 330 MW coal-fired thermal power plant,field test and analysis were conducted.The flue gas concentration,temperature field and velocity field were measured using flue gas analyzer,temperature test equipment,and flow test instrument etc.The results show that the flow field and temperature field were inhomogeneously distributing during operation.This is thought be the main factor for the low denitrification efficiency and the catalyst abrasion.On the basis of measurement results,the critical issues in the operation process were systematically investigated and confirmed.It provides suggestions for the optimization and operation of the thermal power plant,and offers available reference for the engineering practice and stable operation.
Key words:SCR;flue gas denitrification;field experiment;optimized operation;catalyst abrasion
中图分类号：X701.7
文献标志码：A
文章编号：1006-6772(2017)05-0098-07
收稿日期：2017-03-01；责任编辑孙淑君
DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.2017.05.019
基金项目：山西省科技重大专项资助项目(MD2014-03,MD2015-01)；NSFC-山西省联合基金重点项目(U1610245)
引用格式：王民武，孟文宇，任杰，等.330 MW燃贫煤机组SCR脱硝系统分析及诊断[J].洁净煤技术，2017，23(5)：98-104.
WANG Minwu,MENG Wenyu,REN Jie,et al.Analysis and diagnosis of SCR denitrification system in 330 MW lean coal-fired boiler[J].Clean Coal Technology，2017，23(5)：98-104.
