百度学术
全文HTML
氮氧化物（NOx）是一种有毒有害气体，免疫学调查以及动物实验结果表明，体积分数达到1×10−5，可对人体以及动植物造成危害[1]；同时在一定条件下NOx经光分解而产生光化学烟雾[2-3]，导致2次污染且危害远大于原始污染物。 “十二五”期间，烟气脱硝就已经成为节能减排的约束性硬指标，控制氮氧化物排放刻不容缓。我国氮氧化物排放总量较大，但近6年来逐年递减，情况总体向好[4]。根据国家环保部历年中国环境公报统计，我国氮氧化物排放总量已由2011年的2 404.3万t减少至2015年的1 851.5万t，下降22.98%[5-6]。近年来，国家出台了一系列大气污染防治相关的政策，大力推动我国大气污染防治工作，有力地促进了烟气脱硝行业的快速发展。特别是选择性催化还原（selective catalytic reduction，SCR）反应器的设计、制造，以及新型可再生高效催化剂的研发、生产有了显著进步[7-8]。
超低排放的概念源自于2014年9月国家发展改革委员会、环境保护部、国家能源局印发的《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014—2020）》[9]，为落实我国能源发展战略行动计划，加快推动能源生产及消费革命，进一步加快煤电高效清洁发展，要求至2020年，东部地区现役300 MW及以上公用燃煤发电机组改造后污染物排放浓度基本达到燃气轮机组排放限值，即在基准氧含量6%条件下，烟气中NOx浓度不高于50 mg·m−3。脱硝系统超低排放改造的内容主要集中于催化剂层的升级[10-11]、SCR反应器改进[12]、烟道流场优化以及喷氨优化调整等几个方面[13-14]，技术改造的成效则主要体现在SCR反应器出入口的NOx浓度、流场分布[15-17]、氨逃逸浓度等指标上[18]。本研究以东北地区某350 MW机组超低排放改造工程为例，通过实测SCR反应器出入口烟气流场和NOx浓度场分布情况以及后期数据核算，研究超低排放改造工作的特点、效果以及存在的问题。
1 实施方案
1.1 工程概况
本研究实验数据采自东北地区某350 MW火电机组的脱硝系统，该系统采用SCR工艺，以液氨作为还原剂，反应器内原安装有板式2层催化剂且预留1层催化剂空间，设计脱硝效率≥75%，出口NOx浓度≤87.5 mg·m−3（273.15 K，101 kPa，下文所述浓度值均已折算至标准状况）。
1.2 改造方案
在超低排放改造中综合考虑了改造所要达到的目标、经济性以及施工的难易程度，最终采用加装催化剂备用层方法，同时加装对应的吹灰系统（半伸缩蒸汽吹灰器加声波吹灰器），以提升该系统的脱硝效率。改造完成后脱硝系统催化剂达到3层，并已完成相应的氨喷射、流场均布校核等改造工作。改造后，要求脱硝系统（3层催化剂）SCR装置在入口NOx浓度450 mg·m−3的前提下，脱硝效率≥91.1%，出口NOx浓度≤40 mg·m−3。本研究以此次改造为背景开展检测工作，利用所获实验数据，分析NOx浓度场分布等相关信息。
1.3 采样及分析方案
该脱硝系统SCR反应器由甲、乙两侧反应器组成且彼此独立。甲侧反应器如图1所示（乙侧反应器与甲侧反应器结构相同，呈对称分布）。依据现场勘测的结果，实验地点位于脱硝入口和出口的水平烟道之上，测试区①位于入口烟道上方，测试区②位于出口烟道上方。
为使实验数据更具代表性，运用网格布点法确定测点的具体位置。如图2所示，入口烟道截面，气流垂直纸面向外，甲侧从左至右共计8个测试孔，编号依次为1~8号；乙侧从左至右8个测试孔，编号依次为9~16号。入口烟道每个测试孔选取竖直方向2个采样深度进行测试。与入口烟道的测点布置形式相似，如图3所示出口烟道截面，气流垂直纸面向内，甲侧从左至右共计8个测试孔，编号依次为1~8号；乙侧从左至右8个测试孔，编号依次为9~16号。出口烟道每个测试孔选取竖直方向3个采样深度进行测试。
图1 测试区域示意图
Fig. 1 Test area diagram
Fig. 1 Test area diagram
图2 入口测点布置图
Fig. 2 Inlet test point layout
Fig. 2 Inlet test point layout
图3 出口测点布置图
Fig. 3 Outlet test point layout
Fig. 3 Outlet test point layout
本实验选择65% BMCR、78% BMCR、85% BMCR 3个工况条件下进行测试，使用自动烟尘(气)测试仪测算烟气流量，使用MRU Optima 7烟气分析仪、采样枪以及延长管测量NO、NOx浓度、烟气含氧量，使用浸入式尖端柔性K型热电偶温度计测量烟气温度。需要注意的是，在NOx浓度场均匀度测试开始之前，有必要对烟道截面内各点流速进行测试，获取必要的烟气流速数据用于绘制流场分布图以及烟气流量的计算。在分析总结时对比流场与浓度场的数据，研究两者的特性与关联性。
2 运行效果与分析
2.1 流场测试
通过网格划分确定测点位置，测量各点处烟气流速，以测量值之间的差异程度来衡量脱硝系统入口和出口流场均布情况。两侧烟道彼此独立，但由于脱硝系统喷氨气采用1根母管为两侧提供还原剂，因此，为对比侧流场和浓度场的特性，取两侧实验数据绘制1张等值线图。如图4所示，自上而下依次为350 MW火电机组在65% BMCR、78% BMCR、85% BMCR 3个不同的工况下的流场等值线图（以工况1、工况2、工况3对应代表3种工况，下同）。1号、 12号、16号测孔所对应的烟道截面局部流速偏高，在85% BMCR工况下最高可达17.65 m·s−1，而在6号、11号测孔所对应的烟道截面局部流速偏低，在85% BMCR工况下最低达到7.2 m·s−1。
以样本数据的离散度表示流场均布情况，要求离散度≤15%。分别计算不同工况下两侧烟道的流速平均值、标准偏差和离散度。甲侧烟道在3种工况之下烟气流速离散度分别为11.55%、16.03%、15.68%，其平均值14.42%，低于15%；乙侧烟道分别为10.39%、11.96%、19.52%，其平均值13.96%，低于15%。甲乙两侧流场均匀度总体上满足设计值（≤15%）要求。烟气流速离散度较低，说明经过超低排放改造后，导流板布置较好，出口烟道流场分布均匀且催化剂堵塞情况微小。用于离散度计算的公式如下
X=n∑i=1xin
| （1） |
S=√n∑i=1xi−xn−1
| （2） |
vs=SX×100%
| （3） |
图4 烟道出口流场等值线图
Fig. 4 Flue outlet flow field contour map
Fig. 4 Flue outlet flow field contour map
2.2 NOx浓度场均匀度测试
如表1所示，3种工况下脱硝效率均满足设计要求，并且出口NOx浓度也低于超低排放标准的50 mg·m−3，因此在脱硝效率和排放浓度达标的前提下，研究NOx浓度场分布特性。参考表1数据，出、入口氧量差不超过0.4%， 且采用氧平衡法进行本体漏风率计算，见式（4）。3种工况下漏风率分别为2.59%、1.05%、1.52%，均小于设计值3%。图5为表示各个测点烟气的含氧量结果，其中1~8号测孔对应甲侧反应器，9~16号测孔对应乙侧反应器，出口与入口对应测点均显示相似的变化特性。
Δα=Kout−KinKout×100%
| （4） |
选取超低排放改造前2016年11月数据作为对比，该机组的出口NOx浓度为 19.92 mg·m−3，脱硝效率为95.84%。对比改造后数据（表1），在多个工况下出口NOx浓度有所下降，脱硝效率略有提高。
表1 脱硝系统性能测试结果
Table 1 Results of Denitrification system performance test
Table 1 Results of Denitrification system performance test
实验工况 | 入口O2/% | 出口O2/% | 入口NOx浓度（标干6%O2）/（mg·m−3） | 出口NOx浓度（标干6%O2）/（mg·m−3） | 脱硝效率/% |
65%BMCR | 5.13 | 5.53 | 574.49 | 13.00 | 97.73 |
78%BMCR | 4.62 | 4.79 | 496.19 | 11.96 | 97.59 |
85%BMCR | 4.25 | 4.50 | 465.79 | 14.98 | 96.78 |
设计值 | — | — | ≤450 | ≤40 | ≥91.1 |
图5 烟气含氧量结果比较
Fig. 5 Comparison of flue gas oxygen content
Fig. 5 Comparison of flue gas oxygen content
依据式（1）~（3），计算NOx浓度值的离散度，如图5所示。对于SCR反应器出、入口NOx浓度分布的离散度要求的设计值均为15%。对于入口烟道，甲侧（测孔编号1~8）在3种工况之下，NOx浓度的离散度分别为10.42%、3.36%、3.92%，平均值5.90%，低于设计值15%；乙侧（测孔编号9~16）分别为3.50%、4.65%、2.88%，平均值3.68%，低于设计值15%，入口烟道总体上满足设计要求。然而对于出口烟道，甲侧烟道在3种工况之下，NOx浓度的离散度分别为28.78%、42.90%、22.79%，平均值31.49%，超出设计值100%以上；乙侧烟道分别为43.33%、48.95%、78.42%，平均值56.90%，超出设计值200%以上，NOx分布严重不均。
图6和图7分别为烟道入口和出口在65%、78%、85% BMCR 3种工况下的NOx浓度场分布。如图6所示，入口1号和 16号测孔的对应区域NOx浓度偏低，而7~10号测孔的对应区域NOx浓度偏高。如图7所示，出口烟道5~8号测孔的对应区域NOx浓度偏高，9~12号测孔的对应区域NOx浓度偏低；另外，在85%BMCR工况下14~16号区域呈现出NOx浓度明显偏高的特殊现象。
综合数据与图像分析SCR反应器甲侧烟道出口和入口的NOx浓度场呈现相似的特性，均为烟道外侧偏低，内侧偏高。可见，在新添加1层催化剂、且性能良好的前提之下，基本排除了催化剂磨损、堵塞、失活等原因对脱硝效率的影响。可知，甲侧反应器对于NOx的处理效果是相对平均的，说明，喷氨系收到浓度反馈信号以后调节喷氨量的程度较弱，入口NOx浓度分布受到锅炉排烟的影响，出口浓度跟随入口浓度的变化而变化。乙侧烟道出口和入口的NOx浓度场却呈现出近乎相反的特性，极有可能是氨喷射、流场均布校核工作存在不足，使得部分区域喷氨调节过度，入口NOx浓度高的区域在出口反而很低。
3 结语
通过加装催化剂备用层和吹灰系统对350 MW发电机组进行超低排放改造。改造后，SCR反应器的脱硝效率及出口NOx浓度均满足设计要求，并符合超低排放标准。但仍存在出口NOx浓度分布不均和甲、乙两侧呈现相反特性的现象，说明原有的喷氨格栅和催化剂层存在堵塞或磨损。下一步需要对吹灰装置、氨喷射、流场均布进行校核与改造。
下载:
