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中德技术合作火电厂SCR烟气脱硝装置的运行优化和性能试验示范廖永进1徐程宏1余岳溪1湛志钢1温智勇1廖宏楷1约克·莫扎特罗2王晔2（1.广东电网电力科学研究院，广州510600；2.德国技术合作公司，北京100007）摘要：SCR脱硝技术在我国还处于起步阶段，本文介绍了中德政府技术合作“能源领域环境保护”项目框架内中德专家在某600MW机组开展“示范性火电厂SCR烟气脱硝装置运行优化和性能试验”的情况。SCR装置反应器出口NOx的浓度偏差会明显影响催化剂的寿命并增加锅炉引风机的电耗，甚至影响机组的可用率。因此十分有必要对SCR装置进行运行优化。实践表明，通过对喷氨系统的优化调节，可以明显改善出口的NOx分布、并降低氨的逃逸率。在SCR装置优化设计的前提下，应通过运行优化，控制出口NOx的相对标准偏差在20%以内。同时对于SCR装置的性能验收试验，目前我国还缺少专门的标准和规程，建议有关部门尽快出台SCR性能试验的规程，为试验的优质完成提供技术支持和保障。关键词：火电厂；SCR；运行；优化；性能试验。1前言随着国家对环境保护工作的日益重视，环境标准的相应提高，对于火电厂锅炉的NOx控制工作提出了更高的要求。由于SCR（选择性催化还原）脱硝技术具有最高的脱硝效率（可达90%），且技术较为成熟，在我国得到了越来越多的应用。目前我国投运SCR脱硝装置的大型机组已超过10台，正在建设SCR装置的机组容量超过3000万kW。火电厂SCR工程的建设，不仅需要大量的投资费用，装置建成后还需要大量的运行维护费用，包括催化剂的更换费用和电耗的增加等等。以1台600MW机组的SCR装置为例，目前的催化剂费用接近3000万元，其使用寿命只有3年左右。而由于系统阻力的增加，引风机电功率的增加可达800kW以上。但目前SCR技术的应用在中国还处于起步阶段，对于SCR装置的运行，还缺少实践经验。对于装置的性能验收试验，也没有专门的规范。为此，在中德政府双边技术合作“能源领域环境保护”项目框架下，德国技术合作公司（GTZ）邀请德国e.on工程公司的专家来华，和广东电科院合作，在某600MW机组的SCR脱硝装置进行了运行优化和性能试验的示范。2运行优化的必要性和手段尽管SCR装置在设计阶段通常会通过冷态流动模型试验并结合三维两相流动数值模拟计算对烟道的流场进行优化设计。但往往由于设计水平、烟道布位和现场空间的限制等各种因素的影响，造成实地SCR催化剂入口的烟气流速场不均匀，这样会导致催化剂出口NOx和NH3的浓度场很不均匀，出现部分区域NOx含量不必要的偏低而NH3逃逸量很大或部分区域NH3逃逸较少但NOx含量较高的情况。这会影响系统总体的脱硝效果并给系统的经济稳定运行带来很大的危害。图1为不同脱硝率情况下催化剂后NOx浓度场的不均匀对催化剂寿命的影响，可以看出，若浓度偏差增大，会明显缩短催化剂的使用寿命。同时，氨逃逸的增加会产生更多的硫酸氢氨，造成锅炉空预器的堵塞和腐蚀。图2为氨逃逸对空预器清洗周期的影响，从中可以看出，当SCR系统的氨逃逸2ppm后，空预器的清洗间隔大为缩短。这会明显降低发电机组的可用率，并增加引风机的电耗（对于600MW等级机组，系统阻力增加100Pa，引风机增加功率至少有100kW），造成的直接和间接经济损失相当可观。为此，可通过对喷氨系统进行优化调整以改善催化剂出口NOx和NH3的浓度分布。即首先测量SCR装置运行时反应器出口的NOx分布，在此基础上，对喷氨隔栅各阀门进行调整以改变不同位置的喷氨量，从而实现反应器出口均匀的NOx和NH3的分布。3性能试验的方法简介SCR系统的试验项目主要有：NOx脱除率；氨逃逸率；SO2/SO3转化率；脱硝装置可用率；系统压损；各项物耗、能耗（液氨、蒸汽、水、电等）以及各项辅助性测量如烟气温度、烟气流速等。其中最关键的就是对NOx、SO3和NH3的测量。NOx的测量可采用非分散红外吸收法的NOx分析仪。和一般锅炉测量NOx排放不同的是，由于SCR反应器出口的NOx分布是不均匀的，必须进行多点网格法的测量（最好是每个催化剂单元测量1点），导致NOx的测点数量很大。以本次试验的SCR装置为例，共有2个反应器，每个反应器每层的催化剂单元数达到72个。因此，需采用如图3所示的可自动切换的阀组进行采样，以提高测试的效率。computerprinterVectraOfficeHEWLETTPACKARDsamplinggrid4controlvalveunitsvacuumpumpstoextractthegassamples2NOxanalyzersNOxO2controlunitdigitalanalog2O2analyzers图3NOx测量系统示意图SO3的测量方法采用德国大型燃烧设备联合会VGB标准4.5.2，用冷凝法进行采样。但和脱硫系统测量SO3不同的是，由于大量NH3的存在，采样烟气的温度需保持更高，应250℃。还需注意的是，每次采样前均需保证蛇形吸收管的干燥，可用异丙醇冲洗蛇行管并吹扫。SO3的分析可采用高氯酸钡滴定法或进行色谱分析。催化剂寿命缩短率（%）优化催化剂后NOx浓度的相对标准偏差5060708090脱硝率（%）图1不同脱硝率时NOx浓度的不均匀对催化剂寿命的影响月一次风部分二次风部分氨逃逸（ppm）图2氨逃逸对空预器清洗间隔时间的影响3215764NH3的测量可采用氨电极法或离子色谱法。其中氨电极法具有准确、简便和测定范围广等优点，非常适用于SCR系统的测试。NH3采样系统如图4所示。采样流量应保持在15～20l/min，采样时间约为20～30min。结束后用除盐水冲洗2个吸收瓶。对吸收溶液定容后，取样品约50ml，加入约1ml40%NaOH溶液，用氨电极进行测量。测量前需对氨电极进行活化，以防止氨电极读数的波动。可在烧杯中加约70ml除盐水＋约1ml1000mg/l的NH3溶液，放入氨电极进行搅拌约1天。测量前还应采用0.1mg/l、1mg/l、10mg/l的标准溶液对氨电极进行标定。4SCR系统运行优化和性能试验结果4．1运行优化的结果以下介绍本次对某600MW机组SCR装置A反应器运行优化的情况。该SCR装置布置于省煤器之后、空预器之前，属于高尘布置方式。主要组成部分包括两个装有催化剂的反应器、两个液氨存储罐及一套氨气注入系统。两个SCR反应器内部装有两层催化剂，每层催化剂为8×9模块布置。在每个SCR反应器的入口烟道安装了一套静态混合器，在烟道内拐弯处还安装了导流板和整流装置。锅炉燃用神府东胜煤，SCR进口NOx浓度为550mg/Nm3，设计脱硝率为80%。（1）习惯工况试验首先进行了习惯工况的摸底试验，分别测量了A反应器进口的烟气流速和温度以及催化剂出口的NOx（未喷氨和喷氨），试验结果见表1。可以看出，烟气温度及未喷氨时的NOx十分均匀，各测点烟温的相对标准偏差仅为1.1%，NOx的相对标准偏差为4.8%。但喷氨后NOx的分布很不均匀，相对标准偏差高达46.4%，明显呈现出两边高，中间低的趋势（见图5），这主要是由于进口的烟气流场不均匀造成的。从图6中可以看出，烟气流速也明显呈现出两边高，中间低的趋势，相对标准偏差达到20.8%。尽管喷氨量已经是两边较高（见表2），仍不足以消除烟气流场不均匀的影响。图5习惯工况反应器出口NOx分布123456789101217222732烟气流速（m/s）测孔图6反应器进口烟气流速分布l－采样管；2－加热装置；3－2瓶0.1mol/l的H2SO4吸收液；5－抽气泵装置（带干燥、过滤）；6－流量测量装置（带温度、压力测量）；7－氧量计图4NH3采样系统示意图表1习惯工况试验结果项目进口烟温进口烟速出口NOx（未喷氨）出口NOx（喷氨）单位℃m/smg/m3（标态,6%O2）mg/m3（标态,6%O2）平均值333.220.9441.1116.0标准偏差3.74.421.353.8相对标准偏差（%）1.120.84.846.4最小值326.212.9376.419.2最大值341.231.6484.1185.0（2）运行工况的优化针对习惯工况的测量结果，对A反应器的喷氨量进行了调整，首先在NOx浓度高的区域增加了喷氨量，进一步又减少了低NOx浓度区域的喷氨量。优化试验是逐步进行的，先后进行了3次调整，试验的主要结果分别见表2、表3和图7。从中可以看出，通过喷氨量的运行优化，催化剂出口的NOx浓度分布得到了很大的改善，NOx的相对标准偏差由原先的46.4%大幅下降至14.8%。从图7中可以看出，原先NOx呈现两边高中间低的情况已得到根本改善，除个别区域阀门调整已到极限外，整体的NOx分布已十分均匀。表2喷氨量调整的记录工况习惯工况第1次优化第2次优化第3次优化单位m3/hm3/hm3/hm3/h各氨喷嘴氨流量（含稀释风量）136041040040023004104004003380390380380427026036033052401502602106250200200150**731032030027084003503503509380480*440*440*10400440*440*440**阀门已全开，**阀门已基本关闭。表3各优化运行工况主要试验结果工况单位习惯工况第1次优化第2次优化第3次优化平均NOx浓度（标态,6%O2）mg/m3116.0101.1119.1122.0标准偏差mg/m353.828.129.818.0相对标准偏差%46.427.825.014.8NOx最小值（标态,6%O2）mg/m319.234.360.074.3NOx最大值（标态,6%O2）mg/m3185.0146.9186.4169.7（3）优化调整的注意事项由于对某一区域的喷氨量进行调整时，会影响到邻近区域的喷氨量，且每个反应器的调节特性也不相同。因此开始不宜进行大的调整，可选取2～3点进行小幅调整，待掌握了具体反应器的特性后再逐步调整。并且每次调整都应记录被调阀门的原始位置及调整幅度。通常应先调整NOx高的点，再调整NOx低图7最优工况反应器出口NOx分布的点，尤其要保证避免出现NOx过低的点。因为NOx过低意味着高的氨逃逸。若能将催化剂出口NOx的相对标准偏差调整到10%及以下，是极为理想的，这需要装置的设计和运行均十分理想。通常来讲，出口NOx的相对标准偏差在10～20%都是可接受的。尤其对于老机组加装SCR装置，受场地条件的限制，NOx的相对标准偏差在20%以内是较为理想的。4．2示范试验的结果本次试验的结果见表4。需要说明的是，由于本次试验的目的是进行SCR装置运行优化和性能试验的示范，并非正式的SCR装置性能试验。因此，本次试验主要完成了SCR装置试验的核心内容，即SCR装置的运行优化以及脱硝率、NH3逃逸率和A反应器SO3转化率的测量。且喷氨总量未做进一步的调整，因此本次试验结果并非该SCR装置最终的性能结果。从表4的试验结果可以看出，该SCR装置主要的问题是反应器进口的烟气流速不均匀，这会造成一系列的问题，例如NH3/NOx比和氨逃逸率不好控制，装置的运行成本提高和系统的可用率下降等。因为过高的烟气流速会造成催化剂的磨损，而过低的烟气流速会造成催化剂的堵塞。因此，烟道流场的优化设计对于SCR装置是至关重要的。表4某600MW机组SCR装置试验结果汇总项目保证值A反应器B反应器进口烟气温度测量平均温度（℃）-333.2330.6标准偏差（℃）≤5*3.77.6进口烟气速度测量平均速度（m/s）-20.919.5相对标准偏差（%）≤15*20.823.7氨逃逸率（6%O2,ppm）≤30.483.9SO2/SO3转化率≤1.00.85-NOx习惯运行工况测量NOx进口浓度（mg/m3）550504.3549.4NOx出口浓度（mg/m3）≤110116.0131.0脱硝率（%）≥8077.076.2NH3/NOx（%）所有30个测点≤±5*5点满足要求17点满足要求NOx优化工况测量NOx进口浓度（mg/m3）55053