火電廠機組負荷調整對SCR脫硝效果的影響分析
為研究火電廠機組負荷調整對選擇性催化還原法(SelectiveCatalyticReduction，SCR)脫硝效果的影響，試驗以SCR脫硝系統為研究對象，采用控制變量的方式，分別對5臺火電廠機組在不同負荷條件下的煙氣的溫度、氧含量、污染物含量、脫硝效率以及SO2/SO3轉化率等進行測量比較。結果表明，隨著負荷的降低，氧含量以及NOx質量濃度升高，溫度、脫硝效率以及SO2/SO3轉化率降低；同溫度相比，氧含量變化對NOx生成量的影響更大；而溫度對于脫硝效率以及SO2/SO3轉化率有較為顯著的影響。
關鍵詞：NOx；負荷調整；選擇性催化還原法；脫硝效果
氮氧化物指的是只由氮、氧兩種元素組成的化合物。常見的氮氧化物(NOx)包括一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）、一氧化二氮（N2O）和五氧化二氮（N2O5）等。作為空氣污染物的NOx常指NO和NO2。全球每年因人類活動向大氣排放的NOx約5300萬t。NOx對自然環境的破壞力非常大，它是形成酸雨、光化學煙霧的重要物質，同時也是消耗臭氧的一個重要因子。火力發電廠作為NOx的一個重要排放源，每年向大氣中排放大量的NOx，隨著我國環保政策的日益嚴格，NOx排放得到了嚴格控制。目前，國家大力推行火電廠超低改造，依據超低排放的要求，NOx排放標準為50mg/m3。根據生態環境部2018年數據顯示，全國實現超低排放的煤電機組約8.1×109kW，占全國煤電總裝機容量的80%。目前，火電廠對于NOx的脫除措施主要包括2種：選擇性非催化還原法（SelectiveNon-CatalyticReduction，SNCR）和選擇性催化還原法（SelectiveCatalyticReduction，SCR），由于SNCR脫硝技術脫硝效率較低，很多時候難以滿足NOx的排放要求，大多數火電廠選擇了脫硝效率更高的SCR脫硝技術來進行NOx的控制。
近年來，我國大力推行清潔能源發展，清潔能源發電量所占比例逐年升高，但是由于自然條件的限制，其存在發電量不穩定，變化較大的問題。社會用電量在一段時間內也存在著很大的變化。這些變化因素都需要火電機組進行負荷的調整。機組負荷的變化會引起煙氣溫度、氧含量和污染物含量等的變化，進而影響SCR脫硝系統的正常工作。本文以SCR脫硝系統為研究對象，研究機組不同負荷條件下SCR的脫硝效果。
1方法及設備
1.1試驗方法
試驗選取5臺燃煤機組，將5臺機組按照#1機組、#2機組、#3機組、#4機組和#5機組的方式進行分類編號。5臺機組燃燒的煤種主要以東勝和烏海煙煤為主，脫硝方式為SCR，脫硝還原劑均為液氨，催化劑均為（2+1）層模式，備用層均未投運。為保證測試結果僅與負荷調整有關，試驗采取控制變量的方式，將各負荷段的測試試驗集中在一定時間內完成，保證機組燃燒煤種和催化劑等條件不發生明顯變化，保證機組負荷穩定。同時，各負荷段試驗期間不進行燃燒調整和風量調整。試驗主要測定5臺機組A、B側在不同負荷條件下SCR反應器進出口NOx、進出口溫度、進出口氧含量、NH3/NOx摩爾比、氨逃逸濃度、脫硝效率以及SO2/SO3轉化率。
采樣點布置采用煙道斷面網格法，進出口NOx、進出口溫度、進出口氧含量，入口SO2以及氨逃逸濃度等采用便攜式的儀器設備進行測定，每組測定10個平行樣，每次測定3min；SO3按照標準《石灰石-石膏濕法煙氣脫硫裝置性能驗收試驗規范：DL/T998—2016》中的方法拼裝儀器進行測定，每組測定3個平行樣，每次測定30min。用Excel2003將NOx、SO2以及SO3濃度折算到標準狀態、干基、6%O2時的濃度，同時對所有數據進行平均值計算。
1.2試驗設備儀器
試驗分析的設備儀器包括便攜式大流量低濃度煙塵自動測試儀（3012HD）、芬蘭GASMT公司的便攜式紅外多阻氣體分析儀（GASMETDX-4000）、德國testo公司的煙氣分析儀（testO350）、德國testo公司的單點煙氣溫度測量儀（testo925）、德國M&C公司的順磁氧量分析儀（PMA10）、加拿大Unisearch公司的便攜式氨逃逸濃度分析儀以及《石灰石-石膏濕法煙氣脫硫裝置性能驗收試驗規范：DL/T998—2016》中的SO3采樣設備等。
2結果與分析
2.1 氧含量與機組負荷的關系
不同負荷條件下的氧含量變化見圖1。5臺機組SCR入口、出口氧含量均隨負荷的降低而增加。
圖1氧含量與機組負荷的關系
對于入口氧含量，負荷為50%時，最大值和最小值分別為5.9%和3.4%；負荷為75%時最大值和最小值分別為5.8%和2.5%；負荷為100%時最大值和最小值分別為3.1%和1.1%。50%負荷的入口氧含量平均是75%負荷的1.4倍，是100%負荷的2.1倍。
對于出口氧含量，負荷為50%時，最大值和最小值分別為6.3%和5.0%；負荷為75%時最大值和最小值分別為6.1%和3.2%；負荷為100%時最大值和最小值分別為3.3%和1.9%。50%負荷的出口氧含量平均是75%負荷的1.4倍，是100%負荷的2.1倍。
氧含量隨著負荷的降低而升高。當負荷較高時，爐膛溫度較高，爐膛內著火條件、煤粉與空氣混合條件較好，燃燒穩定，最佳過量空氣系數較低。而當鍋爐低負荷運行時，鍋爐燃燒所需的燃料減少，爐膛內火球較小，鍋爐燃燒范圍減少，鍋爐爐膛溫度降低，燃燒效率降低，這時需要加入更多的空氣來維持燃燒中心的穩定，最佳過量空氣系數較高。因此，高負荷時的最佳氧含量要低于低負荷時的最佳氧含量。
2.2 溫度與機組負荷的關系
不同負荷條件下溫度的變化見圖2a、2b。5臺機組SCR入口，出口煙氣溫度均隨負荷的降低而降低。
圖2a入口溫度與負荷的關系
圖2b出口溫度與機組負荷的關系
對于入口溫度，負荷為50%時，最大值和最小值分別為340和278℃；負荷為75%時，最大值和最小值分別為356和287℃；負荷為100%，時最大值和最小值分別為370和313℃。100%負荷的入口溫度平均比75%負荷高6.0%，比50%負荷平均高10.7%。
對于出口溫度，負荷為50%時，最大值和最小值分別為337和275℃；負荷為75%時最大值和最小值分別為354和283℃；負荷為100%時，最大值和最小值分別為367和309℃。100%負荷的出口溫度平均比75%負荷高6.1%，比50%負荷平均高10.9%。
煙氣溫度隨負荷的降低而降低。當鍋爐進行負荷調整時，燃料消耗量發生變化，鍋爐內的溫度場也會隨之發生改變，爐內溫度場的變化也必將會導致爐內輻射換熱量的改變。但是，燃料消耗量引起的熱量變化要大于爐內輻射換熱量的變化，所以煙氣溫度變化主要由燃料消耗量來決定。當負荷降低時，燃料消耗量減少，煙氣溫度降低。
2.3 NOx質量濃度與機組負荷的關系
不同負荷條件下NOx質量濃度變化見圖3。5臺機組SCR入口、出口的NOx質量濃度隨負荷的降低整體呈現出升高的趨勢。
對于入口NOx質量濃度，負荷為50%時，入口NOx質量濃度最大值和最小值分別為423和285mg/m3；負荷為75%時，入口NOx質量濃度最大值和最小值分別為372和231mg/m3；負荷為100%時，入口NOx質量濃度最大值和最小值分別為358和246mg/m3。50%負荷的入口NOx質量濃度平均比75%負荷的高14.4%，比100%負荷高15.5%。
圖3NOx質量濃度與機組負荷的關系
對于出口NOx質量濃度，負荷為50%時，出口NOx質量濃度最大值和最小值分別為67和48mg/m3；負荷為75%時，出口NOx質量濃度最大值和最小值分別為54和40mg/m3；負荷為100%時，出口NOx質量濃度最大值和最小值分別為53和37mg/m3。50%負荷的出口NOx質量濃度平均比75%負荷高17.1%，比100%負荷高24.2%。
負荷降低時，鍋爐尾部煙道之后SCR反應器前的NOx質量濃度整體呈現了升高的趨勢。根據NOx生成機理，燃料型NOx占總生成NOx的70～80%左右，熱力型NOx占總生成NOx的15～25%。爐膛氧含量和溫度對燃料型與熱力型NOx的生成都有影響，其中氧含量對燃料型NOx生成有更加顯著的影響，而溫度對熱力型NOx生成有更明顯的作用[10]。隨著負荷的降低，氧含量升高，空氣過剩系數增大，鍋爐內燃燒區域出現氧過量的情況，會促進燃料型和熱力型NOx的生成；負荷降低，溫度也會降低，而溫度降低主要對熱力型NOx的生成有一定的抑制作用，但是熱力型NOx所占比例較少，所以在負荷降低時總體表現為NOx質量濃度升高。
2.4 NH3/NOx摩爾比、氨逃逸濃度以及脫硝效率與機組負荷的關系
不同負荷條件下NH3/NOx摩爾比、氨逃逸濃度以及脫硝效率變化見圖4～6。5臺機組脫硝效率和NH3/NOx摩爾比整體呈現出隨著負荷的降低而降低的趨勢；氨逃逸濃度均在2.28mg/m3以下，達到了設計要求。
圖4NH3/NOx摩爾比與機組負荷的關系
圖5氨逃逸濃度與機組負荷的關系
對于NH3/NOx摩爾比，負荷為50%時，最大值和最小值分別為0.864和0.818；負荷為75%時最大值和最小值分別為0.878和0.826；負荷為100%時最大值和最小值分別為0.893和0.831。100%負荷的NH3/NOx摩爾比平均比75%負荷高1.0%，比50%負荷高1.6%。
圖6脫硝效率與機組負荷的關系
對于氨逃逸濃度，負荷為50%時，最大值和最小值分別為1.45和0.73mg/m3；負荷為75%時，最大值和最小值分別為1.56和0.61mg/m3；負荷為100%時，最大值和最小值分別為1.56和0.61mg/m3。100%負荷的氨逃逸濃度平均比75%負荷低2.0%，比50%負荷高1.1%。
對于脫硝效率，負荷為50%時，最大值和最小值分別為85.6%和80.7%；負荷為75%時，最大值和最小值分別為86.6%和81.2%；負荷為100%時，最大值和最小值分別為88.2%和82.4%。100%負荷的脫硝效率平均比75%負荷高1.1%，比50%負荷高1.5%。
SCR反應器一般布置在省煤器與空預器之間，SCR反應器中最重要的部分是催化劑，催化劑主要包括載體、活性成分以及助催化劑。影響脫硝效率的因素主要包括溫度、煙氣流速與停留時間、NH3/NOx摩爾比及氨逃逸濃度等。溫度對脫硝效率的影響主要表現在當溫度低于催化劑最適宜的溫度，脫硝還原劑會發生很多副反應，減少對NOx還原作用，溫度太高催化劑活性成分會形成多聚態晶體，多聚態晶體比表面積較小，減少了與NOx的接觸面積，催化能力降低；對于煙氣流速與停留時間，煙氣流速低停留時間長，NOx與還原劑反應更充分，脫硝效率越高，反之則脫硝效率降低；NH3/NOx摩爾比和氨逃逸濃度對脫硝效率的作用體現在未達到最大脫硝效率之前，NH3/NOx摩爾比越大脫硝效率越高，氨逃逸濃度較低，當達到最大脫硝效率之后，NH3/NOx摩爾比增加，脫硝效率變化不大，而氨逃逸濃度會顯著性增加，因此需要根據氨逃逸濃度確定最佳NH3/NOx摩爾比。試驗結果表明在保證NH3/NOx摩爾比和氨逃逸濃度較佳的情況下，負荷由100%降到50%，溫度降低，脫硝效率降低，出口NOx質量濃度增加。煙氣流速的降低，停留時間的增加，并沒有使脫硝效率升高，表明在負荷調整過程中，溫度對脫硝效率影響較大。
2.5 SO2/SO3轉化率與機組負荷的關系
不同負荷條件下SO2/SO3轉化率見圖7。
圖7SO2/SO3轉化率與機組負荷的關系
此次試驗進行了50%和100%兩個負荷段3臺機組SO2/SO3轉化率的測定。測試結果顯示，100%負荷的SO2/SO3轉化率均大于50%負荷。負荷為50%時，最大值和最小值分別為0.59%和0.41%；負荷為100%時，最大值和最小值分別為0.63%和0.50%；100%負荷比50%負荷SO2/SO3轉化率平均高出12.9%。
SO3與煙氣中NH3反應生成的NH4HSO4和(NH4)2SO4會對下游的設備造成腐蝕、堵塞以及磨損，影響了機組的安全穩定運行。同時，硫酸霧氣溶膠還是有色煙羽的主要成因，因此合理有效控制SO2/SO3轉化率非常重要。影響SO2/SO3轉化率的因素主要包括煙氣溫度以及催化劑中V2O5的含量。溫度越高，SO2/SO3轉化率越大，溫度越低，SO2/SO3轉化率越小；SO2/SO3轉化率與催化劑V2O5含量呈線性關系，V2O5含量越大SO2/SO3轉化率越高。試驗結果表明，在負荷降低時，溫度降低，V2O5含量不變，SO2/SO3轉化率降低。
3結論
1）機組進行負荷調整時，氧含量以及NOx質量濃度變化與負荷變化負相關，溫度、脫硝效率以及SO2/SO3轉化率則與負荷變化正相關。當負荷的降低，氧含量以及NOx質量濃度升高，溫度、脫硝效率以及SO2/SO3轉化率降低。
2）機組進行負荷調整時，氧含量和溫度的變化都會對NOx的生成產生影響，同溫度相比，氧含量變化對NOx生成量的影響更大。
3）影響催化劑活性的主要因素是溫度，同時催化劑又是控制SCR技術脫硝效率以及SO2/SO3轉化率的重要因素。進行負荷調整時，溫度的變化影響催化劑的活性，催化劑影響脫硝效率以及SO2/SO3轉化率。因此，溫度對于脫硝效率以及SO2/SO3轉化率有較為顯著的影響。
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