火电厂机组负荷调整对SCR脱硝效果的影响分析
为研究火电厂机组负荷调整对选择性催化还原法(SelectiveCatalyticReduction，SCR)脱硝效果的影响，试验以SCR脱硝系统为研究对象，采用控制变量的方式，分别对5台火电厂机组在不同负荷条件下的烟气的温度、氧含量、污染物含量、脱硝效率以及SO2/SO3转化率等进行测量比较。结果表明，随着负荷的降低，氧含量以及NOx质量浓度升高，温度、脱硝效率以及SO2/SO3转化率降低；同温度相比，氧含量变化对NOx生成量的影响更大；而温度对于脱硝效率以及SO2/SO3转化率有较为显著的影响。
关键词：NOx；负荷调整；选择性催化还原法；脱硝效果
氮氧化物指的是只由氮、氧两种元素组成的化合物。常见的氮氧化物(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。作为空气污染物的NOx常指NO和NO2。全球每年因人类活动向大气排放的NOx约5300万t。NOx对自然环境的破坏力非常大，它是形成酸雨、光化学烟雾的重要物质，同时也是消耗臭氧的一个重要因子。火力发电厂作为NOx的一个重要排放源，每年向大气中排放大量的NOx，随着我国环保政策的日益严格，NOx排放得到了严格控制。目前，国家大力推行火电厂超低改造，依据超低排放的要求，NOx排放标准为50mg/m3。根据生态环境部2018年数据显示，全国实现超低排放的煤电机组约8.1×109kW，占全国煤电总装机容量的80%。目前，火电厂对于NOx的脱除措施主要包括2种：选择性非催化还原法（SelectiveNon-CatalyticReduction，SNCR）和选择性催化还原法（SelectiveCatalyticReduction，SCR），由于SNCR脱硝技术脱硝效率较低，很多时候难以满足NOx的排放要求，大多数火电厂选择了脱硝效率更高的SCR脱硝技术来进行NOx的控制。
近年来，我国大力推行清洁能源发展，清洁能源发电量所占比例逐年升高，但是由于自然条件的限制，其存在发电量不稳定，变化较大的问题。社会用电量在一段时间内也存在着很大的变化。这些变化因素都需要火电机组进行负荷的调整。机组负荷的变化会引起烟气温度、氧含量和污染物含量等的变化，进而影响SCR脱硝系统的正常工作。本文以SCR脱硝系统为研究对象，研究机组不同负荷条件下SCR的脱硝效果。
1方法及设备
1.1试验方法
试验选取5台燃煤机组，将5台机组按照#1机组、#2机组、#3机组、#4机组和#5机组的方式进行分类编号。5台机组燃烧的煤种主要以东胜和乌海烟煤为主，脱硝方式为SCR，脱硝还原剂均为液氨，催化剂均为（2+1）层模式，备用层均未投运。为保证测试结果仅与负荷调整有关，试验采取控制变量的方式，将各负荷段的测试试验集中在一定时间内完成，保证机组燃烧煤种和催化剂等条件不发生明显变化，保证机组负荷稳定。同时，各负荷段试验期间不进行燃烧调整和风量调整。试验主要测定5台机组A、B侧在不同负荷条件下SCR反应器进出口NOx、进出口温度、进出口氧含量、NH3/NOx摩尔比、氨逃逸浓度、脱硝效率以及SO2/SO3转化率。
采样点布置采用烟道断面网格法，进出口NOx、进出口温度、进出口氧含量，入口SO2以及氨逃逸浓度等采用便携式的仪器设备进行测定，每组测定10个平行样，每次测定3min；SO3按照标准《石灰石-石膏湿法烟气脱硫装置性能验收试验规范：DL/T998—2016》中的方法拼装仪器进行测定，每组测定3个平行样，每次测定30min。用Excel2003将NOx、SO2以及SO3浓度折算到标准状态、干基、6%O2时的浓度，同时对所有数据进行平均值计算。
1.2试验设备仪器
试验分析的设备仪器包括便携式大流量低浓度烟尘自动测试仪（3012HD）、芬兰GASMT公司的便携式红外多阻气体分析仪（GASMETDX-4000）、德国testo公司的烟气分析仪（testO350）、德国testo公司的单点烟气温度测量仪（testo925）、德国M&C公司的顺磁氧量分析仪（PMA10）、加拿大Unisearch公司的便携式氨逃逸浓度分析仪以及《石灰石-石膏湿法烟气脱硫装置性能验收试验规范：DL/T998—2016》中的SO3采样设备等。
2结果与分析
2.1 氧含量与机组负荷的关系
不同负荷条件下的氧含量变化见图1。5台机组SCR入口、出口氧含量均随负荷的降低而增加。
图1氧含量与机组负荷的关系
对于入口氧含量，负荷为50%时，最大值和最小值分别为5.9%和3.4%；负荷为75%时最大值和最小值分别为5.8%和2.5%；负荷为100%时最大值和最小值分别为3.1%和1.1%。50%负荷的入口氧含量平均是75%负荷的1.4倍，是100%负荷的2.1倍。
对于出口氧含量，负荷为50%时，最大值和最小值分别为6.3%和5.0%；负荷为75%时最大值和最小值分别为6.1%和3.2%；负荷为100%时最大值和最小值分别为3.3%和1.9%。50%负荷的出口氧含量平均是75%负荷的1.4倍，是100%负荷的2.1倍。
氧含量随着负荷的降低而升高。当负荷较高时，炉膛温度较高，炉膛内着火条件、煤粉与空气混合条件较好，燃烧稳定，最佳过量空气系数较低。而当锅炉低负荷运行时，锅炉燃烧所需的燃料减少，炉膛内火球较小，锅炉燃烧范围减少，锅炉炉膛温度降低，燃烧效率降低，这时需要加入更多的空气来维持燃烧中心的稳定，最佳过量空气系数较高。因此，高负荷时的最佳氧含量要低于低负荷时的最佳氧含量。
2.2 温度与机组负荷的关系
不同负荷条件下温度的变化见图2a、2b。5台机组SCR入口，出口烟气温度均随负荷的降低而降低。
图2a入口温度与负荷的关系
图2b出口温度与机组负荷的关系
对于入口温度，负荷为50%时，最大值和最小值分别为340和278℃；负荷为75%时，最大值和最小值分别为356和287℃；负荷为100%，时最大值和最小值分别为370和313℃。100%负荷的入口温度平均比75%负荷高6.0%，比50%负荷平均高10.7%。
对于出口温度，负荷为50%时，最大值和最小值分别为337和275℃；负荷为75%时最大值和最小值分别为354和283℃；负荷为100%时，最大值和最小值分别为367和309℃。100%负荷的出口温度平均比75%负荷高6.1%，比50%负荷平均高10.9%。
烟气温度随负荷的降低而降低。当锅炉进行负荷调整时，燃料消耗量发生变化，锅炉内的温度场也会随之发生改变，炉内温度场的变化也必将会导致炉内辐射换热量的改变。但是，燃料消耗量引起的热量变化要大于炉内辐射换热量的变化，所以烟气温度变化主要由燃料消耗量来决定。当负荷降低时，燃料消耗量减少，烟气温度降低。
2.3 NOx质量浓度与机组负荷的关系
不同负荷条件下NOx质量浓度变化见图3。5台机组SCR入口、出口的NOx质量浓度随负荷的降低整体呈现出升高的趋势。
对于入口NOx质量浓度，负荷为50%时，入口NOx质量浓度最大值和最小值分别为423和285mg/m3；负荷为75%时，入口NOx质量浓度最大值和最小值分别为372和231mg/m3；负荷为100%时，入口NOx质量浓度最大值和最小值分别为358和246mg/m3。50%负荷的入口NOx质量浓度平均比75%负荷的高14.4%，比100%负荷高15.5%。
图3NOx质量浓度与机组负荷的关系
对于出口NOx质量浓度，负荷为50%时，出口NOx质量浓度最大值和最小值分别为67和48mg/m3；负荷为75%时，出口NOx质量浓度最大值和最小值分别为54和40mg/m3；负荷为100%时，出口NOx质量浓度最大值和最小值分别为53和37mg/m3。50%负荷的出口NOx质量浓度平均比75%负荷高17.1%，比100%负荷高24.2%。
负荷降低时，锅炉尾部烟道之后SCR反应器前的NOx质量浓度整体呈现了升高的趋势。根据NOx生成机理，燃料型NOx占总生成NOx的70～80%左右，热力型NOx占总生成NOx的15～25%。炉膛氧含量和温度对燃料型与热力型NOx的生成都有影响，其中氧含量对燃料型NOx生成有更加显著的影响，而温度对热力型NOx生成有更明显的作用[10]。随着负荷的降低，氧含量升高，空气过剩系数增大，锅炉内燃烧区域出现氧过量的情况，会促进燃料型和热力型NOx的生成；负荷降低，温度也会降低，而温度降低主要对热力型NOx的生成有一定的抑制作用，但是热力型NOx所占比例较少，所以在负荷降低时总体表现为NOx质量浓度升高。
2.4 NH3/NOx摩尔比、氨逃逸浓度以及脱硝效率与机组负荷的关系
不同负荷条件下NH3/NOx摩尔比、氨逃逸浓度以及脱硝效率变化见图4～6。5台机组脱硝效率和NH3/NOx摩尔比整体呈现出随着负荷的降低而降低的趋势；氨逃逸浓度均在2.28mg/m3以下，达到了设计要求。
图4NH3/NOx摩尔比与机组负荷的关系
图5氨逃逸浓度与机组负荷的关系
对于NH3/NOx摩尔比，负荷为50%时，最大值和最小值分别为0.864和0.818；负荷为75%时最大值和最小值分别为0.878和0.826；负荷为100%时最大值和最小值分别为0.893和0.831。100%负荷的NH3/NOx摩尔比平均比75%负荷高1.0%，比50%负荷高1.6%。
图6脱硝效率与机组负荷的关系
对于氨逃逸浓度，负荷为50%时，最大值和最小值分别为1.45和0.73mg/m3；负荷为75%时，最大值和最小值分别为1.56和0.61mg/m3；负荷为100%时，最大值和最小值分别为1.56和0.61mg/m3。100%负荷的氨逃逸浓度平均比75%负荷低2.0%，比50%负荷高1.1%。
对于脱硝效率，负荷为50%时，最大值和最小值分别为85.6%和80.7%；负荷为75%时，最大值和最小值分别为86.6%和81.2%；负荷为100%时，最大值和最小值分别为88.2%和82.4%。100%负荷的脱硝效率平均比75%负荷高1.1%，比50%负荷高1.5%。
SCR反应器一般布置在省煤器与空预器之间，SCR反应器中最重要的部分是催化剂，催化剂主要包括载体、活性成分以及助催化剂。影响脱硝效率的因素主要包括温度、烟气流速与停留时间、NH3/NOx摩尔比及氨逃逸浓度等。温度对脱硝效率的影响主要表现在当温度低于催化剂最适宜的温度，脱硝还原剂会发生很多副反应，减少对NOx还原作用，温度太高催化剂活性成分会形成多聚态晶体，多聚态晶体比表面积较小，减少了与NOx的接触面积，催化能力降低；对于烟气流速与停留时间，烟气流速低停留时间长，NOx与还原剂反应更充分，脱硝效率越高，反之则脱硝效率降低；NH3/NOx摩尔比和氨逃逸浓度对脱硝效率的作用体现在未达到最大脱硝效率之前，NH3/NOx摩尔比越大脱硝效率越高，氨逃逸浓度较低，当达到最大脱硝效率之后，NH3/NOx摩尔比增加，脱硝效率变化不大，而氨逃逸浓度会显著性增加，因此需要根据氨逃逸浓度确定最佳NH3/NOx摩尔比。试验结果表明在保证NH3/NOx摩尔比和氨逃逸浓度较佳的情况下，负荷由100%降到50%，温度降低，脱硝效率降低，出口NOx质量浓度增加。烟气流速的降低，停留时间的增加，并没有使脱硝效率升高，表明在负荷调整过程中，温度对脱硝效率影响较大。
2.5 SO2/SO3转化率与机组负荷的关系
不同负荷条件下SO2/SO3转化率见图7。
图7SO2/SO3转化率与机组负荷的关系
此次试验进行了50%和100%两个负荷段3台机组SO2/SO3转化率的测定。测试结果显示，100%负荷的SO2/SO3转化率均大于50%负荷。负荷为50%时，最大值和最小值分别为0.59%和0.41%；负荷为100%时，最大值和最小值分别为0.63%和0.50%；100%负荷比50%负荷SO2/SO3转化率平均高出12.9%。
SO3与烟气中NH3反应生成的NH4HSO4和(NH4)2SO4会对下游的设备造成腐蚀、堵塞以及磨损，影响了机组的安全稳定运行。同时，硫酸雾气溶胶还是有色烟羽的主要成因，因此合理有效控制SO2/SO3转化率非常重要。影响SO2/SO3转化率的因素主要包括烟气温度以及催化剂中V2O5的含量。温度越高，SO2/SO3转化率越大，温度越低，SO2/SO3转化率越小；SO2/SO3转化率与催化剂V2O5含量呈线性关系，V2O5含量越大SO2/SO3转化率越高。试验结果表明，在负荷降低时，温度降低，V2O5含量不变，SO2/SO3转化率降低。
3结论
1）机组进行负荷调整时，氧含量以及NOx质量浓度变化与负荷变化负相关，温度、脱硝效率以及SO2/SO3转化率则与负荷变化正相关。当负荷的降低，氧含量以及NOx质量浓度升高，温度、脱硝效率以及SO2/SO3转化率降低。
2）机组进行负荷调整时，氧含量和温度的变化都会对NOx的生成产生影响，同温度相比，氧含量变化对NOx生成量的影响更大。
3）影响催化剂活性的主要因素是温度，同时催化剂又是控制SCR技术脱硝效率以及SO2/SO3转化率的重要因素。进行负荷调整时，温度的变化影响催化剂的活性，催化剂影响脱硝效率以及SO2/SO3转化率。因此，温度对于脱硝效率以及SO2/SO3转化率有较为显著的影响。
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