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旁路直噴系統(tǒng)由計(jì)量分配裝置、煙道旁路、噴射裝置等組成。計(jì)量和分配裝置是指每臺(tái)鍋爐的旁路直噴系統(tǒng)設(shè)置兩套尿素溶液計(jì)量分配裝置。根據(jù)鍋爐負(fù)荷、燃料、燃燒方式、NOx水平、脫硝效率等參數(shù)的變化，自動(dòng)或手動(dòng)調(diào)節(jié)到鍋爐SCR所需的反應(yīng)劑流量。旁路直噴部分每臺(tái)鍋爐每側(cè)旁路設(shè)置一層噴射器，每側(cè)4支，共8支噴射器。尿素溶液噴射模式為氣液兩相流，流程如圖1中藍(lán)色部分所示。旁路煙道不僅能滿(mǎn)足尿素?zé)峤猓€應(yīng)能滿(mǎn)足50%負(fù)荷時(shí)脫硝反應(yīng)器入口煙溫由292℃升至305℃的要求，并能適應(yīng)機(jī)組的負(fù)荷變化和機(jī)組啟停次數(shù)的要求。

在兩種形式的系統(tǒng)中，煙氣溫度和尿素?zé)峤鉁囟葘?duì)于SCR系統(tǒng)的脫硝效率都發(fā)揮了重要作用。電加熱系統(tǒng)中，尿素?zé)峤獾臒崃恐饕獊?lái)自于電加熱器；尿素直噴系統(tǒng)中，影響清熱解的主要因素在于旁路煙道的煙氣溫度。該電站鍋爐進(jìn)行調(diào)峰運(yùn)行，煙氣溫度呈現(xiàn)波動(dòng)，因此需對(duì)不同負(fù)荷下的脫硝率進(jìn)行研究。

4. 系統(tǒng)能耗分析

4.1. 電加熱系統(tǒng)改造前后能耗分析

電站SCR改造前，脫硝系統(tǒng)采用濃淡燃燒法，從燃燒的過(guò)程角度來(lái)看屬于分級(jí)燃燒。即將攜帶煤粉的一次風(fēng)氣流分成濃淡兩股噴入爐膛燃燒，在主燃燒區(qū)缺氧燃燒，在燃盡區(qū)增加氧量使煤粉燃盡，可減少燃燒過(guò)程中熱力型NOx的生成量。采用分級(jí)燃燒技術(shù)，可降低NOx含量30%~40% [18]。隨著火力發(fā)電廠排放煙氣中NOx含量的標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格，傳統(tǒng)濃淡燃燒法的脫硝率無(wú)法滿(mǎn)足要求。

電站進(jìn)行SCR改造后，脫硝部分主要增加的耗能設(shè)備有：電加熱器、一次風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)等。電加熱器的耗功量轉(zhuǎn)化為稀釋風(fēng)溫的提升，因此利用電加熱器進(jìn)出口風(fēng)溫以及該溫度下空氣的物性參數(shù)，由式(3)進(jìn)行計(jì)算。

Q=C×M×(T2?T1)Q=C×M×(T2?T1)(3)

風(fēng)機(jī)軸功率的計(jì)算公式為：

ΔPe=P×v1020×3600×ηΔPe=P×v1020×3600×η(4)

對(duì)于稀釋風(fēng)機(jī)，v代表的是稀釋風(fēng)機(jī)的入口流量，單位為m3/h，P代表的是稀釋風(fēng)機(jī)全壓，單位為Pa，η為稀釋風(fēng)機(jī)效率。

加裝SCR系統(tǒng)后，煙氣管道內(nèi)的阻力增加，需要引風(fēng)機(jī)增加功率保證煙氣順利通過(guò)，利用風(fēng)機(jī)功率計(jì)算公式(4)，得到引風(fēng)機(jī)功率增加值。

電加熱器消耗的能量用于溫度升高，使得空預(yù)器入口的溫度與改造前相比有所提升。由公式(3)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果顯示改造后空預(yù)器換熱量有所提升，即電加熱器消耗能量部分得到回收利用，表2、表3將二者進(jìn)行了比較。

由數(shù)據(jù)可知，增加電加熱系統(tǒng)后，雖然以電能轉(zhuǎn)化為熱能成本較大，經(jīng)濟(jì)性差，但空預(yù)器進(jìn)出口煙溫的檢測(cè)結(jié)果表明，其電能消耗并未完全浪費(fèi)，約68%的能量在空預(yù)器換熱中被空氣利用，即稀釋風(fēng)溫的提升降低了后續(xù)過(guò)程的能耗。

4.2. 尿素直噴系統(tǒng)能耗分析

在大型電站的工程應(yīng)用中，通常采用電加熱法加熱一次風(fēng)作為熱源，為絕熱分解爐中尿素溶液的分解提供熱量，而由于電加熱器功率較高，所帶來(lái)的運(yùn)行費(fèi)用較高；同時(shí)，熱解爐內(nèi)的尿素噴槍容易堵塞，可能造成脫硝退出的情況，影響機(jī)組安全運(yùn)行，且對(duì)噴槍定期維護(hù)工作量較大，因此，該電站的二號(hào)鍋爐采用尿素直噴制氨的方式進(jìn)行脫硝。

如圖2，尿素直噴系統(tǒng)與電加熱法制氨相比，具有如下優(yōu)勢(shì)：1) 取消了電加熱器設(shè)備，減少尿素?zé)峤庵瓢毕到y(tǒng)的電耗；2) 減少了用于尿素?zé)峤獾腻仩t一次熱風(fēng)的消耗；3) 熱解系統(tǒng)簡(jiǎn)化，取消原有熱解制氨系統(tǒng)的電加熱器、熱解爐、熱風(fēng)管道系統(tǒng)、AIG等爐區(qū)設(shè)備；4) 降低因尿素分解不完全或低溫結(jié)晶而導(dǎo)致AIG結(jié)晶堵塞的風(fēng)險(xiǎn) [19]。

而使用尿素直噴系統(tǒng)也造成了部分能耗的增加，其原因是：用于熱解尿素的部分高溫?zé)煔?，在進(jìn)入省煤器之前被引入旁路煙道利用，而這部分煙氣未經(jīng)過(guò)省煤器進(jìn)行熱交換，從整個(gè)系統(tǒng)來(lái)看，部分熱量未得到充分回收利用，即存在部分能量損失。實(shí)驗(yàn)通過(guò)記錄旁路煙道的入口煙溫，以及改造前無(wú)旁路煙道時(shí)省煤器的出口煙溫，并利用公式(3)進(jìn)行計(jì)算，所得結(jié)果如表4所示。

5. 負(fù)荷對(duì)脫硝率影響分析

為探究電站機(jī)組負(fù)荷對(duì)脫硝率的影響，實(shí)驗(yàn)通過(guò)在運(yùn)行允許情況下改變負(fù)荷，使機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷在150~300 MW范圍內(nèi)進(jìn)行改變，所得結(jié)果如圖3、圖4所示。電加熱系統(tǒng)負(fù)荷與脫硝率線(xiàn)性回歸方程為 y=?2.57302e?4x+0.89442y=?2.57302e?4x+0.89442，尿素直噴系統(tǒng)負(fù)荷與脫硝率線(xiàn)性回歸方程為 y=?0.00101x+1.04102y=?0.00101x+1.04102。

由圖3可知，負(fù)荷較低時(shí)脫硝率波動(dòng)較大，逐漸提高負(fù)荷后，電加熱系統(tǒng)的脫硝率趨于穩(wěn)定，但總體呈緩慢下降趨勢(shì)。其原因是低負(fù)荷工況下，鍋爐氧量偏高且波動(dòng)大，故氮氧化物的生成量也波動(dòng)較大，脫硝率整體隨負(fù)荷的升高呈下降趨勢(shì)。從圖3中選擇負(fù)荷為150 MW、225 MW、300 MW三個(gè)點(diǎn)的具體數(shù)值列在表5中。

由圖4可知，尿素直噴系統(tǒng)脫硝率變化的波動(dòng)程度比電加熱法更為劇烈，負(fù)荷–脫硝率擬合曲線(xiàn)的斜率大于電加熱法，脫硝率的整體穩(wěn)定性較差，在負(fù)荷較大時(shí)波動(dòng)更為劇烈。從圖中選擇負(fù)荷為150 MW，225 MW，300 MW三個(gè)點(diǎn)的具體數(shù)值列在表6中。

6. 電加熱法與尿素直噴法對(duì)比分析

實(shí)驗(yàn)中，控制兩臺(tái)機(jī)組的運(yùn)行負(fù)荷以及尿素?zé)峤饬烤嗤?，?duì)負(fù)荷為150 MW，225 MW，300 MW三個(gè)等差值工況下尿素?zé)峤饷撓醪糠值哪芎闹颠M(jìn)行比較，所得結(jié)果如圖5、圖6所示。

由圖5可知，隨著機(jī)組負(fù)荷升高，電加熱系統(tǒng)和尿素直噴系統(tǒng)的能耗都呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，電加熱系統(tǒng)能耗整體高于尿素直噴系統(tǒng)。負(fù)荷為150 MW時(shí)，電加熱系統(tǒng)能耗為546.76 kW，尿素直噴系統(tǒng)能耗為538.85 kW，能耗差值為7.91 kW；負(fù)荷為225 MW時(shí)，電加熱系統(tǒng)能耗為568.88 kW，尿素直噴系統(tǒng)能耗為552.93 kW，能耗差值為15.95 kW；負(fù)荷為300 MW時(shí)，電加熱系統(tǒng)能耗為624.11 kW，尿素直噴系統(tǒng)能耗為603.06 kW，能耗差值為21.05 kW，電加熱系統(tǒng)與尿素直噴系統(tǒng)間能耗差值隨負(fù)荷升高而增加。

由圖6可知，隨著機(jī)組負(fù)荷升高，電加熱系統(tǒng)和尿素直噴系統(tǒng)的脫硝率都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。負(fù)荷為150MW時(shí)，電加熱系統(tǒng)脫硝率為87%，尿素直噴系統(tǒng)脫硝率為92%；負(fù)荷為225 MW時(shí)，電加熱系統(tǒng)脫硝率為85%，尿素直噴系統(tǒng)脫硝率為84%；負(fù)荷為300 MW時(shí)，電加熱系統(tǒng)脫硝率為84%，尿素直噴系統(tǒng)脫硝率為79%。

結(jié)合能耗與脫硝率變化趨勢(shì)可知，在300 MW負(fù)荷工況下，電加熱法制氨系統(tǒng)的脫硝率更高，但其能耗更高，耗功元件更多，故易發(fā)生設(shè)備的老化從而影響運(yùn)行、經(jīng)濟(jì)性降低等問(wèn)題，同時(shí)，實(shí)際運(yùn)行中會(huì)造成生產(chǎn)成本的增加；在150 MW負(fù)荷工況下，尿素直噴法的脫硝率更高，且無(wú)需消耗電能，但此種方法仍存在部分能量耗散，負(fù)荷變化會(huì)對(duì)尿素利用率的影響較大，導(dǎo)致氨逃逸增加，運(yùn)行費(fèi)用增加，實(shí)際運(yùn)行時(shí)還需保證旁路煙道不出現(xiàn)腐蝕等問(wèn)題 [20]。

7. 結(jié)論

本文基于火力發(fā)電廠中CEMS監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)電站SCR脫硝系統(tǒng)的兩種尿素?zé)峤夥椒ㄟM(jìn)行了比較。

1) 電加熱法和尿素直噴兩種熱解制氨系統(tǒng)，相比于SCR改造前的濃淡燃燒法，脫硝率得到提高，但也使總能耗有所增加。

2) 脫硝率方面，兩種熱解方法的脫硝率均隨負(fù)荷的增加而減小，尿素直噴系統(tǒng)的變化程度更為劇烈，電加熱法的脫硝率穩(wěn)定性更高，更適用于負(fù)荷均值較高且對(duì)于煙氣中NOx量要求嚴(yán)格的火力發(fā)電廠。

3) 能耗方面，相比于SCR改造前，電加熱法的采用造成了電能消耗增加，但其中約68%的能量在空預(yù)器換熱中得到重新利用。將兩種熱解方法在不同負(fù)荷段的能耗進(jìn)行對(duì)比可知，負(fù)荷300 MW時(shí)，電加熱法能耗較尿素直噴法高出3.3%；負(fù)荷150 MW時(shí)高出1.4%。

整體來(lái)看，尿素直噴系統(tǒng)的總體能耗更低，且節(jié)省了物料及維護(hù)成本，運(yùn)行費(fèi)用較低，更具有經(jīng)濟(jì)性。火力發(fā)電廠在選擇尿素?zé)峤夥绞綍r(shí)應(yīng)根據(jù)自身的負(fù)荷均值及脫硝率要求進(jìn)行選擇判斷，才能在進(jìn)行超低排放改造的同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。