安徽省燃煤火電機組脫硝CEMS調(diào)查及設施優(yōu)化改進

馬大衛(wèi)，黃齊順，查智明，許勇毅，湯 泉，余 靖

(1.國網(wǎng)安徽省電力公司電力科學研究院，安徽合肥230601; 2.安徽大學生命科學學院，安徽合肥230601)

安徽省燃煤火電機組脫硝CEMS調(diào)查及設施優(yōu)化改進

馬大衛(wèi)1，黃齊順1，查智明1，許勇毅1，湯 泉2，余 靖1

(1.國網(wǎng)安徽省電力公司電力科學研究院，安徽合肥230601; 2.安徽大學生命科學學院，安徽合肥230601)

對全省77臺燃煤火電機組脫硝CEMS情況進行分析，并優(yōu)化改進燃煤火電機組脫硝設施。研制了SNCR脫硝自動投加裝置、優(yōu)化SCR脫硝氨噴出裝置，提高了脫硝效率;設計一種新型回轉(zhuǎn)式空預器，解決燃煤電廠空預器堵塞問題;改進了脫硝CEMS在線系統(tǒng)采樣裝置，提高NOx數(shù)據(jù)采集精度;提出一種煙氣排放免罰時段的判定方法，實現(xiàn)脫硝環(huán)保電價的自動結(jié)算。應用實踐表明其效果良好，提高了安徽省燃煤電廠NOx減排效果。

氮氧化物;脫硝劑;回轉(zhuǎn)式空預器;采樣裝置;脫硝CEMS;節(jié)能減排

0 引言

加強環(huán)保電價和環(huán)保設施運行監(jiān)管是促進燃煤發(fā)電機組減少污染物排放、改善大氣質(zhì)量的重要措施?！度济喊l(fā)電機組環(huán)保電價及環(huán)保設施運行監(jiān)管辦法》(發(fā)改價格2014〔536〕號)文件明確規(guī)定2014－05－01起，燃煤發(fā)電企業(yè)應按照國家有關規(guī)定安裝運行煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(以下簡稱CEMS)，并與省級環(huán)境保護主管部門和省級電網(wǎng)企業(yè)聯(lián)網(wǎng)，實時傳輸數(shù)據(jù);環(huán)保電價則按照污染物排放濃度小時均值分項考核，污染物排放濃度小時均值以與環(huán)境保護主管部門聯(lián)網(wǎng)的CEMS數(shù)據(jù)為準［1］。

目前，安徽省火電裝機比重已達到91.7%(含皖電東送機組)，裝機容量為4250萬kW，且在逐年提高［2］。由于安徽省內(nèi)一次能源以煤炭為主，火電裝機中絕大多數(shù)為燃煤類機組。NOx是大氣主要污染物之一，也是造成光化學煙霧、霧霾和酸雨的主要原因［3］，火電機組的NOx等煙氣污染物排放將直接影響到全省的環(huán)境。安徽省于2012年開展了燃煤火電機組脫硝改造工作，2014年完成全省58臺30萬kW以上機組的脫硝改造并建成煙氣脫硝排放在線監(jiān)測系統(tǒng)［4－5］。安徽省火電廠脫硝改造在3年時間就走過了脫硫改造10年走過的道路，脫硝工程質(zhì)量存在一定的隱患。本文通過對全省燃煤電廠脫硝CEMS情況進行分析，對燃煤火電機組脫硝設施、空預器裝置、脫硝CEMS采樣優(yōu)化改進以及脫硝環(huán)保電價免罰時段的計算設計等，實現(xiàn)了對全省大型燃煤發(fā)電企業(yè)NOx污染物排放的監(jiān)測分析及電廠脫硝設備運行狀況的穩(wěn)定運行和網(wǎng)絡化管理，同時也為政府職能部門提供污染物排放統(tǒng)計數(shù)據(jù)和監(jiān)管依據(jù)，也對改善全省大氣質(zhì)量、保護全省的生態(tài)環(huán)境發(fā)揮著積極的作用。

1 燃煤火電機組脫硝CEMS情況調(diào)查

為全面了解安徽省燃煤電廠脫硝CEMS運行情況，國網(wǎng)安徽院組織開展全省燃煤電廠脫硝CEMS調(diào)查，調(diào)研樣本涵蓋已接入脫硝在線監(jiān)測系統(tǒng)的31家燃煤電廠77臺機組，具有較好的代表性。如圖1所示，a、b、c和d分別表示儀器采購方式、設備供應商、NOx取樣和測量方式，圖中不同顏色柱子代表在調(diào)查中各組分的占比。

圖1 燃煤火電機組脫硝CEMS情況調(diào)查

如圖1中a所示，脫硝CEMS儀器主要的采購方式中，電廠招標占71.0%，電廠自選占3.2%，環(huán)保主管部門指定占6.5%，運維單位推薦及隨環(huán)保設備整體采購占19.3%。如圖1中b所示，設備供應商中北京雪迪龍公司占35.5%，西門子公司占25.8%，西克－麥哈克儀器有限公司占6.5%，其余占比32.3%為ABB、聚光科技、藍盾、重慶川儀、華川、廈門瑞斯特、北京中電等。

如圖1中c所示，有2家電廠采用直接測量法，占比達6.5%，有29家電廠采用抽取式測量法，占比為93.5%。其中，有28家采用完全抽取法，占比為90.3%，1家選用稀釋抽取法，占比為3.2%。我國有超過80%的氣態(tài)污染物監(jiān)測子系統(tǒng)為直接抽取法CEMS［6］。完全抽取法對煙氣抽取管路進行伴熱和保溫，在煙氣進入分析儀表前作除水、除塵處理，做到準確測量氣態(tài)污染物濃度。脫硝現(xiàn)場的高溫、高塵和高磨蝕等特點，決定了此法成為電廠脫硝CEMS氣態(tài)污染物的首選。

如1中d所示，有20家電廠的脫硝CEMS采用非分散紅外法，占比達到64.5%，有6家電廠采用紅外(紫外)吸收法，有7家電廠采用紫外差分法，占比重分別為16.1%和19.4%。非分散紅外法和紫外差分法是兩種比較常見的測量方法，紅外光譜測量儀在測定SO2時受水汽的干擾較大，因NOx的測量受水汽影響較小，基于氣體分子對特定譜段的光吸收，測量其衰減濃度進而精準得到氣體濃度成為電廠首選。

2 燃煤火電機組脫硝環(huán)保設施改進

2.1 自動投加脫硝劑裝置設計

日前，安徽省燃煤電廠SNCR脫硝劑一般選用尿素溶液，其制備工藝流程存在諸多弊端:人工計量，以送入配料池的尿素袋數(shù)為依據(jù)進行計算，誤差大，尿素溶液濃度的準確度不高;流程操作頻繁，生產(chǎn)率低，不能滿足大型火電機組煙氣脫硝需求。鑒于此，設計一種燃煤電廠NCR脫硝工藝自動投加裝置流程，如圖2所示。

圖2 SNCR脫硝劑自動投加裝置

具體工藝流程:將袋裝尿素通過帶式輸送機輸送至破包機，尿素顆粒從破包機的出料口進入螺旋輸送機，輸送至斗式提升機，經(jīng)斗式提升機提升后進入尿素料倉。尿素顆粒經(jīng)計量倉稱重后輸送至配料池，向配料池中加水與尿素顆?；旌?，經(jīng)充分攪拌后獲得質(zhì)量濃度為50%的尿素溶液，將所述尿素溶液從配料池的料液出口通過輸送泵輸送至尿素溶液儲罐，作為SNCR脫硝劑備用。該裝置優(yōu)點:改變了傳統(tǒng)、低效率的人工搬運方式，實現(xiàn)自動投加脫硝劑，提高勞動生產(chǎn)率;改變對氣力輸送的依賴，國內(nèi)尚無專門用來運輸散裝尿素的罐車帶來的尿素運輸過程中吸潮問題;設置計量倉、流量調(diào)節(jié)閥和攪拌器，全程電腦控制和計量，實現(xiàn)尿素溶液精準配料。

2.2 SCR脫硝氨噴出裝置設計

NH3/NOx摩爾比是SCR煙氣脫硝裝置設計和運行中的重點與難點。在實際工程中，由于脫硝預留場地不足、工程投資等條件的限制，導致煙氣流場分布不均、AIG噴氨分配不均，嚴重影響著脫硝效率。為此設計一種SCR脫硝氨噴出裝置，對燃煤電廠AIG噴氨進行了改進，取得了較好的效果。如圖3所示，圖中左圖為煙道和AIG噴氨，右圖為改進的噴氨裝置。

圖3 SCR脫硝氨噴出裝置

該設置優(yōu)點:設置氨氣與煙氣為逆向，延長了氨氣在混合階段的停留時間，加強與煙氣的擾流和混合效果，提高SCR脫硝進口NH3/NOx摩爾比混合均勻性;新型傘帽的設置可以避免噴嘴堵塞，提高噴嘴的運行效率;簡化噴氨格柵和噴嘴數(shù)量，從而降低投資成本，同時減小系統(tǒng)運行壓降，有力保障鍋爐和引風機安全運行;提高了SCR脫硝效率，從而降低氨逃逸率，緩解空預器結(jié)垢堵塞。

2.3 回轉(zhuǎn)式空預器設計

在安徽省燃煤電廠進行的脫硝改造中，幾乎大部分使用的是SCR技術，然電廠對相應的空預器改造卻很少。隨著SCR脫硝系統(tǒng)的運行，空預器的阻力呈現(xiàn)增加的趨勢，部分電廠出現(xiàn)空預器嚴重堵塞而不得不停機清洗的問題。

針對上述機組出現(xiàn)的問題，設計了一種新型回轉(zhuǎn)式空預器，如圖4所示。該回轉(zhuǎn)式空預器緩解了燃煤電廠空預器硫酸氫氨堵塞問題。

圖4 一種新型回轉(zhuǎn)式空預器

該裝置優(yōu)點:在兩段式熱端元件的熱端中嵌裝氧化銅層，在煙氣側(cè)和空氣側(cè)分別發(fā)生還原和氧化反應，從源頭上控制空預器冷段硫酸氫氨的形成，且循環(huán)重復使用;冷端元件為鍍搪瓷材質(zhì);設置伸縮式噴嘴，通過閥門控制，交替噴入高壓水流和高溫高壓蒸汽，對換熱元件實施有效清洗，同時在下方設置集塵斗，避免清洗的水滴和污垢進入下游的電除塵器;利用停機檢修期間離線清洗換熱元件，降低空預器沖洗頻率，同時很好地解決空預器腐蝕和堵塞問題，因此具有良好的經(jīng)濟效益。

下料裝置是把定量的飼料由料倉送入料槽。計量準確是該裝置需要保證的基本問題。常見的飼料計量方法有容積式計量法和稱重式計量法，容積式計量法結(jié)構簡單、計量速度快，但要求物料粒度、密度均勻、濕度穩(wěn)定，計量精度較低，為l.5%～3%。稱重式計量法的下料速度慢，生產(chǎn)率比較低，但計量精度較高，能達到0.1%～1%[4]。為了保證合適的下料速度和較好的下料精度，同時考慮螺旋的加工成本，本設計選用容積式計量法，即采用等徑等螺距的螺旋送料方式完成下料。下料的速度取決于螺旋的尺寸和轉(zhuǎn)速，如圖3所示每一圈螺旋容積大小為

3 脫硝CEMS監(jiān)測優(yōu)化與數(shù)據(jù)判定

3.1 優(yōu)化改進的脫硝CEMS在線系統(tǒng)采樣裝置

目前安徽省燃煤火電機組SCR脫硝系統(tǒng)CEMS數(shù)據(jù)的監(jiān)測采用單點取樣方式。由于脫硝現(xiàn)場噴氨的均勻性、流場分布等原因?qū)е聰嗝嫔系姆磻灰恢拢虼藛吸c取樣很難準確反映不同負荷下斷面上的NOx濃度值。針對此情況，對燃煤電廠脫硝CEMS在線系統(tǒng)中的采樣裝置進行了優(yōu)化改進，如圖5所示。

圖5 優(yōu)化改進的脫硝CEMS在線系統(tǒng)的采樣裝置

其特征是:在脫硝SCR反應器橫截面上布置多個采樣點，每個采樣點上布置長度遞減的采樣槍，形成脫硝SCR反應器橫截面上的多點采樣;設置恒溫混樣器，各不同采樣點上的采樣煙氣通過導管共同導入在所述恒溫混樣器中，在恒溫混樣器的煙氣經(jīng)過攪拌器充分混勻后再出口通過泵輸出混合煙氣，利用煙氣分析儀對混合煙氣的進行分析從而獲得煙氣濃度檢測值，每個點煙氣流量通過流量計控制調(diào)節(jié)。該裝置良好效果主要體現(xiàn)在:在煙道內(nèi)的采樣點多、分布更廣，根據(jù)煙道的橫截面積大小適當增減測點，將各測點采集的煙氣充分混合后再送入分析儀器，所采集的點位更有代表性，測量的數(shù)據(jù)更接近實際排放的濃度;只需增加相應采樣槍和流量計的數(shù)量，并增加混樣器和抽氣泵等，并不需要增加昂貴的煙氣分析儀，有效控制了監(jiān)測成本，為有效監(jiān)測提供了保證;能夠提供相對準確的數(shù)據(jù)，一方面使電廠運行人員準確地監(jiān)測脫硝裝置的運行情況，從而給出正確的控制指令;另一方面使環(huán)保監(jiān)督人員更加準確地監(jiān)測脫硝裝置的脫硝效率和CEMS運行情況，從而落實好國家脫硝電價政策。

3.2 脫硝環(huán)保電價免罰時段自動判別方法

針對《燃煤發(fā)電機組環(huán)保電價及環(huán)保設施運行監(jiān)管辦法》規(guī)定的因發(fā)電機組啟停機、發(fā)電機組負荷低導致脫硝設施退出并致污染物濃度超過限值和由于CEMS因故障不能及時采集和傳輸數(shù)據(jù)及其它不可抗拒的客觀原因?qū)е旅撓醐h(huán)保設施不正常運行等情況，造成數(shù)據(jù)丟失應免于罰款的條款，設計一種免罰超標時段及免罰電量的計算方法，實現(xiàn)了全省燃煤發(fā)電機組煙氣排放環(huán)保電價計算的時效性和準確性。包括以下步驟:標定發(fā)電機組啟機時間段;標定發(fā)電機組停機時間段;標定發(fā)電機組低負荷運行時間點;標定CEMS故障以及其他不可抗拒的客觀原因造成的數(shù)據(jù)缺失時間點。

(1)設定發(fā)電機組脫硝設施投運的煙氣溫度最低設計值為Tc，發(fā)電機組發(fā)電的有功功率的采樣周期為t，各采樣時間點ti，i=0，1，…，n對應的有功功率為pi，i=0，1，…，n、煙氣排放濃度為Oi，i= 0，1，…，n、煙氣排放出口溫度為Ti，i=0，1，…，n。

(2)若兩相鄰采樣時間點采集的有功功率滿足以下條件:pi－1=0，pi＞0，則執(zhí)行步驟(3)，若兩相鄰采樣時間點采集的有功功率滿足以下條件: pi－1=0，pi＜0，則執(zhí)行步驟(4);

其中，m表示累加的偏差個數(shù);

根據(jù)Sk≤0，將pi+m+k對應的采樣時間點標定為發(fā)電機組啟機過程的結(jié)束時間點Sti+m+k;

標定從Sti到Sti+m+k為發(fā)電機組啟機時間段;

(4)將pi對應的采樣時間點標定為發(fā)電機組停機過程的結(jié)束時間點tti;以tti為起點，依次計算出兩相鄰采樣時間點采集的有功功率的偏差Dr，對偏差Dr進行遞進累加，得到偏差和Sq:

根據(jù)Sq≥0，將Pi－m－q對應的采樣時間點標定為發(fā)電機組停機過程的起始時間點tti－m－q;

標定從tti－m－q到ti為發(fā)電機組停機時間段;

(5)去除上述已標定的發(fā)電機組啟機時間段和停機時間段，若某采樣時間點采集的煙氣排放出口的煙氣溫度滿足以下條件:Ti＜Tc，則將該采樣時間點標定為發(fā)電機組低負荷運行時間點dti;

(6)去除上述已標定的發(fā)電機組啟機時間段、停機時間段和低負荷運行時間點，若某采樣時間點采集的煙氣排放濃度滿足以下條件:Oi≤0或Oi為空，則將該采樣時間點標定為CEMS故障以及其它不可抗拒的客觀原因造成的數(shù)據(jù)缺失時間點。

4 結(jié)語

通過對安徽燃煤火電機組脫硝CEMS的調(diào)查、脫硝環(huán)保設施的改進、脫硝在線監(jiān)測系統(tǒng)CEMS采集數(shù)據(jù)方式的改進和數(shù)據(jù)免罰時段的判定，提高了脫硝環(huán)保設備和脫硝在線監(jiān)測系統(tǒng)的運行效率，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。2014年，安徽電力行業(yè)NOx排放占全社會NOx排放的比重由46%降至32%，2014年統(tǒng)調(diào)燃煤火電機組NOx平均排放為60.17mg/m3。本文的工作為安徽省燃煤火電機組節(jié)能減排起到積極作用，保護了生態(tài)脆弱的環(huán)境，并為政府職能部門提供污染物排放有效監(jiān)管。

［1］國家發(fā)改委，境保護部.燃煤發(fā)電機組環(huán)保電價及環(huán)保設施運行監(jiān)管辦法［EB/OL］.http://jgs.ndrc.gov.cn/zcfg/201404/ t20140403_605765.html，2014－03－28.

［2］鄭莉.安徽加快推進電力項目建設火電裝機達3100萬千瓦［N］.安徽日報，2015－08－07.

［3］黃詩堅.NOx的危害及其排放控制［J］.電力環(huán)境保護，2004，20 (1):24－25.

［4］馬殊瑞.安徽完成火電大機組脫硫脫硝改造推進“清潔火電”［EB/OL］.http://news.xinhuanet.com/tech/2014－08/14/c_ 126867626.htm，新華網(wǎng)，2014－08－13.

［5］胡旭，鄭莉.我省火電節(jié)能減排走在全國前列［N］.安徽日報，2015－06－03.

［6］王奇?zhèn)?600MW機組脫硝CEMS環(huán)保系統(tǒng)的優(yōu)化及實踐［J］.安徽電力，2013，30(4):15－18.

Optimization and improvement of denitrification facilities and investigation of their continuous emission monitoring system in Anhui coal－fired units

The status of denitrification CEMS in 77 coal－fired power units were analyzed，and optimization of denitrification facilities were optimizated.The removal of denitration efficiency was improved by the development of automatic switching equipment and optimization of SCR nitrate ammonia injection device.The congestion problem about Ammonium Bisulphate(ABS)of air－preheater in coal－power plants was solved by designing of a new type of rotary air－preheater.The accuracy of nitrogen oxide data was improved by optimizing the sampling device of CEMS online system about removal nitrate.Automatic settlement of denitration environmental protection price was achieved by putting forward a judging method about flue gas emissions impunity time in coal－fired power units.The practice shows that effect is good，and the effect of reducing the emission of coal fired power plants in Anhui province is improved.

nitrogen oxide;denitrification;rotary air－preheater;sampling device;denitrification CEMS;energy conservation and emission reduction.

X701.7

B

1674－8069(2016)04－056－04

2016-01-19;

2016-02-10

馬大衛(wèi)(1982-)，男，安徽廬江人，博士，工程師，從事燃煤電廠環(huán)保設施性能優(yōu)化工作。E－mail:dwma@mail.ustc.edu.cn