火電廠脫硝SCR 區(qū)噴氨存在的問(wèn)題及幾種優(yōu)化解決方案

徐婷婷

（中國(guó)華電科工集團(tuán)有限公司，北京100071）

傳統(tǒng)氨分配方式（噴氨格柵）是假定煙氣流量及NOx 分布是固定不變的，而實(shí)際上鍋爐負(fù)荷或燃燒方式調(diào)整時(shí)，煙氣流量和NOx 的分布是隨著變化的。傳統(tǒng)噴氨方式無(wú)法使NH3濃度場(chǎng)與NOx 濃度場(chǎng)匹配，致使局部過(guò)量噴氨，氨逃逸增大，造成脫硝催化劑及下游空預(yù)器冷端積灰、堵塞的幾率加大，影響機(jī)組正常運(yùn)行，同時(shí)還可能出現(xiàn)局部噴氨不足，造成SCR 出口NOx 偏高、NOx 濃度均勻性差。

以下將以某電廠的噴氨優(yōu)化改造為例，對(duì)火電廠脫硝SCR 區(qū)噴氨存在的問(wèn)題進(jìn)行分析并提出幾種優(yōu)化解決方案。

某電廠燃煤機(jī)組采用東方鍋爐股份有限公司設(shè)計(jì)制造的亞臨界參數(shù)、四角切圓燃方式、自然循環(huán)汽包爐，機(jī)組于2005 年投產(chǎn)。煙氣脫硝采用選擇性催化還原（SCR）工藝，脫硝裝置于2013 年投運(yùn)，后期經(jīng)煙氣脫硝超低改造，達(dá)到NOX出口濃度≤50mg/m3的要求。裝置采用氨氣作為還原劑，催化劑層采用聲波吹灰器吹灰。

圖1 SCR 區(qū)噴氨簡(jiǎn)圖

1 目前火電廠脫硝SCR 區(qū)噴氨的基本原理及存在的問(wèn)題

該電廠SCR 區(qū)噴氨工藝流程如圖1 SCR 區(qū)噴氨簡(jiǎn)圖所示，水解區(qū)側(cè)來(lái)的氨氣首先進(jìn)入氨氣計(jì)量及調(diào)節(jié)模塊，對(duì)氨氣流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后與蒸汽加熱后的稀釋風(fēng)混合均勻后，通過(guò)噴氨格柵噴入煙道內(nèi)與鍋爐煙氣混合，最后在催化劑的作用下將NOX 還原分解成無(wú)害的氮?dú)猓∟2）和水（H2O）。在機(jī)組運(yùn)行時(shí)，通過(guò)網(wǎng)格法手動(dòng)測(cè)量SCR 出口煙道多點(diǎn)NOX 含量，然后手動(dòng)設(shè)定噴氨管道支管蝶閥開(kāi)度。

該電廠SCR 區(qū)脫硝系統(tǒng)噴氨控制原理如圖2 所示，采用氨氣流量串級(jí)調(diào)節(jié)控制。反應(yīng)器后煙氣中NOX的濃度水平要求不超過(guò)50mg/m3，該數(shù)值預(yù)先作為主控制器的設(shè)定值。反應(yīng)器后煙氣單點(diǎn)NOX濃度作為實(shí)際測(cè)量值反饋給主控制器。通過(guò)測(cè)量反應(yīng)器前煙氣NOX濃度，計(jì)算噴氨需要的氨氣流量，通過(guò)副控制器調(diào)節(jié)氨氣氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度。整個(gè)控制系統(tǒng)需滿足鍋爐負(fù)荷工況在30%～100%之間變動(dòng)的脫硝要求。

圖2 SCR 區(qū)噴氨串級(jí)控制原理圖

此方案是當(dāng)前火電廠脫硝SCR 區(qū)噴氨的普遍做法，該方案是假設(shè)煙氣截面流速及截面NOX分布是不變的，因此僅調(diào)節(jié)反應(yīng)器入口的氨氣管道流量總閥，在支管氨氣分配時(shí)采用手動(dòng)閥門進(jìn)行調(diào)整。然而在機(jī)組實(shí)際運(yùn)行時(shí)，隨著機(jī)組負(fù)荷的變化，省煤器出口濕煙氣量（Nm3/h）在50%到100%最大BMCR 工況范圍內(nèi)波動(dòng)，煙氣截面流速和截面NOX分布隨之變化。當(dāng)這種波動(dòng)較大時(shí)，傳統(tǒng)氨氣噴射的分配方式不合理，易造成局部過(guò)量噴氨，氨逃逸增大，產(chǎn)生的硫酸氫銨的量增大，造成SCR 催化劑及后續(xù)的空預(yù)器冷端積灰、堵塞的幾率加大；同時(shí)部分截面又可能出現(xiàn)噴氨不足，出口NOX偏高；最終導(dǎo)致SCR 出口NOX濃度場(chǎng)不均。而出口NOX含量測(cè)量是通過(guò)CEMS 單點(diǎn)測(cè)定，在出口NOX濃度場(chǎng)不均情況下所抽取樣氣無(wú)法代表整個(gè)截面NOX含量分布情況。

在負(fù)荷升降前，鍋爐給煤量、風(fēng)量、燃燒條件都會(huì)提前發(fā)生變化，在燃燒平衡重新建立起來(lái)之前，NOX含量都會(huì)大斜率上升，而此時(shí)CEMS 出口測(cè)量?jī)x表滯后，無(wú)法及時(shí)響應(yīng)并加大氨氣調(diào)門開(kāi)度。等入口NOX含量降下來(lái)后，又無(wú)法及時(shí)關(guān)小氨氣調(diào)門開(kāi)度，形成超調(diào)。

因此在鍋爐負(fù)荷升降前，運(yùn)行人員往往會(huì)通過(guò)過(guò)量噴氨來(lái)保證脫硝系統(tǒng)的達(dá)標(biāo)排放。

2 火電廠脫硝SCR 區(qū)噴氨的幾種優(yōu)化方案

針對(duì)火電廠SCR 區(qū)噴氨存在的上述問(wèn)題，從如下四個(gè)方案進(jìn)行優(yōu)化：

2.1 SCR 反應(yīng)器出口NOX測(cè)量采用多點(diǎn)測(cè)量，每個(gè)反應(yīng)器出口截面采用8 點(diǎn)測(cè)量，通過(guò)同步實(shí)時(shí)采樣、分時(shí)分析，實(shí)現(xiàn)在2～3 分鐘內(nèi)完成一次截面NOX含量分布周期分析，如表1 NOX分區(qū)測(cè)量系統(tǒng)某時(shí)段參數(shù)所示：

表1

該方案采用稀釋法測(cè)量，在采樣探頭頂部通過(guò)一個(gè)音速小孔進(jìn)行采樣，并用干燥的儀表空氣在探頭內(nèi)部進(jìn)行稀釋。樣品氣進(jìn)入分析儀之前不需要除濕處理，因?yàn)闃悠窔饨?jīng)過(guò)稀釋后(稀釋比100∶1)，有效地降低了樣品的露點(diǎn)溫度，低于安裝環(huán)境最低溫度，避免了樣品氣在環(huán)境溫度下產(chǎn)生的結(jié)露現(xiàn)象；另一方面樣品氣雖然經(jīng)過(guò)稀釋但仍為帶濕氣體，測(cè)量過(guò)程是典型的濕法測(cè)量。

2.2 由于煙氣截面分區(qū)流速不一樣，導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)各區(qū)流過(guò)的NOX總量不一樣。可通過(guò)調(diào)節(jié)各分區(qū)支管調(diào)節(jié)閥來(lái)細(xì)調(diào)各分區(qū)噴氨量，此優(yōu)化方案工藝流程為：將SCR 反應(yīng)器入口煙道根據(jù)流場(chǎng)分布分為4 個(gè)區(qū)域，在每個(gè)區(qū)域的供氨支管上增加一臺(tái)差壓流量計(jì)和氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，采取可控的氨氣注入量調(diào)節(jié)。4個(gè)分區(qū)面積不均等,根據(jù)流場(chǎng)速度分布，煙道中間流速高分區(qū)較小；煙道兩側(cè)流速偏低，分區(qū)較大。

此方案中SCR 反應(yīng)器出口NOX測(cè)點(diǎn)數(shù)量及布置要與噴氨分區(qū)數(shù)量形成一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，8 個(gè)出口NOX測(cè)點(diǎn)均勻度要控制在20%左右。調(diào)節(jié)開(kāi)度如表2 所示：

表2 SCR 區(qū)分區(qū)及閥門開(kāi)度

2.3 針對(duì)測(cè)量?jī)x表時(shí)間滯后問(wèn)題，可采取預(yù)測(cè)控制方式，設(shè)置外掛智能PLC 控制器，利用智能算法來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)控制。對(duì)脫硝控制系統(tǒng)的各種擾動(dòng)因素進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，從反應(yīng)源頭及時(shí)消除系統(tǒng)波動(dòng)。

此方案首先要分析脫硝系統(tǒng)控制的影響因素，作為智能算法的輸入量。

2.3.1 氧量

NOX主要由燃料中氮化合物在燃燒中氧化而成，NOX的產(chǎn)生與過(guò)量空氣系數(shù)有關(guān)，當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)接近1 時(shí)，NOX產(chǎn)生濃度最大；過(guò)量空氣系數(shù)小于1 時(shí)，由于氧氣濃度較低，燃燒過(guò)程緩慢，可抑制NOX的生成；當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)大于1.5 時(shí)，由于燃燒溫度低下，也能抑制NOX的生產(chǎn)。氧量的波動(dòng)必然會(huì)導(dǎo)致NOX隨之波動(dòng)。因此可以通過(guò)氧量的變化趨勢(shì)來(lái)預(yù)測(cè)氮氧化物的變化趨勢(shì)，從而為提前控制氮氧化物爭(zhēng)取一定的時(shí)間。

2.3.2 給煤量

火力發(fā)電廠要快速響應(yīng)電網(wǎng)的負(fù)荷波動(dòng)，運(yùn)行人員會(huì)根據(jù)負(fù)荷實(shí)時(shí)改變爐膛的給煤量。給煤量的改變必定會(huì)引起脫硝入口NOX變化，也會(huì)導(dǎo)致?tīng)t膛溫度的改變。

2.3.3 風(fēng)量

為了保持爐膛燃燒的穩(wěn)定，必須保持合適的風(fēng)煤配比。由于煤量通常跟隨機(jī)組負(fù)荷變化，因此系統(tǒng)會(huì)對(duì)風(fēng)量進(jìn)行調(diào)整，從而保證爐膛穩(wěn)定燃燒。由于爐膛和煙道的體積是一定的，風(fēng)量改變時(shí)煙氣流過(guò)反應(yīng)區(qū)的速率發(fā)生變化，從而導(dǎo)致煙氣在反應(yīng)器中的停留時(shí)間發(fā)生變化。停留時(shí)間越長(zhǎng)，NOX的轉(zhuǎn)化效率就越高。

2.3.4 噴氨量

根據(jù)脫硝反應(yīng)化學(xué)方程，NH3與NOX物質(zhì)量的比值理論上應(yīng)該為1。在脫除效率達(dá)到85%之前，NH3和脫除的NOX量之間有1:1 的線性關(guān)系，但在效率為85%以上時(shí)，脫除效率開(kāi)始穩(wěn)定，要得到更高的效率需要比理論更多的氨量。這歸因于NOX中以NO2形式存在的部分以及反應(yīng)率的限度。

PLC 讀取了鍋爐給煤量、風(fēng)量、負(fù)荷、入口NOX、出口NOX等參數(shù)，提前推測(cè)鍋爐燃燒變化，預(yù)先給出一個(gè)煙氣NOX數(shù)值，并通過(guò)算法對(duì)該數(shù)值作進(jìn)一步修正。該方案做出了正確預(yù)判，從而提前調(diào)節(jié)供氨總閥，調(diào)節(jié)供氨總量。

2.4 設(shè)置單獨(dú)的服務(wù)器，采用大數(shù)據(jù)計(jì)算方法來(lái)實(shí)現(xiàn)其對(duì)于復(fù)雜工況的適應(yīng)能力。通過(guò)長(zhǎng)期數(shù)據(jù)積累，可以實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)于外掛PLC 中預(yù)測(cè)算法的缺陷（不能利用大量的歷史數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)于預(yù)測(cè)算法中的控制系數(shù)的自優(yōu)化）的解決。此方案目前還處于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試、驗(yàn)證階段，效果有待進(jìn)一步觀察。

通過(guò)上述方案的優(yōu)化，在脫硝系統(tǒng)正常投入的情況下，負(fù)荷穩(wěn)定時(shí)出口NOX濃度波動(dòng)在±10mg/m3以內(nèi)，變負(fù)荷時(shí)NOX濃度波動(dòng)在±15mg/m3以內(nèi)，滿足鍋爐不同運(yùn)行工況的要求。初步估算脫硝還原劑的消耗降低8～10%,每年約減少液氨耗量40t，節(jié)省原料費(fèi)用約12 萬(wàn)元（按液氨3000 元/t）。送、引風(fēng)機(jī)電耗減少40 萬(wàn)元/年。節(jié)省空預(yù)器清洗費(fèi)用1 萬(wàn)元/年，空預(yù)器吹掃蒸汽46 萬(wàn)元/年。

結(jié)束語(yǔ)

在國(guó)家超低排放要求下，目前國(guó)內(nèi)火電廠均配備完善的脫硝裝置。但是很多電廠都出現(xiàn)了空預(yù)器腐蝕、堵塞等問(wèn)題，大大增加了運(yùn)營(yíng)成本。特別是大型鍋爐多采用前后墻對(duì)沖爐，其煙氣NOX 濃度不均勻性更大，堵塞問(wèn)題更普遍。本文通過(guò)對(duì)目前脫硝SCR 區(qū)噴氨方式的分析，提出噴氨優(yōu)化的幾種方案以期減少氨過(guò)量造成的原料浪費(fèi)，解決設(shè)備的腐蝕、空預(yù)器堵塞等問(wèn)題，市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊。