SCR脫硝系統(tǒng)精準(zhǔn)噴氨改造

李衛(wèi)平

（國電電力大同發(fā)電有限公司，山西大同 037043）

近年來，機組運行中暴露出了空預(yù)器堵塞的問題，原因之一為脫硝系統(tǒng)過量噴氨。一方面，煙氣中會存在大量的三氧化硫以及水蒸氣，逃逸的氨氣會與這些物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)生成硫酸氫銨。硫酸氫銨在150～200 ℃會呈現(xiàn)液態(tài)，而液化狀態(tài)的硫酸氫銨具有較高的粘性，會直接附著在空預(yù)器的熱片結(jié)構(gòu)上，吸收大量的煙塵和飛灰，形成堆積狀態(tài)，嚴(yán)重影響設(shè)備的換熱能力，最終形成空預(yù)器堵塞。另一方面，二氧化硫會在脫硝催化劑的作用下形成三氧化硫，加劇空預(yù)器中硫酸氫銨堆積程度；與此同時，空預(yù)器內(nèi)部整體處理效果和控制機制也會造成酸露點溫度的增高，加劇空預(yù)器酸腐蝕問題以及堵灰問題[2]。

本文對機組過量噴氨的原因進(jìn)行了分析研究，結(jié)合當(dāng)下脫硝噴氨與測量的一些技術(shù)，針對性地提出了一些改進(jìn)思路，為選擇性催化還原技術(shù)（SCR）脫硝系統(tǒng)精準(zhǔn)噴氨的設(shè)計和優(yōu)化改造提供參考。

1 脫硝出口局部氨濃度過量，氨逃逸過高分析

1.1 脫硝煙氣流場不均

雖然，SCR脫硝系統(tǒng)在設(shè)計階段考慮了煙道流場特性，并在機組脫硝超低排放改造時進(jìn)行了流場優(yōu)化。但在實際運行過程中，由于機組經(jīng)常處于中低負(fù)荷區(qū)域運行，鍋爐運行參數(shù)偏離設(shè)計，造成鍋爐燃燒時煙氣流場紊亂不均勻；且設(shè)計煤種改變，供電煤耗較設(shè)計值上升，煙氣飛灰量增大，對煙道內(nèi)導(dǎo)流板沖刷磨損加劇，逐漸放大了流場不均的程度[1]。同時，灰量的增大亦造成了催化劑的局部堵塞，同樣影響到流場不均的程度。另外，機組負(fù)荷在滿足電網(wǎng)要求的速率下大幅增減時，燃燒工況的突變和煙氣流速的急劇變化，亦造成了流場不均[3]。受上述因素的影響，脫硝系統(tǒng)入口煙氣流場存在分布不均的情況，且機組各負(fù)荷段煙氣流場不均的情況還存在較大差異。

1.2 噴氨混合器數(shù)量不足，無法實現(xiàn)分區(qū)噴氨控制

機組單側(cè)煙道共設(shè)置4根噴氨支管，煙道內(nèi)對應(yīng)配置4個噴氨渦流混合器。雖然渦流混合器噴氨覆蓋面廣、噴氨均勻，但因布置數(shù)量有限，無法實現(xiàn)更加精確的區(qū)域調(diào)節(jié)。因煙氣流場不均，同時機組運行時還要保證氮氧化物達(dá)標(biāo)排放，故而只能依靠增大噴氨總量，使氮氧化物質(zhì)量濃度高的區(qū)域噴氨量增大，提高氮氧化物還原效率，但亦增大了氮氧化物質(zhì)量濃度低區(qū)域的噴氨量，導(dǎo)致局部氨逃逸增加。

1.3 脫硝CEMS系統(tǒng)單點取樣，數(shù)據(jù)不具備代表性

機組脫硝出入口CEMS（煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)）系統(tǒng)均為單點取樣，因脫硝煙道內(nèi)流場不均，CEMS系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)只是取樣區(qū)域氮氧化物濃度，無法代表整個煙道氮氧化物濃度分布的情況。而脫硝系統(tǒng)噴氨總量控制完全依靠脫硝系統(tǒng)入口、出口氮氧化物測量值，氮氧化物測量數(shù)據(jù)與真實工況氮氧化物濃度的偏差必然會影響噴氨總量控制的調(diào)節(jié)精度。依據(jù)單點測量得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，必然會出現(xiàn)噴氨不均的情況。為保證脫硫出口氮氧化物的達(dá)標(biāo)排放，只能增大噴氨量，從而出現(xiàn)脫硝出口氮氧化物濃度與脫硫出口氮氧化物濃度測量數(shù)據(jù)之間“倒掛”的現(xiàn)象，存在一定的環(huán)保風(fēng)險。增大噴氨量的同時，亦增加了局部氨逃逸量。

2 脫硝系統(tǒng)精準(zhǔn)噴氨實施建議

2.1 脫硝煙氣流場優(yōu)化

目前，流體CFD（計算流體力學(xué)）動力學(xué)研究是普遍使用的一種流場分析方法。流體CFD動力學(xué)研究是為了了解煙氣速度場、溫度場和氨氮摩爾比大致分布情況，在CFD研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，確定煙道中氨噴射系統(tǒng)、導(dǎo)流板和整流器的形狀和位置，目的是：（1）優(yōu)化煙道和反應(yīng)器的布置，確定煙道中煙氣導(dǎo)流裝置的最佳幾何尺寸、型式、數(shù)量及位置，使在氨噴射區(qū)域和SCR催化劑入口的煙氣流動均勻和氨分布均勻；（2）考慮流場設(shè)備易于支撐和方便現(xiàn)場安裝，且須考慮導(dǎo)流板等的剛度、強度以及磨損情況等；（3）優(yōu)化整流器的設(shè)計，使催化劑表面煙氣的沖角降至最低；（4）優(yōu)化脫硝裝置的總壓力損失；（5）脫硝裝置的入口溫度偏差滿足設(shè)計要求；（6）模擬系統(tǒng)積灰情況，確定積灰位置。

采用流體CFD模擬，根據(jù)煙道及SCR反應(yīng)器布置圖，建立計算流體力學(xué)模型進(jìn)行計算機數(shù)值模擬，并建立物理流動模型進(jìn)行實際煙氣模擬試驗，測試并驗證煙氣流量分布，尋找煙道中導(dǎo)葉和導(dǎo)流板的壓損減少位置，確定導(dǎo)葉、導(dǎo)流板和整流裝置的初步幾何形狀和位置，使其設(shè)置合理、壓力分布均勻，最大限度減小流動阻力，優(yōu)化煙氣流速、溫度和催化劑前的成分分布；評估氨噴射系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計研究，合理設(shè)置噴嘴數(shù)量及間隔調(diào)節(jié)各噴嘴的氨流量和位置，預(yù)防噴嘴堵塞，優(yōu)化氨噴射系統(tǒng)以改善第一層催化劑入口的氨混合；確定不同運行負(fù)荷下的積灰情況，將積灰高度控制在允許范圍內(nèi)；確定和提供導(dǎo)流板、氨噴射系統(tǒng)和整流器優(yōu)化的幾何形狀設(shè)計。流場模型的最終結(jié)果應(yīng)以實際工程形式給出，實現(xiàn)脫硝煙氣流場的優(yōu)化。

CFD模擬的范圍為從省煤器換熱面末端至空預(yù)器入口的煙氣系統(tǒng)及其部件，包括省煤器底部及煙道；省煤器出口至SCR反應(yīng)器入口的煙道，包括煙氣導(dǎo)流板、氨噴射、煙氣整流格柵等內(nèi)部件；SCR反應(yīng)器出口至空預(yù)器入口煙道，包括煙氣導(dǎo)流板等內(nèi)部件；SCR反應(yīng)器，包括三層催化劑層等內(nèi)部件；其他附加的煙氣均布裝置以及以上煙道及設(shè)備內(nèi)所有大于150 mm或面積≥5%煙道截面面積的內(nèi)部件。

2.2 噴氨混合器及噴氨支管控制改造

實現(xiàn)分區(qū)精準(zhǔn)噴氨，首先硬件條件要滿足要求，要具備局部區(qū)域控制調(diào)整的條件，以達(dá)到區(qū)域噴氨流量控制、精準(zhǔn)控制、分區(qū)域按需噴氨的目的，最大程度降低各區(qū)域的氨逃逸量。

目前，機組氨噴射系統(tǒng)硬件條件無法滿足分區(qū)控制的要求，需按照煙道尺寸，參考CFD模擬的結(jié)果，重新設(shè)計改造氨噴射系統(tǒng)。建議對煙道截面進(jìn)行分區(qū)，每個分區(qū)均勻布置氨噴射器，每個分區(qū)引出供氨支管，每個支管設(shè)置智能調(diào)節(jié)門，各分區(qū)支管匯總至供氨母管。機組運行中，可依據(jù)各分區(qū)氮氧化物濃度情況實時調(diào)節(jié)調(diào)門開度，達(dá)到調(diào)節(jié)噴氨量、控制氨逃逸的目的。各支管調(diào)節(jié)門建議接入脫硝控制系統(tǒng)實現(xiàn)遠(yuǎn)程集中控制，具備實時調(diào)整支管調(diào)門開度的條件。

2.3 脫硝系統(tǒng)儀控設(shè)備改造

因脫硝CEMS系統(tǒng)均為單點取樣，測量數(shù)據(jù)無法代表整個截面煙氣氮氧化物含量數(shù)據(jù)，故需對CEMS取樣系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計改造。將脫硝出口煙道截面進(jìn)行分區(qū)，布置全截面多點取樣裝置，按照分區(qū)數(shù)量布置取樣點，分區(qū)的數(shù)量根據(jù)氨噴射器噴氨控制區(qū)域的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行確定。通過每個分區(qū)氮氧化物濃度值測量值，實時調(diào)整對應(yīng)的分區(qū)噴氨調(diào)門，達(dá)到控制煙道內(nèi)局部氨逃逸的目的。為避免銨鹽結(jié)晶堵塞取樣系統(tǒng)，需保證取樣管內(nèi)煙氣維持較高的溫度，同時需增設(shè)管線定時反吹系統(tǒng)。目前，脫硝煙道全截面多點取樣系統(tǒng)類型較多，可結(jié)合系統(tǒng)實際取樣功能及流程，設(shè)計控制策略，實現(xiàn)噴氨總量自動控制及分區(qū)噴氨自動控制。

對于脫硝入口氮氧化物濃度分布較為均勻，但煙氣流速相對不均的情況，如能測得噴氨各分區(qū)煙氣流速，即掌握了單位時間內(nèi)各噴氨分區(qū)氮氧化物質(zhì)量，對于更加精準(zhǔn)地控制噴氨量將起到一定的作用。

2.4 脫硝系統(tǒng)精準(zhǔn)噴氨控制策略

2.4.1 脫硝噴氨總量控制策略

脫硝的主要目的是脫除煙氣中的氮氧化物，噴氨量的大小取決于脫硝入口氮氧化物含量的大小。且脫硝入口氮氧化物取樣裝置設(shè)置在氨噴射系統(tǒng)之前，根據(jù)脫硝入口氮氧化物調(diào)節(jié)噴氨量更加快速準(zhǔn)確。因此，可以依據(jù)脫硝入口氮氧化物含量的變化，設(shè)計噴氨控制模型，作為噴氨控制的靜態(tài)前饋控制。

氮氧化物的測量數(shù)值需經(jīng)過氧量折算，結(jié)合24%～100%鍋爐額定工況煙氣氧量的變化趨勢，增加機組負(fù)荷修正函數(shù)，作為噴氨控制的靜態(tài)前饋控制及動態(tài)前饋控制，在高、低負(fù)荷階段以及負(fù)荷變化階段，實時修正噴氨量，提升機組全負(fù)荷段噴氨調(diào)節(jié)的靈活性及適應(yīng)性，在機組負(fù)荷高峰、低谷以及高速率大幅度變動情況下，輔助調(diào)節(jié)噴氨量滿足工況變化要求。視機組運行情況選擇脫硝出口或總排口氮氧化物含量作為控制目標(biāo)值，采用常規(guī)PID控制維持自動系統(tǒng)調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性。加入目標(biāo)值保護(hù)控制策略，根據(jù)目標(biāo)值限值設(shè)定的危險程度，直接控制噴氨調(diào)門開度，確?？偱趴诘趸镞_(dá)標(biāo)排放。

2.4.2 脫硝分區(qū)噴氨控制策略

對脫硝入口煙道截面進(jìn)行分區(qū)，按控制分區(qū)設(shè)置氨噴射單元，通過調(diào)整門控制各單元噴氨量的大小。通過試驗，確定每個噴氨單元對應(yīng)的分區(qū)測量單元，通過測量單元氮氧化物含量變化實時調(diào)整分區(qū)噴氨單元調(diào)整門開度實現(xiàn)獨立分區(qū)噴氨量的控制。

各分區(qū)單獨建立自控系統(tǒng)，通過各分區(qū)噴氨量的調(diào)節(jié)達(dá)到分區(qū)氮氧化物濃度的控制，從而降低氨逃逸量。

各分區(qū)獨立調(diào)節(jié)時，勢必影響噴氨總量的變化。故噴氨總量控制與分區(qū)控制應(yīng)為兩套獨立的控制系統(tǒng)。兩套系統(tǒng)相互配合，通過分區(qū)精準(zhǔn)噴氨調(diào)整，達(dá)到噴氨總量精準(zhǔn)調(diào)整的目的，從而達(dá)到精準(zhǔn)噴氨改造的目的。

3 結(jié)論

通過對機組脫硝系統(tǒng)運行工況的研究，分析目前系統(tǒng)運行存在的問題及弊端，針對性地提出問題的大致解決方案為：（1）通過流場模擬及優(yōu)化治理，從根源上解決一些因流場不均引起的干擾因素；（2）通過氨噴射系統(tǒng)改造，使脫硝系統(tǒng)具備獨立分區(qū)噴氨量控制的功能；（3）通過噴氨單元分區(qū)自動控制，使分區(qū)噴氨量控制具有針對性、實時性及精確性；（4）通過氮氧化物測量取樣系統(tǒng)改造，使脫硝系統(tǒng)具備全截面分區(qū)氮氧化物測量功能，為分區(qū)噴氨量控制提供數(shù)據(jù)支持；（5）通過增加熱控測量儀表，使自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)功能更加完善，調(diào)節(jié)更加靈活；（6）通過脫硝系統(tǒng)噴氨總量控制策略優(yōu)化及噴氨分區(qū)調(diào)整控制策略優(yōu)化，達(dá)到脫硝系統(tǒng)噴氨自動調(diào)節(jié)的目的，實現(xiàn)脫硝系統(tǒng)精準(zhǔn)噴氨。