SCR脫硝精細(xì)化氨噴射技術(shù)工程應(yīng)用

張會君，張祥志，徐志超，朱 平，李 準(zhǔn)，肖 旭

(武漢龍凈環(huán)保科技有限公司，湖北 武漢 430205)

選擇性催化還原法是目前燃煤鍋爐應(yīng)用最為廣泛的脫硝技術(shù)[1-3]，目前，NOx的超低排放技術(shù)主要通過增加催化劑層數(shù)，增大噴氨量來實現(xiàn)，在實際運行過程中，為滿足機組超低排放要求，運行人員會不同程度地噴入過量的氨氣，但弊端是會導(dǎo)致氨耗量增大，氨逃逸率增高，運行成本提高，引發(fā)催化劑中毒，空氣預(yù)熱器差壓異常甚至堵塞等一系列問題。

本文對鍋爐脫硝氨噴射量過高的原因進(jìn)行分析研究，結(jié)合當(dāng)下脫硝噴氨與測量技術(shù)，有針對性地提出了一些改進(jìn)措施，為SCR脫硝系統(tǒng)精細(xì)化氨噴射設(shè)計提供參考。

1 噴氨量過高原因分析

1.1 鍋爐出口煙氣成分不均勻性分布

鍋爐在實際運行過程中通常沒辦法保證穩(wěn)定運行負(fù)荷，當(dāng)鍋爐負(fù)荷變動，鍋爐燃燒參數(shù)與設(shè)計參數(shù)發(fā)生偏離時，會造成鍋爐換熱段煙氣流場紊亂不均勻[4]。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，同樣會造成了流場不均[5]。因煙氣流場的不均勻分布，會導(dǎo)致氨噴射量與煙氣中氮氧化物濃度分布不匹配。在煙氣氮氧化物濃度高的區(qū)域氨噴射量相對較低，將導(dǎo)致氮氧化物無法充分反應(yīng)；在煙氣氮氧化物濃度低的區(qū)域氨噴射量相對較高，將導(dǎo)致噴射的氨無法完全反應(yīng)，導(dǎo)致氨逃逸增加。

1.2 脫硝CEMS系統(tǒng)采用單點取樣，所得數(shù)據(jù)無法反應(yīng)實況

目前國內(nèi)SCR脫硝系統(tǒng)出入口 CEMS一般為單點取樣，因脫硝煙氣流場分布不均，CEMS系統(tǒng)測量得到的數(shù)據(jù)只是取樣點NOx濃度，無法代表全截面氮氧化物濃度分布狀況，而脫硝系統(tǒng)噴氨總量調(diào)節(jié)依靠脫硝系統(tǒng)入口、出口NOx測量值信號反饋，NOx測量數(shù)據(jù)與真實工況NOx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)氨噴射不均勻的問題。在實際工程中，為保證脫硝出口NOx的達(dá)標(biāo)排放，運行人員只能增大氨噴射量，從而導(dǎo)致局部氨逃逸量增加。

1.3 脫硝控制回路的滯后性

SCR系統(tǒng)噴氨量與鍋爐燃燒狀態(tài)具有極強相關(guān)性，鍋爐負(fù)荷、燃燒煤種以及配風(fēng)狀況的改變，都會改變鍋爐尾部煙氣成分，影響脫硝反應(yīng)實際狀態(tài)。因SCR脫硝反應(yīng)過程復(fù)雜，針對目前電廠脫硝大多采用單級PID控制方法，這使得系統(tǒng)控制時間滯后性較大。單級PID控制方法分為固定氨氮摩爾比控制(見圖1)或固定出口NOx濃度控制(見圖2)方法。固定摩爾比控制方法操作簡單、方便，但是該方法在面對工況變化頻繁時，無法確保脫硝出口NOx穩(wěn)定排放，原因是當(dāng)鍋爐運行工況發(fā)生變化時，氨氮摩爾比不再是一個固定值[6]，因而此法將導(dǎo)致出口NOx濃度波動。而針對固定出口NOx濃度控制方法，因CEMS測量數(shù)據(jù)通常反映的抽氣時煙氣排放情況，從抽氣檢測到噴氨閥收到指令控制通常存在1 min甚至更長的時間差，測量數(shù)據(jù)的滯后性將導(dǎo)致實際操作以過量噴氨為前提，作為保證出口NOx濃度達(dá)標(biāo)排放的策略，導(dǎo)致氨逃逸濃度過大。

圖1 固定摩爾比控制Fig.1 Fixed molar ratio control

圖2 固定出口氮氧化物濃度控制Fig.2 Fixed outlet nitrogen oxide concentration control

2 精細(xì)化噴氨實施建議

2.1 分區(qū)噴氨控制

依據(jù)網(wǎng)格化原理，從噴氨格柵選型開始，將噴射區(qū)域分成若干個獨立的區(qū)域，確保氨噴射全截面覆蓋。每個區(qū)域設(shè)置獨立的噴氨調(diào)節(jié)閥和測量儀表，讓每個區(qū)域?qū)崿F(xiàn)單獨控制。網(wǎng)格化分區(qū)控制系統(tǒng)包括總量控制模塊和分區(qū)控制模塊，以氨噴射總量控制閥為主，各分區(qū)氨噴射控制閥為輔，通過調(diào)節(jié)總量控制閥，控制脫硝總噴氨量，并通過調(diào)節(jié)分區(qū)控制閥，減小煙道全截面NOx濃度偏差。

2.2 分區(qū)噴氨出口NOx精準(zhǔn)在線監(jiān)測

分區(qū)控制閥的信號來自反應(yīng)器出口煙道CEMS在線監(jiān)測系統(tǒng)，在反應(yīng)器出口煙道安裝NOx多點監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果反饋至DCS中的分區(qū)控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)依據(jù)出口NOx的分布情況，調(diào)整分區(qū)控制閥開度。通過分區(qū)調(diào)節(jié)，可以大大降低反應(yīng)區(qū)出口NOx濃度偏差，從而實現(xiàn)降低氨逃逸率。

2.3 優(yōu)化控制回路，解決測量滯后性問題

采用串級控制策略，由一次主回路和二次副回路組成。一次主回路用以修正系統(tǒng)氨氮比，根據(jù)設(shè)定的出口NOx濃度值及入口NOx濃度值，計算出理論氨氮比，再將出口NOx濃度設(shè)定值與實測值的差值作為PID控制器的偏差信號，將輸出值作為修正信號，修正系統(tǒng)氨氮比。二次副回路用以發(fā)出控制指令，通過煙氣中的NOx流量與修正后的氨氮比相乘得到氨流量設(shè)定值，通過測量值和設(shè)定值之間的偏差應(yīng)用到二次副回路PID控制器，作為二次副回路調(diào)節(jié)氨流量調(diào)節(jié)閥的控制指令。一次主回路的控制對象為出口NOx濃度，保證出口達(dá)標(biāo)排放；二次副回路的控制對象為噴氨量，通過修正氨氮摩爾比實現(xiàn)降低噴氨量，在控制過程中，一次主回路作為定值控制回路，能夠有效地消除出口NOx濃度與設(shè)定值之間的偏差。二次副回路噴氨流量隨一次回路出口NOx濃度的變化而變化，二次回路控制器可以通過引入煙氣流量和入口NOx濃度等外部因素的干擾，實時修正PID控制器的設(shè)定值，從而快速消除外部干擾。

圖3 串級控制策略Fig.3 Cascade control strategy

3 工程實例分析

黑龍江某燃煤電廠4號鍋爐600 MW超臨界參數(shù)變壓直流爐，鍋爐同步建設(shè)脫硝裝置，脫硝系統(tǒng)采用選擇性催化還原(SCR)工藝，催化劑初裝2層，預(yù)留1層，采用高塵布置。設(shè)計脫硝效率88%，氮氧化物排放濃度要求小于50 mg/Nm3。

項目自投運以來，脫硝長期達(dá)標(biāo)運行，但是當(dāng)鍋爐負(fù)荷變動時，氨耗量偏離理論設(shè)計值較多，氨逃逸時常超標(biāo)，檢測灰份中硫酸氫氨含量也偏高。為控制氨逃逸，確保脫硝系統(tǒng)和鍋爐運行負(fù)荷變動匹配，擬采用精細(xì)化噴氨改造方案。

3.1 精細(xì)化噴氨改造方案

圖4 單側(cè)反應(yīng)器噴氨分區(qū)控制工藝方案(A、B兩側(cè))Fig.4 Single-side reactor ammonia injection zone control process plan(A and B sides)

將噴氨格柵和SCR反應(yīng)器出口煙道進(jìn)行網(wǎng)格化分區(qū)控制，本項目單側(cè)反應(yīng)器分8個區(qū)控制，項目共分A、B兩側(cè)反應(yīng)器，分區(qū)控制方案見圖4。網(wǎng)格化分區(qū)噴氨控制系統(tǒng)包括測量模塊、調(diào)節(jié)模塊和控制模塊。

3.1.1 測量模塊

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，取樣點按分區(qū)數(shù)設(shè)置，依據(jù)流場模擬結(jié)果，對噴射格柵進(jìn)行選型布置，再結(jié)合噴射格柵的選型確定分區(qū)數(shù)。本項目中，在每側(cè)8個分區(qū)出口煙道分別安裝NOx、O2在線監(jiān)測測點，實現(xiàn)SCR反應(yīng)器出口煙氣NOx、O2濃度的在線分布巡測。根據(jù)各區(qū)域氮氧化物濃度實測值，可實時調(diào)整相應(yīng)區(qū)域的噴氨調(diào)節(jié)閥，控制煙道局部氨逃逸。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，同時需增加定時管道反吹系統(tǒng)。

3.1.2 調(diào)節(jié)模塊

調(diào)節(jié)模塊的核心為噴氨總管和噴氨支管上的噴氨調(diào)節(jié)閥，當(dāng)測量模塊CEMS系統(tǒng)反饋信號后，調(diào)節(jié)模塊的閥門主要調(diào)節(jié)各分區(qū)調(diào)節(jié)閥，當(dāng)涉及煙氣流量隨鍋爐負(fù)荷的跳檔波動時，再將信號反饋給總量控制閥進(jìn)行噴氨總量調(diào)節(jié)，以確保分區(qū)調(diào)節(jié)閥的控制精度。

3.1.3 控制模塊

分區(qū)均衡控制，采用主控和副控相結(jié)合的方式，即在催化劑性能正常的情況下，以SCR出口NOx濃度分布狀況作為分區(qū)均衡控制的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，同時結(jié)合SCR出口NH3濃度狀況，在確保煙囪入口NOx排放濃度不超標(biāo)的情況下，以盡量控制氨逃逸濃度在較低水平為目標(biāo)進(jìn)行控制。

3.2 改造效果和經(jīng)濟(jì)效益分析

改造后脫硝效率提升，氨逃逸率和噴氨量降低，空預(yù)器堵塞問題得到緩解，各項改造效果參數(shù)見表1。

表1 精細(xì)化氨噴射技術(shù)改造效果Table 1 Technical transformation effect of refined ammonia injection

通過采用精細(xì)化氨噴射技術(shù)改造，可以有效降低運行費用，帶來經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，分項運行費用降低數(shù)據(jù)見表2。

表2 精細(xì)化氨噴射技術(shù)降本成果Table 2 Cost reduction results of refined ammonia injection technology

精細(xì)化氨噴射技術(shù)可以降低噴氨量、延長催化劑使用壽命、減少鍋爐空氣預(yù)熱器清洗頻次。經(jīng)測算，單臺600 MW機組每年通過精細(xì)化噴氨項目的實施可降低約80萬元運行成本。

4 結(jié) 論

通過采取精細(xì)化噴氨的控制策略，從創(chuàng)新管理理念、利用先進(jìn)科學(xué)技術(shù)、高效節(jié)能環(huán)保的角度出發(fā)，實現(xiàn)煙氣超低排放，是落實“美麗中國”理念的重要成果，亦可作為“碳達(dá)峰”、“碳中和”背景下，廣大生產(chǎn)企業(yè)實施減排行動的借鑒方案，值得在同類型電廠推廣，具有積極的社會價值。