火電廠脫硝SCR區噴氨存在的問題及幾種優化解決方案
摘要：隨著國內電力環保排放標準的越趨嚴格，國家要求燃煤機組總排口NOX排放濃度不得高于50mg/Nm3。很多電廠由于鍋爐負荷變化過快，運行人員往往采用過量噴氨來保證脫硝系統的達標排放，造成氨耗量增加。另一方面由于漏氨生成硫酸銨鹽，導致催化劑積灰嚴重，脫硝效率下降；同時空預器堵塞頻繁，引風機出口阻力增大，機組運行能耗偏高。本文結合某機組噴氨優化的應用，淺談如何通過儀表控制解決上述問題。
關鍵詞：噴氨優化；控制；鍋爐燃燒；脫硝效率
傳統氨分配方式（噴氨格柵）是假定煙氣流量及NOX分布是固定不變的，而實際上鍋爐負荷或燃燒方式調整時，煙氣流量和NOX的分布是隨著變化的。傳統噴氨方式無法使NH3濃度場與NOX濃度場匹配，致使局部過量噴氨，氨逃逸增大，造成脫硝催化劑及下游空預器冷端積灰、堵塞的幾率加大，影響機組正常運行，同時還可能出現局部噴氨不足，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化改造為例，對火電廠脫硝SCR區噴氨存在的問題進行分析并提出幾種優化解決方案。某電廠燃煤機組采用東方鍋爐股份有限公司設計制造的亞臨界參數、四角切圓燃方式、自然循環汽包爐，機組于2005年投產。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，后期經煙氣脫硝超低改造，達到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。
1目前火電廠脫硝SCR區噴氨的基本原理及存在的問題
該電廠SCR區噴氨工藝流程如圖1SCR區噴氨簡圖所示，水解區側來的氨氣首先進入氨氣計量及調節模塊，對氨氣流量進行調節，然后與蒸汽加熱后的稀釋風混合均勻后，通過噴氨格柵噴入煙道內與鍋爐煙氣混合，最后在催化劑的作用下將NOX還原分解成無害的氮氣（N2）和水（H2O）。在機組運行時，通過網格法手動測量SCR出口煙道多點NOX含量，然后手動設定噴氨管道支管蝶閥開度。
該電廠SCR區脫硝系統噴氨控制原理如圖2所示，采用氨氣流量串級調節控制。反應器后煙氣中NOX的濃度水平要求不超過50mg/m3，該數值預先作為主控制器的設定值。反應器后煙氣單點NOX濃度作為實際測量值反饋給主控制器。通過測量反應器前煙氣NOX濃度，計算噴氨需要的氨氣流量，通過副控制器調節氨氣氣動調節閥開度。整個控制系統需滿足鍋爐負荷工況在30%～100%之間變動的脫硝要求。
此方案是當前火電廠脫硝SCR區噴氨的普遍做法，該方案是假設煙氣截面流速及截面NOX分布是不變的，因此僅調節反應器入口的氨氣管道流量總閥，在支管氨氣分配時采用手動閥門進行調整。然而在機組實際運行時，隨著機組負荷的變化，省煤器出口濕煙氣量（Nm3/h）在50%到100%最大BMCR工況范圍內波動，煙氣截面流速和截面NOX分布隨之變化。當這種波動較大時，傳統氨氣噴射的分配方式不合理，易造成局部過量噴氨，氨逃逸增大，產生的硫酸氫銨的量增大，造成SCR催化劑及后續的空預器冷端積灰、堵塞的幾率加大；同時部分截面又可能出現噴氨不足，出口NOX偏高；最終導致SCR出口NOX濃度場不均。而出口NOX含量測量是通過CEMS單點測定，在出口NOX濃度場不均情況下所抽取樣氣無法代表整個截面NOX含量分布情況。
在負荷升降前，鍋爐給煤量、風量、燃燒條件都會提前發生變化，在燃燒平衡重新建立起來之前，NOX含量都會大斜率上升，而此時CEMS出口測量儀表滯后，無法及時響應并加大氨氣調門開度。等入口NOX含量降下來后，又無法及時關小氨氣調門開度，形成超調。因此在鍋爐負荷升降前，運行人員往往會通過過量噴氨來保證脫硝系統的達標排放。
2火電廠脫硝SCR區噴氨的幾種優化方案
針對火電廠SCR區噴氨存在的上述問題，從如下四個方案進行優化：
2.1SCR反應器出口NOX測量采用多點測量，每個反應器出口截面采用8點測量，通過同步實時采樣、分時分析，實現在2～3分鐘內完成一次截面NOX含量分布周期分析，如表1NOX分區測量系統某時段參數所示：
該方案采用稀釋法測量，在采樣探頭頂部通過一個音速小孔進行采樣，并用干燥的儀表空氣在探頭內部進行稀釋。樣品氣進入分析儀之前不需要除濕處理，因為樣品氣經過稀釋后(稀釋比100∶1)，有效地降低了樣品的露點溫度，低于安裝環境最低溫度，避免了樣品氣在環境溫度下產生的結露現象；另一方面樣品氣雖然經過稀釋但仍為帶濕氣體，測量過程是典型的濕法測量。
2.2由于煙氣截面分區流速不一樣，導致單位時間內各區流過的NOX總量不一樣？赏ㄟ^調節各分區支管調節閥來細調各分區噴氨量，此優化方案工藝流程為：將SCR反應器入口煙道根據流場分布分為4個區域，在每個區域的供氨支管上增加一臺差壓流量計和氣動調節閥，采取可控的氨氣注入量調節。4個分區面積不均等,根據流場速度分布，煙道中間流速高分區較；煙道兩側流速偏低，分區較大。
此方案中SCR反應器出口NOX測點數量及布置要與噴氨分區數量形成一定的對應關系，8個出口NOX測點均勻度要控制在20%左右。調節開度如表2所示：
2.3針對測量儀表時間滯后問題，可采取預測控制方式，設置外掛智能PLC控制器，利用智能算法來實現預測控制。對脫硝控制系統的各種擾動因素進行動態補償，從反應源頭及時消除系統波動。此方案首先要分析脫硝系統控制的影響因素，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的產生與過量空氣系數有關，當過量空氣系數接近1時，NOX產生濃度最大；過量空氣系數小于1時，由于氧氣濃度較低，燃燒過程緩慢，可抑制NOX的生成；當過量空氣系數大于1.5時，由于燃燒溫度低下，也能抑制NOX的生產。氧量的波動必然會導致NOX隨之波動。因此可以通過氧量的變化趨勢來預測氮氧化物的變化趨勢，從而為提前控制氮氧化物爭取一定的時間。
2.3.2給煤量
火力發電廠要快速響應電網的負荷波動，運行人員會根據負荷實時改變爐膛的給煤量。給煤量的改變必定會引起脫硝入口NOX變化，也會導致爐膛溫度的改變。
2.3.3風量
為了保持爐膛燃燒的穩定，必須保持合適的風煤配比。由于煤量通常跟隨機組負荷變化，因此系統會對風量進行調整，從而保證爐膛穩定燃燒。由于爐膛和煙道的體積是一定的，風量改變時煙氣流過反應區的速率發生變化，從而導致煙氣在反應器中的停留時間發生變化。停留時間越長，NOX的轉化效率就越高。
2.3.4噴氨量
根據脫硝反應化學方程，NH3與NOX物質量的比值理論上應該為1。在脫除效率達到85%之前，NH3和脫除的NOX量之間有1:1的線性關系，但在效率為85%以上時，脫除效率開始穩定，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率的限度。PLC讀取了鍋爐給煤量、風量、負荷、入口NOX、出口NOX等參數，提前推測鍋爐燃燒變化，預先給出一個煙氣NOX數值，并通過算法對該數值作進一步修正。該方案做出了正確預判，從而提前調節供氨總閥，調節供氨總量。
2.4設置單獨的服務器，采用大數據計算方法來實現其對于復雜工況的適應能力。通過長期數據積累，可以實時實現對于外掛PLC中預測算法的缺陷（不能利用大量的歷史數據實現對于預測算法中的控制系數的自優化）的解決。此方案目前還處于現場調試、驗證階段，效果有待進一步觀察。通過上述方案的優化，在脫硝系統正常投入的情況下，負荷穩定時出口NOX濃度波動在±10mg/m3以內，變負荷時NOX濃度波動在±15mg/m3以內，滿足鍋爐不同運行工況的要求。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，節省原料費用約12萬元（按液氨3000元/t）。送、引風機電耗減少40萬元/年。節省空預器清洗費用1萬元/年，空預器吹掃蒸汽46萬元/年。
3結束語
在國家超低排放要求下，目前國內火電廠均配備完善的脫硝裝置。但是很多電廠都出現了空預器腐蝕、堵塞等問題，大大增加了運營成本。特別是大型鍋爐多采用前后墻對沖爐，其煙氣NOX濃度不均勻性更大，堵塞問題更普遍。本文通過對目前脫硝SCR區噴氨方式的分析，提出噴氨優化的幾種方案以期減少氨過量造成的原料浪費，解決設備的腐蝕、空預器堵塞等問題，市場應用前景廣闊。
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