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★江西大唐國(guó)際新余第二發(fā)電有限責(zé)任公司黎志萍

關(guān)鍵詞：SCR脫硝；過量噴氨；精準(zhǔn)噴氨；噴氨控制

氮氧化合物（NO_x）是主要大氣污染物之一，對(duì)環(huán)境危害非常嚴(yán)重，而火力發(fā)電是NO_x的主要排放源。近年來，我國(guó)氮氧化物排放量隨著能源消費(fèi)的快速增長(zhǎng)而迅速上升。為了改善日益惡化的生態(tài)環(huán)境，2015年環(huán)保部等三部委發(fā)布的《全面實(shí)施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》中明確要求2020年前實(shí)現(xiàn)超低排放，其中NO_x排放標(biāo)準(zhǔn)為：在基準(zhǔn)氧含量6%條件下不高于50mg/m³，這意味著多數(shù)項(xiàng)目需達(dá)到80%至90%以上的脫硝效率。為達(dá)到高脫硝效率，勢(shì)必會(huì)增加氨噴射量；同時(shí)，常規(guī)的SCR設(shè)計(jì)采用的是單一噴氨單元系統(tǒng)，總體較為粗放，進(jìn)一步增加了噴氨過量的可能性。在超低排放要求下，電廠普遍存在過量噴氨問題^[1-2]。

氨成本在脫硝日常運(yùn)行成本中占比可達(dá)50%以上，過量噴氨電廠的運(yùn)行成本也將長(zhǎng)期偏高。此外，過量噴氨會(huì)加劇硫酸氫銨的生成，帶來催化劑堵塞、空預(yù)器腐蝕等一系列問題，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因此，在現(xiàn)有系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行精準(zhǔn)噴氨對(duì)于提高發(fā)電系統(tǒng)整體運(yùn)行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性意義重大。

1　噴氨過量原因分析

超低排放條件下常規(guī)SCR系統(tǒng)普遍存在噴氨過量，主要基于以下幾個(gè)原因：

1.1　噴氨控制系統(tǒng)不精確

國(guó)內(nèi)燃煤電廠煙氣脫硝噴氨量控制系統(tǒng)中的SCR反應(yīng)器NO_x濃度及氨量控制主要有兩種方式：固定摩爾比控制和固定出口NO_x濃度控制^[3-5]。

固定摩爾比控制中，煙氣流量與脫硝反應(yīng)器入口的NO_x濃度進(jìn)行計(jì)算得出煙氣中的NO_x流量，再根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的氨氮摩爾比例和計(jì)算出的NO_x流量得出系統(tǒng)需要的氨耗量。機(jī)組運(yùn)行中，噴氨流量調(diào)節(jié)閥的控制隨著脫硝入口NO_x濃度的升高而升高；為保證系統(tǒng)的脫硝效率，固定摩爾比控制下設(shè)定的摩爾比通常高于根據(jù)脫硝效率計(jì)算出的摩爾比。固定摩爾比控制方式雖然簡(jiǎn)單，但在控制中只考慮了脫硝效率，沒有考慮出口NO_x濃度的變化；當(dāng)入口的NO_x濃度較低時(shí)，上述方式會(huì)引起SCR過度脫氮，造成運(yùn)行成本增加。

在固定出口NOx濃度控制中，煙氣脫硝控制系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的出口NO_x濃度值與反應(yīng)器出口NO_x濃度的測(cè)量值作比較，將所得差值作為系統(tǒng)控制器的輸入值，接著PID調(diào)制器經(jīng)運(yùn)算后，發(fā)出指令來改變噴氨調(diào)節(jié)閥的開度，通過不斷調(diào)整噴氨量，最終將出口NO_x濃度控制在標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi)。固定出口控制方式只考慮了脫硝系統(tǒng)出口NO_x濃度的變化，當(dāng)SCR入口NO_x濃度過高時(shí)，若系統(tǒng)設(shè)定的出口NO_x濃度不變，則系統(tǒng)的脫硝效率將顯著增加，有可能超出催化劑的脫硝能力，從而造成系統(tǒng)過度噴氨，導(dǎo)致氨逃逸增大、運(yùn)行成本增加。

此外，常規(guī)SCR系統(tǒng)設(shè)計(jì)假定在同一截面煙氣流速和NO_x濃度為相同狀態(tài)，因此采用單一控制調(diào)節(jié)閥對(duì)整個(gè)噴氨格柵流量進(jìn)行控制，在煙道出口也僅用單一測(cè)點(diǎn)來代表整個(gè)斷面的出口NO_x值，并作為反饋值代入噴氨控制系統(tǒng)。但是上述同一斷面不同位置煙氣流速和NO_x濃度通常存在差異，造成實(shí)際需要的噴氨量與依靠測(cè)點(diǎn)反饋計(jì)算出的噴氨量存在偏差，將再次誘發(fā)噴氨過量問題。

1.2　流場(chǎng)條件惡劣

眾所周知，煙氣流場(chǎng)對(duì)脫硝系統(tǒng)有重要影響，良好的流場(chǎng)性能是SCR脫硝裝置正常運(yùn)行的前提條件。但是，流場(chǎng)異常在SCR脫硝裝置中普遍存在，且未得到足夠重視。在導(dǎo)流條件不佳的情況下，流場(chǎng)存在較大的氨濃度分布不均勻的可能，從而造成在催化反應(yīng)區(qū)氨氮摩爾比偏離理想值，導(dǎo)致脫硝性能下降^[6]。如圖1所示，某項(xiàng)目由于未考慮導(dǎo)流設(shè)計(jì)，在豎直煙道段存在嚴(yán)重的煙氣偏流現(xiàn)象，導(dǎo)致催化劑入口氨濃度分布極不均，顯著影響了脫硝性能，因此在催化劑反應(yīng)部分區(qū)域存在氨氣不足，而部分區(qū)域則氨氣過量。為保證所有區(qū)域還原劑氨量充足，勢(shì)必要加大噴氨量，從而導(dǎo)致脫硝系統(tǒng)過量噴氨，引發(fā)氨逃逸量大、硫酸氫銨大量生成等問題。

圖1 某項(xiàng)目煙氣跡線和催化劑入口截面氨濃度分布

1.3　噴氨格柵設(shè)計(jì)不合理

SCR工藝中氨氣通過噴氨管輸送至噴氨格柵，經(jīng)過噴氨格柵再分配后由噴孔噴出與煙氣混合，最后在催化劑區(qū)域進(jìn)行NOx的還原反應(yīng)，將NO_x還原為N₂，完成脫硝。由于噴氨格柵布置形式對(duì)噴氨的均勻性和系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能有重要影響，因此會(huì)影響系統(tǒng)的脫硝性能^[7]。傳統(tǒng)的SCR噴氨格柵采用單調(diào)閥設(shè)計(jì)，難以精細(xì)化控制，且在格柵管道布置上較為隨意，各噴氨孔流量不一致普遍存在^[7]。如圖2所示，某項(xiàng)目采用圖中所示的噴氨管道布置時(shí)，奇偶數(shù)支管流量存在50%以上的偏差，這勢(shì)必會(huì)使催化劑各區(qū)域氨氮比不一致，從而導(dǎo)致過量噴氨問題。

圖2 某項(xiàng)目噴氨管道示意圖

2　精準(zhǔn)噴氨技術(shù)與方法

2.1　智能化噴氨控制技術(shù)

針對(duì)傳統(tǒng)控制算法存在的噴氨系統(tǒng)滯后、對(duì)變負(fù)荷工況適應(yīng)性差的問題，本研究針對(duì)傳統(tǒng)控制算法進(jìn)行改良和再創(chuàng)新。圖3展示了目前智能化噴氨控制普遍采用的算法邏輯。在智能化噴氨控制策略中，在原有、前后反饋基礎(chǔ)上，引入變負(fù)荷智能預(yù)噴氨、氧量與風(fēng)煤比前饋、煙囪出口NO_x偏差校正、CEMS儀表吹掃校正等計(jì)算模型，不僅考慮了負(fù)荷波動(dòng)的影響，還考慮了出口NO_x波動(dòng)，以及機(jī)組運(yùn)行參數(shù)與入口NO_x濃度的連動(dòng)性，能有效解決常規(guī)控制邏輯存在的不足。在具體實(shí)施上，該優(yōu)化方案所需增加的硬件設(shè)備極少，僅需重新修改控制程序并與DCS重新組態(tài)即可，實(shí)施時(shí)極為快捷簡(jiǎn)便，具有較好的應(yīng)用推廣價(jià)值_[5]。

圖3 智能噴氨控制邏輯

2.2　分區(qū)測(cè)量與噴氨調(diào)節(jié)技術(shù)

針對(duì)上述問題，分區(qū)測(cè)量和噴氨調(diào)節(jié)技術(shù)近年來被逐步使用。該技術(shù)的顯著特征為將出口斷面假定分為多個(gè)區(qū)域，在每個(gè)區(qū)域中心設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)作為控制反饋值；同時(shí)，與測(cè)量點(diǎn)相匹配，對(duì)噴氨格柵進(jìn)行分割，將噴氨格柵對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)區(qū)域分割成若干組，每一組格柵對(duì)應(yīng)設(shè)置一個(gè)控制調(diào)閥，對(duì)所覆蓋區(qū)域進(jìn)行噴氨量調(diào)節(jié)^[2,8]。分區(qū)測(cè)量與噴氨調(diào)節(jié)典型布置形式如圖4所示。

圖4 分區(qū)測(cè)量和格柵分區(qū)示意圖

格柵分區(qū)除了能實(shí)現(xiàn)劃塊噴氨外，由于其變相縮短了在寬度方向噴氨母管長(zhǎng)度和所控制的噴孔數(shù)量，因此可以顯著減小各個(gè)噴孔的流量差異，從而進(jìn)一步提高了噴氨的準(zhǔn)確性。

2.3　精細(xì)化流場(chǎng)設(shè)計(jì)

通過對(duì)原導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)和布置進(jìn)行重新設(shè)計(jì)優(yōu)化（見圖5a），如：調(diào)整反應(yīng)器罩體的斜頂與水平夾角，斜頂內(nèi)壁加裝導(dǎo)流柱；在SCR水平煙道入口處加裝導(dǎo)流板；對(duì)豎直煙道上下彎頭處導(dǎo)流板進(jìn)行優(yōu)化等^[7,9]，可以顯著提升原有系統(tǒng)的流場(chǎng)性能，消除偏流、均勻性差等典型問題，為精準(zhǔn)噴氨奠定基礎(chǔ)條件。

此外，為進(jìn)一步提高分區(qū)噴氨的有效性，在豎直煙道布置分區(qū)強(qiáng)制混合器已被部分項(xiàng)目所采用（見圖5b和5c）。利用分區(qū)混合器將豎直煙道分成與格柵分區(qū)數(shù)一致的分區(qū)，使分區(qū)內(nèi)煙氣形成旋轉(zhuǎn)混合，并在較短距離內(nèi)盡可能混合均勻。分區(qū)間不設(shè)置物理隔板，通過氣流的合理組織可保持相對(duì)獨(dú)立，不相互混合，維持分區(qū)前后良好的對(duì)應(yīng)性，為噴氨分區(qū)控制提供保證。

圖5 流場(chǎng)改造及分區(qū)混合示意圖

3　應(yīng)用案例

某600MW燃煤發(fā)電機(jī)組原始存在氨耗量大、氨逃逸高，并由此誘發(fā)空預(yù)器堵塞等一系列問題。經(jīng)過采用精細(xì)化流場(chǎng)設(shè)計(jì)、分區(qū)測(cè)量與噴氨調(diào)節(jié)技術(shù)和噴氨控制算法優(yōu)化后，噴氨量性能得到了顯著提升。噴氨波動(dòng)明顯減小，噴氨量大幅下降，平均噴氨量由160kg/h降至105kg/h，改造效果明顯。

圖6 精準(zhǔn)噴氨改造前后噴氨量曲線

4　小結(jié)

（1）噴氨控制系統(tǒng)不精確、流場(chǎng)條件惡劣和噴氨格柵設(shè)計(jì)不合理是導(dǎo)致過量噴氨的主要原因，嚴(yán)重影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）通過智能化噴氨控制技術(shù)、分區(qū)測(cè)量與噴氨調(diào)節(jié)技術(shù)和精細(xì)化流場(chǎng)設(shè)計(jì)等先進(jìn)技術(shù)，可以有效消除常規(guī)SCR系統(tǒng)存在的過量噴氨問題，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的精準(zhǔn)噴氨。

（3）應(yīng)用案例表明，采用針對(duì)性精準(zhǔn)噴氨技術(shù)后，噴氨量顯著下降，改造效果明顯。

作者簡(jiǎn)介：

黎志萍（1972-），男，江西萍鄉(xiāng)人，工程師，本科，現(xiàn)就職于江西大唐國(guó)際新余第二發(fā)電有限責(zé)任公司，研究方向?yàn)闊峥丶爸腔垭姀S。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2023年12月刊