火力發(fā)電廠SCR脫硝控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

賈 杰

（內(nèi)蒙古電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

0 引言

NOx不僅是酸雨形成的主要原因，而且可與碳?xì)浠锏确磻?yīng)形成光化學(xué)煙霧，同時(shí)其對(duì)動(dòng)植物生長(zhǎng)還有很多負(fù)面影響[1-2]，NOx是造成大氣污染的主要污染源之一。通常所說的氮氧化物NOx有多種不同形式，其中NO和NO2是重要的大氣污染物。我國(guó)氮氧化物的排放量中70%來自于煤炭的直接燃燒，電力工業(yè)又是我國(guó)的燃煤大戶，因此火力發(fā)電廠是NOx排放的主要來源之一。

目前，降低NOx排放主要有兩種措施。一是控制燃燒過程中NOx的生成，即低NOx燃燒技術(shù)；二是對(duì)生成的NOx進(jìn)行處理，即煙氣脫硝技術(shù)。表 1所示為低NOx燃燒技術(shù)和煙氣脫硝技術(shù)對(duì)比[3]。表中：SCR指選擇性催化還原法；SNCR指選擇性非催化還原法；LNB+SNCR指低氮燃燒器選擇性非催化還原法；SNCR/SCR指選擇性非催化還原法和選擇性催化還原法混合技術(shù)。

從表中可看出，低氮燃燒技術(shù)的脫硝效率僅有25%～40%，單靠這種技術(shù)已無法滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)我國(guó)脫硝而言，煙氣脫硝技術(shù)將勢(shì)在必行。世界各國(guó)對(duì)燃煤電廠煙氣、汽車尾氣中的NOx含量制定了嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。越來越多的NOx排放的技術(shù)被應(yīng)用于燃煤電廠的煙氣處理工藝中，其中SCR技術(shù)由于其很高的脫硝率和較好的經(jīng)濟(jì)性而被國(guó)外很多的電廠所采用。隨著我國(guó)的環(huán)保形勢(shì)日益嚴(yán)峻，我國(guó)已開始逐步在大型燃煤電廠安裝SCR脫硝裝置，并且取得了很好的成績(jī)，SCR方法已成為目前國(guó)內(nèi)外電站脫硝比較成熟的主流技術(shù)。

表1 脫硝技術(shù)一般比較

目前越來越多的電廠采用了SCR技術(shù)脫硝控制系統(tǒng)。以正在建設(shè)的某廠為例，說明SCR脫硝系統(tǒng)在燃煤電廠的煙氣處理中控制。脫硝裝置由一家供貨商成套供貨，采用蜂窩式催化劑、還原劑為純氨按鍋爐最大連續(xù)出力工況（BMCR）設(shè)計(jì)，處理100%煙氣量、2層催化劑（共3層，備用1層）條件下脫硝效率不小于80%，氨的逃逸率不大于3 ppm，SO2/SO3轉(zhuǎn)化率小于1%，并且保證脫硝系統(tǒng)能在310～430℃連續(xù)運(yùn)行。

1 SCR脫硝系統(tǒng)

工程為新建機(jī)組，脫硝裝置與鍋爐同步建設(shè)，SCR反應(yīng)器直接布置在省煤器之后空預(yù)器之前的煙道上，脫硝系統(tǒng)按雙煙道、雙SCR反應(yīng)器形式設(shè)計(jì)，單側(cè)煙道反應(yīng)器截面尺寸均按鍋爐50%BMCR工況下煙氣量設(shè)計(jì)，以保證滿足鍋爐各種負(fù)荷工況煙氣量的要求。SCR脫硝系統(tǒng)主要包括以下系統(tǒng)：煙道及SCR反應(yīng)器系統(tǒng)、氨噴射系統(tǒng)、稀釋風(fēng)系統(tǒng)、吹灰系統(tǒng)和氨站系統(tǒng)等。

SCR反應(yīng)器為固定床、與煙氣平行通道、垂直向下布置的形式，并且SCR反應(yīng)器入口設(shè)置氣流均布裝置、入口和出口段分別設(shè)置有導(dǎo)流板。除了已有的催化劑，在脫硝效率下降到要求值前，將安裝附加層催化劑，添加之后，可利用初始催化劑的活性，提高脫硝效率，延長(zhǎng)催化劑的使用壽命。反應(yīng)器支撐在底部鋼架上，包括外殼和內(nèi)部催化劑支撐結(jié)構(gòu)，能耐內(nèi)壓、地震荷載、風(fēng)載、催化劑荷載和熱應(yīng)力。反應(yīng)器外殼有保溫，能支撐整個(gè)荷重，并且是密閉的。內(nèi)部催化劑支撐結(jié)構(gòu)直接支撐催化劑。反應(yīng)器外殼用鋼板制作，外用梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)和支撐。在催化劑底部裝有密封裝置，以防未處理的煙氣泄漏。SCR脫硝裝置能夠在入口煙氣粉塵和NOx濃度為最小值和最大值之間任何點(diǎn)運(yùn)行。

每臺(tái)鍋爐設(shè)置有1套氨稀釋系統(tǒng)，2套氨噴射系統(tǒng)，保證最大氨濃度小于5%，并使氨氣和煙氣混合均勻。系統(tǒng)的容量及配置滿足脫出煙氣中NOx最大值的要求，并留有適當(dāng)?shù)挠嗔俊陌闭舅偷矫撓鯀^(qū)來的氨氣，在混合器中與稀釋風(fēng)機(jī)送出來的空氣均勻混合后，變成含氨濃度小于5%的氨氣混合氣體，在通過噴射系統(tǒng)噴入SCR反應(yīng)器入口煙道，與煙氣在進(jìn)入SCR反應(yīng)器本體之前充分混合，使催化劑均勻發(fā)揮效用。 每臺(tái)爐設(shè)3臺(tái)50%容量的稀釋風(fēng)機(jī)，2臺(tái)運(yùn)行，1臺(tái)備用，設(shè)置有兩套空氣/氨氣混合器以及兩套噴射系統(tǒng)，其中噴射系統(tǒng)設(shè)置有手動(dòng)流量調(diào)節(jié)閥，能根據(jù)煙氣不同的工況進(jìn)行微調(diào)節(jié)，保證NH3/NOx沿?zé)煹澜孛婢鶆蚍植迹赃_(dá)到更好的脫硝效果。

脫硝系統(tǒng)采用“聲波吹灰”吹灰模式，每臺(tái)反應(yīng)器安裝1套聲波吹灰系統(tǒng)，每一層催化劑都設(shè)置聲波吹灰器。吹灰器的數(shù)量和布置能將反應(yīng)器及催化劑中的積灰吹掃干凈，避免因死角而造成催化劑失效導(dǎo)致脫硝效率的下降。

工程采用液氨來制備還原劑。氨站系統(tǒng)包括液氨卸料壓縮機(jī)、儲(chǔ)氨罐、液氨蒸發(fā)槽、氨氣緩沖槽、稀釋風(fēng)機(jī)、混合器、氨氣稀釋槽、廢水泵、廢水池等。液氨的供應(yīng)由液氨槽車運(yùn)送，利用液氨卸料壓縮機(jī)將液氨由槽車輸入儲(chǔ)氨罐內(nèi)，儲(chǔ)槽中的液氨輸送到液氨蒸發(fā)槽內(nèi)蒸發(fā)為氨氣，經(jīng)氨氣緩沖槽來控制一定的壓力及其流量，然后與稀釋空氣在混合器中混合均勻，再送達(dá)脫硝系統(tǒng)。氨氣系統(tǒng)緊急排放的氨氣則排入氨氣稀釋槽中，經(jīng)水的吸收排入廢水池，再經(jīng)由廢水泵送至廢水處理廠處理。液氨儲(chǔ)存及供應(yīng)系統(tǒng)保持系統(tǒng)的嚴(yán)密性防止氨氣的泄漏和氨氣與空氣的混合造成爆炸是最關(guān)鍵的安全問題。基于此方面的考慮，系統(tǒng)的卸料壓縮機(jī)、儲(chǔ)氨罐、氨氣蒸發(fā)槽、氨氣緩沖槽等都備有氮?dú)獯祾吖芫€。在液氨卸料之前通過氮?dú)獯祾吖芫€對(duì)以上設(shè)備分別要進(jìn)行嚴(yán)格的系統(tǒng)嚴(yán)密性檢查和氮?dú)獯祾撸乐拱睔庑孤┖拖到y(tǒng)中殘余的空氣混合造成危險(xiǎn)。

為滿足脫硝系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，在脫硝系統(tǒng)設(shè)置有彩色數(shù)字工業(yè)電視，作為脫硝系統(tǒng)的輔助監(jiān)視系統(tǒng)，對(duì)脫硝系統(tǒng)中的一些重要的主輔設(shè)備實(shí)現(xiàn)全面監(jiān)視。設(shè)置監(jiān)視點(diǎn)：液氨儲(chǔ)存蒸發(fā)區(qū)域、液氨卸車區(qū)域、還原劑制備車間控制室等區(qū)域。

SCR脫硝系統(tǒng)工藝流程見圖1。SCR脫硝系統(tǒng)主要優(yōu)點(diǎn)有：脫硝效率高，無二次污染，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用小，被認(rèn)為是最好的煙氣脫硝技術(shù)。不足之處：建設(shè)投資費(fèi)用大，存在少量NH3的泄漏。

圖1 SCR脫硝系統(tǒng)工藝流程

2 SCR脫硝控制系統(tǒng)

目前電廠脫硝系統(tǒng)的控制大多直接納入機(jī)組DCS系統(tǒng)，脫硝控制系統(tǒng)采用獨(dú)立的冗余DPU。脫硝系統(tǒng)功能包括數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)（DAS）、順序控制系統(tǒng)（SCS）、模擬量控制系統(tǒng)（MCS）。脫硝系統(tǒng)在集中控制室實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控，由機(jī)組DCS的操作員站完成對(duì)其工藝系統(tǒng)的程序啟/停、正常運(yùn)行的監(jiān)視和調(diào)整以及異常與事故工況的處理和故障診斷參數(shù)和設(shè)備的監(jiān)控。

2.1 主要監(jiān)控測(cè)點(diǎn)

SCR系統(tǒng)噴氨流量；SCR系統(tǒng)進(jìn)口煙氣流量；SCR系統(tǒng)出口煙氣NOx；SCR系統(tǒng)進(jìn)、出口溫度；SCR系統(tǒng)進(jìn)、出口煙氣O2；SCR系統(tǒng)進(jìn)口煙氣NOx；SCR系統(tǒng)出口煙氣NH3；SCR系統(tǒng)進(jìn)、出口煙氣差壓；氨罐壓力、溫度、液位；液氨蒸發(fā)器溫度；稀釋風(fēng)機(jī)控制；閥門位置顯示和控制。

2.2 控制原理

SCR煙氣脫硝控制系統(tǒng)利用固定的NH3/NOx摩爾比來提供所需要的氨氣流量，進(jìn)口NOx濃度和煙氣流量和乘積產(chǎn)生NOx流量信號(hào)，此信號(hào)乘以所需NH3/NOx摩爾比就是基本氨氣流量信號(hào)，摩爾比的決定是在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試操作期間來決定并記錄在氨氣流控制系統(tǒng)的程序上。氨噴射流量

式中：GNH3為氨噴射流量，m3/h；GF為鍋爐煙氣流量（干基：m3/h）；GNOx為進(jìn)口 NOx濃度 （實(shí)際氧量基準(zhǔn)下 ppmvd）；MX為摩爾比。

SCR脫硝控制系統(tǒng)根據(jù)計(jì)算出的氨氣流需求信號(hào)去定位氨氣流控制閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)脫硝的自動(dòng)控制。通過在不同負(fù)荷下的對(duì)氨氣流的調(diào)整，找到最佳的噴氨量。氨氣流量可依溫度和壓力修正系數(shù)進(jìn)行修正。脫硝裝置后的煙道中設(shè)有測(cè)量氨逃逸的計(jì)量計(jì)，當(dāng)氨逃逸率大于保護(hù)值或氨氣因?yàn)槟承┻B鎖失效造成噴霧動(dòng)作跳閘，屆時(shí)氨氣流控制閥關(guān)斷。

2.3 主要控制系統(tǒng)

2.3.1 氨供應(yīng)控制系統(tǒng)

通過SCR系統(tǒng)進(jìn)、出口煙道上設(shè)置NOx/O2取樣分析儀、入口溫度、反應(yīng)器出入口壓差、入口煙氣含氧量以及SCR系統(tǒng)出口煙道上設(shè)置NH3逃逸取樣分析儀，信號(hào)全部進(jìn)入機(jī)組DCS進(jìn)行監(jiān)控并計(jì)算排放量。氨供應(yīng)控制系統(tǒng)根據(jù)煙氣側(cè)所獲得的NOx信號(hào)計(jì)算所需氨氣的流量。控制器利用氨氣流量控制所需氨氣，使摩爾比維持固定。氨的供應(yīng)控制系統(tǒng)對(duì)氨流量用溫度和壓力因子進(jìn)行修正。進(jìn)口NOx信號(hào)送入控制器，根據(jù)程序計(jì)算氨流量。用氨流量控制閥控制氨流量，從而控制器能保持出口NOx的濃度值。氨氣供應(yīng)管道上設(shè)有緊急切斷閥，在煙氣溫度低于286℃或者氨氣稀釋比例高于14%時(shí)連鎖切斷氨氣供應(yīng)。

2.3.2 稀釋風(fēng)控制系統(tǒng)

由稀釋風(fēng)機(jī)提供空氣流。氨氣和空氣流設(shè)計(jì)稀釋比最大為5%。稀釋空氣由稀釋風(fēng)機(jī)出口管路引出。稀釋風(fēng)機(jī)提供到混合器中的稀釋空氣流量可用手動(dòng)擋板進(jìn)行控制，一旦設(shè)定好空氣流量，將不再隨鍋爐負(fù)荷進(jìn)行調(diào)節(jié)。根據(jù)氨氣占整個(gè)混合氣體的比例約5%，計(jì)算稀釋空氣的流量。在低負(fù)荷或低NOx值時(shí)，氨氣濃度將低于5%。將空氣流量信號(hào)與氨流量信號(hào)相比得出稀釋比例，以控制在爆炸極限范圍內(nèi)。在混合器上游的氨氣管道上設(shè)有止回閥，防止倒流。

2.3.3 氨氣—空氣混合氣體控制系統(tǒng)

氨氣與稀釋空氣在混合器中混合，然后混合氣體進(jìn)入分配總管，接著進(jìn)入各噴氨支管。每個(gè)支管上都有手動(dòng)節(jié)流閥和流量孔板，以保證混合氣體能均勻地噴入到煙氣中。

2.3.4 吹灰控制系統(tǒng)

吹灰系統(tǒng)采用PLC控制，以通訊方式接入機(jī)組DCS系統(tǒng)，重要的信號(hào)采用硬接線方式，在運(yùn)行過程中，適時(shí)吹灰，防止灰在催化劑內(nèi)沉積，避免發(fā)生堵灰情況。

2.3.5 氨站控制系統(tǒng)

氨站系統(tǒng)為脫硝系統(tǒng)的公用輔助部分，由于氨站的地理位置距離主廠房較遠(yuǎn)，氨站就地設(shè)有遠(yuǎn)程控制站及就地上位機(jī)（用于調(diào)試、檢修），遠(yuǎn)程控制站留有與兩臺(tái)機(jī)組公用DCS的冗余以太網(wǎng)通訊接口。氨站控制系統(tǒng)監(jiān)控內(nèi)容包括還原劑存儲(chǔ)、制備、供應(yīng)系統(tǒng)等。通過自動(dòng)或手動(dòng)的控制方式使氨的供應(yīng)量能滿足鍋爐不同負(fù)荷的要求。另外，氨氣屬于易爆危險(xiǎn)品，因此使用氨氣泄漏檢測(cè)器檢測(cè)氨氣的泄漏，并顯示大氣中氨的濃度。當(dāng)檢測(cè)器測(cè)得大氣中氨濃度過高時(shí)，在機(jī)組控制室會(huì)發(fā)出警報(bào)，操作人員采取必要的措施，以防止氨氣泄漏的異常情況發(fā)生。

2.3.6 SCR煙氣旁路控制系統(tǒng)

工程建設(shè)中擬不設(shè)置SCR煙氣旁路，設(shè)置SCR煙氣旁路的優(yōu)點(diǎn)：如發(fā)生嚴(yán)重堵塞催化劑的情況，煙氣可沿旁路運(yùn)行，避免鍋爐停爐事故，減少運(yùn)行成本；設(shè)置煙氣旁路可有效保護(hù)催化劑，延長(zhǎng)催化劑壽命，減少運(yùn)行成本。在鍋爐啟動(dòng)過程中，機(jī)組負(fù)荷和煙氣溫度都沒有穩(wěn)定的情況下，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷和煙氣溫度穩(wěn)定后，打開脫硝擋板門并逐漸關(guān)閉旁路擋板門，保證催化溫升不超過溫升極限。不設(shè)置SCR煙氣旁路的優(yōu)點(diǎn)：脫硝設(shè)備投運(yùn)率高；項(xiàng)目初期投資費(fèi)用減少。如不設(shè)置SCR煙氣旁路，就要對(duì)一些特殊情況采取相應(yīng)的對(duì)策，例如避免鍋爐啟動(dòng)和低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)煙氣結(jié)露、催化劑燒結(jié)、啟動(dòng)時(shí)油的沾污等相應(yīng)措施，以延長(zhǎng)催化劑的使用壽命，防止催化劑的快速失活或者催化劑嚴(yán)重堵塞等惡性事故的發(fā)生，確保脫硝設(shè)備安全、經(jīng)濟(jì)和穩(wěn)定運(yùn)行。

3 結(jié)語

隨著SCR脫硝技術(shù)的發(fā)展，燃煤電廠的煙氣處理工藝中越來越多采用SCR脫硝技術(shù)，SCR脫硝方法脫硝效率高，NOx的脫除率可達(dá)到80%～90%且運(yùn)行穩(wěn)定，在歐洲、日本已有相當(dāng)多的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，美國(guó)政府也將SCR技術(shù)作為主要的電廠控制NOx技術(shù)，SCR方法已成為目前國(guó)內(nèi)外燃煤電廠脫硝比較成熟的主流技術(shù)。