SCR脫硝系統(tǒng)運行優(yōu)化

Operation Optimization of Denitration System in SCR

上海電力股份公司 徐亦淳上海上電漕涇發(fā)電有限公司 胡震，馬建華

SCR脫硝系統(tǒng)運行優(yōu)化

Operation Optimization of Denitration System in SCR

上海電力股份公司 徐亦淳上海上電漕涇發(fā)電有限公司 胡震，馬建華

SCR脫硝裝置在設計階段雖然進行了流場優(yōu)化設計，以保證SCR入口截面煙氣流速和NOx分布的均勻。但往往由于現(xiàn)場空間限制和安裝因素影響，實際運行中SCR入口截面NOx分布偏差較大，經常達到20%以上，為保證排放NOx濃度和脫硝效率，部分區(qū)域氨過剩，反應器出口氨逃逸超出限值。這就提出了“等摩爾比噴氨”優(yōu)化的理念，“SCR脫硝優(yōu)化運行系統(tǒng)”就是基于此理論基礎上，開發(fā)的SCR AIG噴氨格柵在線優(yōu)化系統(tǒng)。系統(tǒng)根據機組運行的實際情況，分析截面分布圖和變化趨勢，可以有計劃、有步驟地控制不同區(qū)域的噴氨量，實現(xiàn)不同區(qū)域不同的NH3/NOx摩爾比，從而充分發(fā)揮有限體積的催化劑的性能，在氨逃逸率較小前提下，實現(xiàn)較高的脫硝效率。

在線優(yōu)化控制；等摩爾比噴氨；氨逃逸；虛擬測量

根據國家環(huán)境保護部和國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局在2011年7月29日聯(lián)合發(fā)布的《火電廠大氣污染物排放標準GB13223-2011》的精神，要求燃煤電廠氮氧化物排放限值由200mg/Nm3調整為100mg/ Nm3。當今降低NOx的污染主要有兩種措施: 一是控制燃燒過程中NOx的生成，即低NOx燃燒技術，亦稱一級低氮技術；二是對生成的NOx進行處理，即煙氣脫硝技術，亦稱二級脫氮技術。

如果要達到新頒布的排放要求，僅采用一級低氮技術是不夠的，因此目前電廠均加裝了二級脫氮技術的SCR設備。SCR是脫硝效率最高、最為成熟的脫硝技術，該技術在日本、歐洲、美國得到廣泛應用，已成為目前國內外電站脫硝比較成熟的主流技術。但如果過度使用SCR技術來脫硝，會造成氨逃逸，逃逸的氨與煙氣中的SO3反應，形成硫酸氫銨，其凝結點高于通過空預器冷卻后的煙氣溫度，冷卻后的硫酸氫銨像瀝青一般，非常粘稠，它與煙氣中的粉塵結合會造成空預器堵塞或腐蝕，引起機組效率降低和/或出力下降，嚴重的話還會造成機組的非計劃停役。另外，氨逃逸還會形成二次污染，在美國把其稱之為“Blue Plume（藍羽毛）”，會造成耕田土壤的板結。

因此有必要對SCR的運行進行優(yōu)化控制并深入研究，確保SCR的安全穩(wěn)定運行及電廠利潤最大化。

1 設備簡介

漕涇電廠1號爐配有上海電氣石川島電站環(huán)保工程有限公司提供的煙氣脫硝系統(tǒng)（SCR），采用選擇性催化還原脫硝法（SCR），還原劑采用液氨。脫硝系統(tǒng)按單煙道單SCR反應器形式設計，SCR反應器尺寸為26.44m（W）×15.20m（D）×12.0m（H）, 最大允許煙氣溫度為420℃，設計壓力±8700Pa。SCR反應器設計成煙氣豎直向下流動，反應器進出口段合理設置導流板，入口處設氣流均布整流裝置，以保證催化劑對煙氣分布、溫度分布等的要求。

在SCR反應器入口布置有3×8個噴氨小室，每個噴氨小室有一個“氨”噴入嘴，每個噴嘴原來設計有一個手動門控制，如圖1所示。

2 SCR脫硝優(yōu)化運行思路

結合目前SCR設備實際運行情況，對SCR的噴氨格柵門進行在線優(yōu)化控制，嚴格監(jiān)控氨逃逸及確保SCR運行在其最佳效率區(qū)。

當前脫硝效率是衡量SCR裝置性能的重要指標，它與SCR裝置的造價成本等密切相關。SCR煙氣脫硝系統(tǒng)設計的脫硝效率一般要求為80%~85%，這對系統(tǒng)設計提出了很高的要求。制約脫硝效率的因素有：

（1）最大允許氨逃逸率 (低于3×10-6ppm)；

圖1 上海上電漕涇發(fā)電有限公司1號鍋爐SCR布置圖

（2）SCR反應器入口煙氣流的分布狀態(tài)。SCR反應器入口煙氣流的分布狀態(tài)需要通過合理的煙道設計來調整；

（3）NOx/ NH3混合效果。NOx/NH3混合效果是這三個因素中最難克服的問題。

有試驗數據為證，氨逃逸率與NOx/NH3混合效果有著密切的關聯(lián)，氨的分布對SCR系統(tǒng)運行的最佳性能非常重要。煙氣流在煙道內很難做到理想均勻分布，而且其分布特性會隨著鍋爐負荷、磨煤機組合等因素發(fā)生變化。如果采用目前常規(guī)的均衡AIG噴氨格柵的方法，就會造成NOx/NH3混合效果下降，會導致氨逃逸率升高；相反，會導致反應區(qū)域脫硝效果差。

當脫硝效率較高時，如氨分布稍有不均，就會出現(xiàn)局部逃逸峰值和較高的逃逸平均值。如要求氨逃逸平均值必須保持在3×10-6ppm以內，那么應經常更換催化劑。實際上，即使分布不均程度較輕，氨逃逸峰值也足以引發(fā)問題。這是因為脫硝效率較高時，如果系統(tǒng)沒有調節(jié)氨分布不均的能力，當部分煙氣含氨量超過NOx反應量時，多余的氨流經系統(tǒng)時就會逃逸。

氨逃逸率值由于在10-6ppm等級內，且與安裝位置有著緊密的關系，因此一直是一個較難在線測量的值。目前的技術只能較為正確反映氨逃逸率的變化趨勢，而且電廠一般只配備兩套氨逃逸率測量裝置，因此只能得到氨逃逸率的均值，并不能具體真實反映具體氨逃逸率的分布狀況。

我們通過離線人工網格法，在各個負荷段和磨煤機的組合下測量氨逃逸率的情況，然后通過OPTC-Sensor建立在線數學模型，再用電廠現(xiàn)有的在線氨逃逸表計值進行修正，得出氨逃逸煙道內在線分布值表單。

在此基礎上，根據氨逃逸率在不同空間位置的分布情況，采用矩陣控制理念，進行有計劃、有步驟地控制不同區(qū)域的噴氨量，實現(xiàn)不同區(qū)域不同的NOx/NH3配比，達到實現(xiàn)高效率、低成本運行脫硝（SCR）的優(yōu)化目的。

3 鍋爐燃燒與脫硝運行綜合優(yōu)化項目實施情況

2013年5～6月，利用1號機組檢修時間，我們完成了DCS邏輯的修改，優(yōu)化控制器同DCS的通訊，所有硬件的安裝改造，如加裝SCR噴氨格柵遠程控制氣動調門及手動隔絕門的改造。

至此，老砍頭身份浮出水面，他是個隱匿于市井的刺客。他不是什么活兒都接的，只有最棘手的事，才會找上他。他接活兒，不跟對方見面，也不用書信。他去米店買米，對方有什么事，都寫在米粒上，混在一麻袋米里面。老砍頭把一袋米運回家，找出有字的米，看完了，就把它和其他米混在一塊上鍋煮，等煮成熟飯，就什么痕跡也找不著了。吃完米飯，他就對家人說要做生意去了，實則是殺人去了。

2013年8~11月期間，由西安熱工院和上海明華電力技術工程有限公司一起完成了100%、70%、45%機組負荷下，脫硝系統(tǒng)（SCR）分區(qū)試驗，用網格法對SCR的脫硝效率、氨逃逸率等進行測試和調整試驗，為建立脫硝優(yōu)化運行模型和氨逃逸虛擬測量模型提供原始數據。

如圖2所示，在額定工況（1000MW）下， SCR入口NOx修正到6%O2為252mg/Nm3；在70%（700MW）負荷下，SCR入口NOx修正到6%O2為317mg/Nm3；在45%（450MW）負荷下，SCR入口NOx修正到6%O2為405mg/Nm3。

圖2 SCR入口NOx濃度分布圖

保持SCR反應器入口AIG噴氨格柵門均在原始設定值75%開度下，如圖3所示，在額定工況（1000MW）下， SCR出口NOx修正到6%O2為48mg/Nm3，分布的標準偏差為18.7%；在70%（700MW）負荷下，SCR出口NOx修正到6%O2為62mg/Nm3，分布的標準偏差為28.6%；在45%（450MW）負荷下，SCR出口NOx修正到6%O2為79mg/Nm3，分布的標準偏差為29.2%。脫硝效率均在80%。

如圖4所示，在額定工況（1000MW）下，SCR出口氨逃逸（NH3）為3.0ppm，分布的標準偏差為1.55%；在70%（700MW）負荷下，SCR出口氨逃逸（NH3）為0.36ppm，分布的標準偏差為0.23%；在45%（450MW）負荷下，SCR出口氨逃逸（NH3）為0.20ppm，分布的標準偏差為0.07%。

從上述SCR試驗可看出，SCR入口NOx的分布并未如想象得那么均衡，相對偏差在高負荷時，達到了39%，如果采用目前常用的均衡AIG噴氨（保持75%）開度，在SCR出口，NOx的分布會偏差較大，造成局部NOx的超標，及某些區(qū)域氨逃逸（NH3）偏高。并且我們從實驗的數據中不難看出，SCR入口NOx會隨著負荷的變化，其分布情況會也發(fā)生較大的變化。

圖3 SCR出口NOx濃度分布圖

圖4 SCR出口NH3濃度分布圖

表1 SCR 24個格柵門粗調設定值

圖5 粗調后SCR入口NOx濃度分布圖

圖6 粗調后SCR出口NOx濃度分布圖

圖7 粗調后SCR出口NH3濃度分布圖

眾所周知，氨的分布對SCR系統(tǒng)運行的最佳性能非常重要，氨/氮比分布不均會造成SCR系統(tǒng)性能變差，并且導致催化劑活性降低。如果氨/氮比在煙氣中分布不合理，即某些區(qū)域過量，會導致氨逃逸率升高；相反，會導致反應區(qū)域脫硝效果差。為此對SCR反應器入口AIG噴氨格柵門的優(yōu)化調整是十分必要的。

采用有限體積法對SCR反應器及其連接煙道內的流體流動及氨擴散過程進行數值模擬，揭示其內部流動規(guī)律并求得定性分析結果，然后結合現(xiàn)場測試結果，對SCR的AIG格柵門進行初步優(yōu)化調整。具體對24個格柵門在高（1000MW）、中（700MW）和低（450MW）負荷下的設定如表1所示。

從實驗結果不難看出，經鍋爐低氮燃燒在線優(yōu)化控制后，在各負荷段下，SCR入口處NOx的濃度場分布有了極大的改善，平均分布的標準偏差為15%。

在額定工況（1000MW）下，SCR出口NOx修正到6%O2為75mg/Nm3，分布的標準偏差為24%；在70%（700MW）負荷下，SCR出口NOx修正到6%O2為47mg/Nm3，分布的標準偏差為15%；在45%（450MW）負荷下，SCR出口NOx修正到6%O2為60 mg/ Nm3，分布的標準偏差為21%。脫硝效率均在80%。

如圖7所示，在額定工況（1000MW）下，SCR出口氨逃逸（NH3）為0.58ppm，分布的標準偏差為0.48%；在70%（700MW）負荷下，SCR出口氨逃逸（NH3）為0.30ppm，分布的標準偏差為0.18%；在45%（450MW）負荷下，SCR出口氨逃逸（NH3）為0.17ppm，分布的標準偏差為0.08%。

然后通過基于現(xiàn)代控制論基礎上的控制系統(tǒng)采用先進的數據處理算法和人工智能算法，分析煙氣截面氣分布變化的同時，結合機組運行數據通過數據積累最終得到不同工況、不同煤種情況下的煙氣分布模型，虛擬測量系統(tǒng)將不斷修正煙氣流場模型以保證模型數據的精度，來保證各噴氨小室的NH3/NOx摩爾比精確控制，實現(xiàn)SCR AIG噴氨在線優(yōu)化控制。

2014年3月11日~12日，我們邀請西安熱工院對“1號機組鍋爐燃燒與脫硝綜合優(yōu)化項目” 進行了考核試驗，并詳細繪制了不同脫硝效率下的SCR入/出口NOx和NH3濃度分布圖。

2014年3月11日，在額定工況（1000MW）下，保證SCR出口NOx平均濃度（44mg/Nm3@6%O2）與2013年8月21~22日（48mg/ Nm3@6%O2）基本一致的情況下進行的考核試驗，如圖8所示。

圖8 在額定工況（1000 MW）下試驗1 - SCR入出口NOx及NH3分布圖

2014年3月12日，在額定工況（1000MW）下，保證SCR脫硝平均效率（83.95%）與2013年8月21~22日（80.95%）基本一致的情況下進行了進一步的考核試驗，如圖9所示。

圖9 在額定工況（1000 MW）下試驗2 - SCR入出口NOx及NH3分布圖

綜合上述試驗，當采用“離線人工網格法”模型對SCR噴氨格柵門進行在線優(yōu)化控制，實現(xiàn)SCR各小室的“等摩爾” 噴氨后，結合鍋爐低氮燃燒的在線優(yōu)化，可有效保證SCR出口的NOx濃度的分布偏差（≤12%）。這樣既可在保證國家的排放指標內，降低噴氨量，也可在確保氨逃逸在可控范圍內最低限的前提下，提高SCR脫硝效率，大幅度降低SCR出口的NOx排放。

4 鍋爐燃燒與脫硝運行綜合優(yōu)化系統(tǒng)收益分析及結論

根據西安熱工院的“鍋爐燃燒與脫硝運行綜合優(yōu)化摸底試驗”和目前調試和試運行的初步數據分析，預計低氮燃燒和脫硝運行優(yōu)化兩者合計可節(jié)省SCR的噴氨量約12%左右。上電漕涇電廠2013年SCR總用氨量2410噸，即單臺機組的用氨量約為1205噸，上海地區(qū)氨的采購價3500元/噸，預計直接可節(jié)省氨的費用為：1205噸×3500元/噸×12%≈50.6萬元。

系統(tǒng)運行后將有效降低NH3逃逸量，降低空預器的維護成本，這項大概也能獲得20萬元/年的收益左右。優(yōu)化SCR噴氨運行方式后，預計可延長催化劑使用年限5%，按漕涇電廠一層催化劑費用1500萬元、每4~5年三層催化劑更換一遍計算，每年節(jié)省催化劑費用約60萬元。圖10為“中德技術合作火電廠SCR煙氣脫硝裝置的優(yōu)化和性能試驗示范”中展示的在SCR出口NOx分布的相對標準偏差與催化劑壽命的關系。

圖10 不同脫硝率時NOx濃度的不均勻對催化劑壽命的影響

[1] 潘棟, 牛國平, 丁嘉毅. 火電廠SCR脫硝裝置氨逃逸測試方法對比研究[J].中國電力, 2014, 47 (9) : 149 - 152.

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During the SCR design, in order to ensure the flue gas velocity and distribution of NOx at SCR inlet section, the SCR should be designed optimally about flue gas flow field. However, due to space limitations on site and installation quality, the distribution deviation of NOx at the SCR inlet is usually large, even more than 20%. Operator often injects more NH3 to control NOx emissions and De-NOx efficiency. However, it will be charged the some areas of ammonia slip over limitation at the outlet of SCR. The "Equi-molar ratio of ammonia injection" optimization concept is therefore proposed. Based on this theory, the "SCR optimal operation of the system" is developed, and the SCR AIG ammonia injection grid online optimization system is therefore implemented. According to the actual situation of the SCR, the system can achieve the planned and systematic control for the ammonia spray in different regions by analyzing the grid distribution and trends. The SCR performance can achieve high removal efficiency to maximize the finite volume of catalyst in the minimum for the rate of ammonia escape.

On-line optimization control; Equi-molar ratio of ammonia injection; Ammonia slip; The virtual measurement

徐亦淳（1979-），男，上海人，工程師，本科，現(xiàn)就職于上海電力股份有限公司，從事發(fā)電技術節(jié)能管理工作。