脫硝CEMS超低排放運行后常見問題及改進措施探討

樓杰力

（浙江興源投資有限公司，杭州 310006）

0 引言

環境保護日益成為社會關注的焦點，作為煙氣污染物排放的大戶，火電企業也承受著來自社會的壓力，作為踐行社會責任的國有企業，為將污染物NOX排放控制在國家規定的范圍內,嘉興電廠自2011年起至2013年底完成了所有機組的脫硝改造。

嘉興三期超低排放采用低氮燃燒器＋SCR技術進行脫硝，煙氣在經過管式GGH降溫段后進入低低溫靜電除塵器，之后進入雙托盤吸收塔＋吸收塔新型增效裝置脫除氮氧化物、煙塵和二氧化硫，然后煙氣進入濕式電除塵器，最后經過管式GGH升溫段后由煙囪排入大氣。

脫硝系統超低排放的主要改造內容為：

1）低氮燃燒器燃燒調整

在不同負荷下通過調整鍋爐二次風量、一次風量、周界風風門開度、燃盡風風門開度及組合方式、二次風配風方式、煤粉細度等參數，密切觀察SCR入口煙溫及NOx含量，盡量降低SCR入口處NOx含量。本調整試驗要求在50%THA以上負荷保證SCR入口NOx濃度不大于250mg/Nm3（干基，6%O2，下同）；在35%BMCR～50%THA負荷下SCR入口NOx濃度盡可能低。同時要求在各負荷下的燃燒調整對鍋爐效率不會有較大影響[2]。

2）SCR脫硝裝置改造

經低氮燃燒系統調整后，鍋爐出口NOx濃度可控制在250mg/Nm3左右，考慮一定的裕量，SCR脫硝裝置按入口NOx濃度300mg/Nm3設計，設計脫硝效率為85%。SCR出口NOx濃度為45mg/Nm3。改造后保留了原有兩層催化劑，在第三層預留層上加裝新的催化劑，并在第三層催化劑上部增設聲波吹灰器。

圖1 SCR出口NOx與煙囪排煙NOx比較Fig.1 SCR outlet NOx compared with NOx exhaust chimney

圖2 調整后SCR出口NOX與煙囪排煙NOX對照Fig.2 After the adjustment of export SCR NOX and stack NOX control

脫硝系統的熱控設備主要是脫硝煙氣排放連續監測系統,簡稱脫硝CEMS。在本公司脫硝系統中的主要作用是實時采集鍋爐煙氣中NOX含量，為自動控制系統計算脫硝還原劑NH3的供給量提供參數。

1 脫硝系統CEMS存在的問題

煙氣超低排放改造后脫硝系統煙氣具有溫度高、含塵量大、腐蝕性強、流場分布不均、噴氨格柵調整不到位等問題，直接導致CEMS測量準確性和可靠性不高[3]。具體存在以下問題：

1）NOX、O2由于流場分布不均導致測量代表性不夠，進而導致脫硝效率虛高或虛低，噴氨量過大或過小，SCR出口與煙囪排放口NOX偏差大。

2）脫硝效率波動大、脫硝控制品質差。

3）脫硝CEMS系統預處理部分可靠性不高。

2 改進措施

2.1 SCR出口與煙囪排煙NOX偏差大原因及改進措施

超低排放改造脫硝系統運行后，發現SCR出口NOx平均值與煙囪排煙NOx偏差較大，如圖1所示。

原設計SCR進出口脫硝采樣探頭安裝在相應煙道中部，取樣代表性較差，為了掌握SCR反應器進出口NOx濃度分布情況，通過網格法進行試驗，從試驗結果分析認為：SCR反應器入口NOX濃度分布比較均勻，偏差較小。SCR反應器出口NOX濃度分布均勻性較差，出口NOX濃度延寬度和深度方向有較大變化，且局部存在NOX濃度較低的點。出口濃度分布均勻性差，除了煙氣流場不穩定外，噴氨的不均勻性是主要原因。

圖3 SCR原控制策略邏輯框圖Fig.3 The original control strategy of the SCR logic diagram

圖4 測量回路中引入慣性環節Fig.4 Introduction of inertial link in measuring circuit

目前，通過采用插入式的旁路取樣管方式實現多點取樣。從SCR出口煙道分別引出兩路旁路取樣管至空預器出口煙道，利用煙道之間的差壓實現旁路管道的煙氣流動，將煙氣分析系統的取樣探頭測點布置在煙道外部的旁路取樣管上。旁路管插入煙道部分，貫穿整個煙道截面，在管道上每隔一段距離開取樣孔，在煙道壁處匯成一路，以求在一定程度上保證煙氣的混合均勻，提高代表性。改造后效果有了明顯好轉，如圖2所示。

2.2 脫硝效率波動大、脫硝控制品質差原因分析及改進措施

原DCS系統控制回路用固定摩爾比和PID控制相結合的控制方式，邏輯框圖如圖3所示。

因為CEMS儀表為抽取式采樣，采樣過程有純延遲環節，延遲的時間取決于CEMS儀表的安裝位置和抽取速度，而入口與出口延遲時間很可能不同，也就是說在計算脫硝效率時用的出入口NOX濃度不是同一時刻的濃度。這種時差計算時（入口超前于出口）會給效率帶來升降方向性錯誤，這種錯誤會在入口NOX變化時會引起進氨調門的反調。所以需要在出口或入口（其中之一，并不是入口一定超前于出口）NOX濃度上加上延遲環節，用以校正同步。在脫硝效率計算加入延遲環節后，并不能完全解決這種反調，這時需要在煙氣量換算NOX含量時乘以入口NOX濃度，有的控制并沒有把入口NOX濃度乘進去，認為入口NOX濃度并不會劇烈變化，實際不然，尤其是在進行了低氮燃燒器改造的鍋爐中，有時負荷稍有變化（升降5MW負荷），爐內工況產生波動，入口的NOX變化十分劇烈，兩側產生巨大偏差，可能會從300mg/m3直接變化為100mg/m3,對脫硝效率控制產生巨大擾動[3]。

工況變化時，入口NOX濃度經常會產生劇烈變化，效率計算值產生大幅波動，在主調控制器的作用下，進氨調門會產生大幅的波動，甚至全開全關的振蕩，為了避免這種振蕩產生，在副調PID處對調門進行了限幅。

在用主調控制器輸出修正需氨量時，有的控制方式用的是加法器 ，而不是乘法器 ，這在當入口NOX濃度變化時，會改變修正后需氨量，但并沒有成比例的對其改變，理論上并不能完全保證脫硝效率不變，不如乘法器效果好。

采用上述修改后，脫硝效率基本上控制在設定值附近正負3的范圍內，滿足控制要求。另外需要注意的是：噴氨控制策略多為串級控制，內回路被控量為進氨質量流量，因此氨氣質量流量的準確性成為左右控制效果的重要因素。在現場所用的氨氣流量計多為渦街流量計或質量流量計。渦街流量計測量的是體積流量，需要注意修正環節的影響。

同時脫硝探頭反吹期間的數據問題，實際使用中發現氣路吹掃后，抽取正常的煙氣時，由于管內殘存的常溫壓縮空氣影響，儀表指示恢復到正常值時有一個較長時間的恢復過程[5]。由于探頭反吹必不可少，目前能采取的措施改造樣儀用空氣的吹掃管路，將壓縮空氣管路直接至就地探頭處并加熱，由就地電磁閥定期切換吹掃，縮短吹掃氣路長度，就可以大大縮短測量參數的周期變化；調整取樣探頭的壓縮空氣吹掃周期，目前設置為1次/1h較為合適。同時盡量設置保證進出口同時反吹，減少反吹影響的時間，加大探頭取樣腔體體積及相關設備，滿足分析儀表的要求。

2.3 脫硝預處理系統故障原因分析及改進措施。

煙氣自采樣探頭被抽取，經過預處理系統：過濾、伴熱傳輸、冷凝除水、濕度檢測等過程對氣體進行預處理，最后進入分析儀，由分析儀測量出煙氣中污染物NOX的含量并送往DCS。

超低排放改造后，脫硝CEMS發生故障主要是脫硝采樣器暴露出問題較多，特別是在該系統投運之初，由于脫硝CEMS系統的故障率較高，嚴重影響了整套脫硝系統的自動投入率和安全運行，后幾經分析和調研，并逐一改進，故障發生率穩步下降，取得了明顯的效果。

圖5 氣動閥O形圈劣化和洗氨瓶故障示意圖Fig.5 Pneumatic valve O-ring failure schematic degradation and ammonia bottle wash

氨法脫硝的工況是高溫、高粉塵、強腐蝕環境，如果溫度小于230℃的情況下NH3和SO2，SO3等酸性氣體會發生化學反應生成銨鹽，銨鹽是粘性物質在短時間內會和粉塵堵塞過濾芯和加熱采樣器。采樣器采用可調節溫度控制器，溫度控制在280℃±10%，采樣管和濾芯等部件采用耐高溫的材料制造。采樣器的樣氣出口緊連一個銨鹽清洗瓶內有特制的填充物以擴大樣氣接觸面積，銨鹽沉積物質會被冷凝液清洗掉。蠕動泵將溶解銨鹽的冷凝液體排出。清洗瓶的樣氣出口需要接加熱采樣器。煙氣采樣器通過連接法蘭、密封圈可靠地連接在采樣點上。

預處理系統主要問題如下：

1）氣動閥（PR）O型圈劣化

脫硝采樣器中的氣動閥在采樣和吹掃時起著重要的控制作用，這一部件的好壞直接影響CEMS數據的準確性。由于氣動閥安裝位置靠近探頭腔室，所處環境溫度高，容易導致氣動閥內的O型圈劣化，損壞其氣密性。改進措施有：改善安裝位置，采購質量更好的采樣探頭，制定合理的檢查更換周期。

2）洗氨瓶故障

首先，脫硝CEMS采樣器洗氨瓶中的濾珠要求每半年更換一次，保持清洗瓶的過濾能力。其次，洗氨瓶的進口接頭容易產生漏氣和堵塞。漏氣主要是由于接頭材料配置不合理引起，塑料材質的母螺紋容易產生變形；堵塞主要是由于接口內徑太細，接頭連接處容易產生灰塵和水滴堆積，產生腐蝕，最終導致堵塞[5]，如圖5所示。

改進措施：制定合理的更換周期，選用內徑較大的接頭，防止系統堵塞。

3）蠕動泵故障

現在脫硝CEMS采樣器使用的蠕動泵的故障主要表現在以下3個方面：①蠕動泵接頭由于松動產生漏氣。②蠕動泵排液管老化。③蠕動泵電機燒壞，導致排水故障。

改進措施有：增加一套蠕動排水裝置，增加水吸附收集裝置，保證系統管路排水通暢。設定合理的定檢周期，保證易耗件的有效更換。

4）密封墊片老化

脫硝CEMS采樣器為了保持其密封性，在其探桿連接處和濾芯兩端以及采樣腔頂蓋都使用了密封墊片。由于整個探頭工作溫度達到280℃，密封墊片由于受材質影響，長時間使用容易產生老化和破損，最終導致密封性變差，產生漏氣。改進措施有制定更換周期，定期更換。

5）過濾裝置堵塞

脫硝CEMS采樣器安裝于電除塵之前，煙氣含塵量較高，取樣探頭內腔室或取樣探桿容易發生堵塞，這種情況在脫硝CEMS投運之初經常發生，后經過以下3項改進措施，過濾裝置發生堵塞的概率大大降低。

改進措施有：換陶瓷過濾器，擴大取樣探頭內腔室空間，利于排灰；加一組探頭加熱絲，提高探頭加熱溫度；調整吹灰周期，縮短吹灰周期到50min左右。

3 結束語

燃煤機組煙氣超低排放改造完成后，通過對SCR進出口流場的測試、并采用多點取樣旁路管的方式提高了測點的取樣代表性，在一定程度上減少了SCR出口與煙囪排放口NOX的數值偏差；通過對噴氨流量逃逸率的測量提高了氨氣逃逸率的正確性，對供氨調節控制回路的改進及協調控制策略的優化后，排煙出口NOX基本能全時段控制在50mg/Nm3以下，為燃煤發電機組清潔化排放開辟了新的途徑，對保障中國燃煤機組環保工作提供了重要的戰略指導。

[1]GB13223-2011 火電廠大氣污染物排放標準[S].

[2]李肇全.工業脫硫脫硝技術[M].北京:化學工業出版社,2014.

[3]山東電力建設第二工程公司.火電廠脫硫與脫硝實用技術手冊[M].北京:中國水利水電出版社,2014.

[4]朱全利.超超臨界機組鍋爐設備及系統[M].北京:化學工業出版社,2008.

[5]鐘秦.燃煤煙氣脫硫脫硝技術及工程實例[M].北京:化學工業出版社,2002.