某廠SCR脫硝噴氨自動優化

劉江維

（貴州鴨溪發電有限公司，貴州遵義563108）

0 引言

氮氧化物是大氣主要污染物之一，通常所說的氮氧化物有多種不同形式，其中NO和NO2所占比例最大。研究表明，煤炭等化石燃料在高溫燃燒過程中會產生大量的NOx，火力發電機組在生產過程中排放的廢氣是NOx的主要來源之一。近年來，隨著環保要求的日益提高，低NOx燃燒技術已經無法滿足排放要求，環境污染問題已經成為火電行業發展的一個制約因素。在此背景之下，鴨溪電廠4×300 MW燃煤發電機組于2013年中開始建設液氨SCR脫硝系統，全部工程于2014年底完工。系統投運之初，由于較為嚴格的環保指標要求以及運維經驗的不足，經常出現過量噴氨，日積月累，造成了空預器堵塞、尾部煙道腐蝕等后果，既不經濟（液氨市場價已近3 000元/t）又影響機組安全運行。

基于以上現狀，公司成立專項小組，決定對脫硝噴氨自動進行全面優化。經過長期對脫硝出口的濃度趨勢分析和對過往運維經驗的總結得出：（1）目前單回路的自動控制方式無法滿足脫硝出口濃度控制要求；（2）由于鍋爐負荷的變化、燃燒不穩，CEMS自動吹掃、測量不準（或不具備代表性）等因素帶來的擾動不易克服且頻次較多；（3）濃度控制系統本身延遲較大，氨和氮的化學反應時間及取樣分析遲滯也對自控品質造成了較大的影響。

1 控制原理說明

脫硝噴氨自動主流的控制策略有兩種，一種是固定摩爾比，即控制脫硝效率，這種方式在入口濃度變化很大時，無法有效將出口NOx濃度控制在限值范圍之內，不能完全滿足本地環保要求，在此就不贅述；另一種方式是固定出口濃度控制，即將出口NOx濃度控制在限值范圍之內，這種方式既能滿足當地環保要求，又可以減少氨耗量，有效控制脫硝運行成本。

SCR法脫硝是將氨類還原劑噴入煙氣中，利用催化劑將煙氣中的NOx轉化為N2和H2O。由于NOx主要是以NO和NO2的形式存在（其中NO約占總量的95%），SCR法的主要化學方程式為：

根據上面兩式可以得出SCR脫硝化學反應中NH3和NOx的摩爾比值為：K=1/1×95%+2/1×5%=105/100。考慮到化學反應的不完全充分性，其比值K取約數1，即1 mol的NH3和1 mol的NOx進行反應（實踐中通過經驗修正可以得到更為精確的比值K）。

通過以上分析，可以建立如下自控模型：出口NOx濃度設定和入口濃度（折算后）的差值與煙氣流量的乘積，可以看作是需要脫除的NOx流量信號；出口NOx濃度的過程值（折算值）和出口濃度設定值進行比較，修正噴氨調門的輸出值來調節噴氨流量。由此可得到一個類似于串級控制的數學模型，其邏輯框圖如圖1所示。

圖1 邏輯框圖

2 現場優化改進

上述控制策略在DCS組態運行一段時間，經觀察，雖然噴氨自動效果得到了一定改善，但還是存在一些問題，無法達到理想的控制效果。經過不斷的分析、總結和嘗試，對自控系統做出如下改進：

（1）為了克服CEMS取樣測點反吹帶來的擾動，將原來的反吹頻次由每2 h/次改為每4 h/次，同時設置儀表反吹保持功能并同步到DCS濃度測量邏輯上，即：反吹時濃度保持在反吹前一刻，至反吹完畢后恢復實際測量。另外，在保證反吹效果的同時盡量縮短反吹時間，有效地減小了反吹對自動的影響。

（2）為了克服負荷變化、燃燒變化、濃度變化等擾動以及由于取樣分析延遲造成的遲滯，將負荷根據運行經驗折算成流量與實際檢測的流量進行加權處理，既能減小流量測量波動帶來的干擾，又可作為一個前饋信號輸入；通過比較鍋爐排煙溫度與入口濃度的關系，尋找合適的溫度信號作為前饋等手段讓調門動作具有“預見性”；同時，為縮短取樣分析時間，在滿足工藝的前提下對CEMS取樣管路進行了最大限度地縮短，并適當調節采樣流速來克服因取樣分析過程造成的系統延遲。

（3）針對入口濃度單點測量不具備代表性，在脫硝每側入口煙道增加取樣測點并進行混合，以提升抽取測量的代表性；加強對CEMS的巡檢（每天兩次）和對濃度、流量等表計的維護，確保測量準確可靠。

3 取得的效果

（1）自控品質提升。

穩態時，從CEMS監測日報可以看出：出口NOx濃度參數平穩且趨近于設定值（濃度控制在設定值±10 mg/Nm3之間）。

擾動時，根據DCS歷史趨勢顯示，當系統出現擾動后能在2～3個周期之內調整回來，趨近于設定值，如圖2所示。

（2）基于自控品質的提升，除設備異常外，投入自動時可以確保不發生NOx均值超標情況，從一定程度上解放了運行人員，降低了勞動強度。

圖2 DCS歷史趨勢圖

（3）項目實施完成后，脫硝運行經濟性得到顯著提升：2015年全年電能產品56.88億kW·h，脫硝氨耗0.852 g/kW·h；2016年全年電能產品43.06億kW·h，脫硝氨耗0.775 g/kW·h，脫硝氨耗有明顯的下降。按年發電量50億kW·h核算，可節約液氨成本50×108×（0.852-0.775）×10-6×3 000=1 155 000元。

（4）過量噴氨的危害是在反應過程中生成硫酸銨或硫酸氫銨，并在下游設備沉淀，導致腐蝕，存在安全隱患，但無法定量分析；本項目實施完成后，還未發生過因過量噴氨造成空預器堵塞、尾部煙道腐蝕的情況。

（5）確保粉煤灰的品質。過量噴氨會增加飛灰中的NH3化合物，改變飛灰品質，當含量大于80 mg/kg就會影響飛灰的銷售和利用。

4 結語

SCR脫硝噴氨自動優化是對脫硝運維的摸索和總結，我們利用脫硝化學反應物料平衡的原理，綜合考慮并確定了NH3和NOx的摩爾比，結合傳統的偏差控制，來建立模型；將流量測量結合機組負荷（指令）來確定NOx流量，進一步核算總量，其優點在于一定程度上克服了流量測量可能存在的不準確性和波動干擾，并具有一定的前饋功能；針對濃度控制系統的遲滯性（主要是煙氣取樣分析延遲），在鍋爐側尋找前饋信號，追求濃度變化與噴氨流量變化在反應區的時間一致性；充分考慮CEMS的測量、控制對自動的影響，并將相關信息組態到自動邏輯中，克服或盡可能地減小了干擾。通過該項目的實施，有效解決了鴨溪電廠噴氨自動效果不好的問題，一定程度上解放了運行人員，更重要的是對于機組安全和經濟運行有顯著的提升效果，而且為煙氣達標排放提供了可靠的技術保障。