典型燃煤電廠SCR脫硝系統超低排放運行優化

王樂樂，楊 敏，吳善森，黃春艷，張慶文，朱 磊，姚 燕，何金亮，孔凡海，向 軍

（1.西安熱工研究院有限公司蘇州分公司，江蘇 蘇州 215153；2.華能上海石洞口第二電廠，上海 200942；3.華中科技大學煤燃燒國家重點實驗室，湖北 武漢 430074）

近年來，國內火電廠已普遍實施了大氣污染物“超低排放”改造，氮氧化物（NOx）排放質量濃度要求控制在50 mg/m3以內，部分地區如“京津冀”、上海等城市對燃煤電廠污染物排放則提出了更為嚴格排放要求。對此，王樂樂等[1]對超低排放形勢下選擇性催化還原（SCR）脫硝系統運行存在的難點與對策進行了分析，結果表明超低排放機組普遍存在脫硝效率過高、噴氨過量等問題，并提出了SCR運行優化調整和精細化噴氨的解決思路。梁俊杰等[2]也提出了通過SCR煙氣脫硝系統運行全過程數據分析，診斷超低排放形勢下SCR運行中存在問題，降低因NOx超低排放給機組運行帶來的負面影響。燃煤電廠超低排放系統中，相對于除塵系統和脫硫系統更接近排煙末端，煙氣脫硝SCR裝置下游系統中尚布置有空氣預熱器（空預器）、低低溫省煤器、引風機及除塵、除塵器及脫硫等設備，導致因SCR脫硝系統運行狀況不佳引發的下游設備“硫酸氫銨”污堵問題日益突出[3]。受不同機組鍋爐燃用煤質、爐型、排煙溫度及NOx排放要求的差異，其SCR脫硝系統運行難度和存在問題的重點亦有差別。因此，還需針對各機組SCR運行的特點和存在的典型問題進行具體分析，精準施策。

評估上海地區某超超臨界660 MW燃煤機組超低排放形勢下SCR脫硝系統運行的現狀發現：雖然鍋爐低氮燃燒水平較好、煤質收到基含硫量僅為0.6%~0.8%；但由于實際運行中NOx排放質量濃度控制較低，催化劑性能裕量不足，SCR脫硝系統出口NOx分布均勻性差，導致出口NOx質量濃度數值代表性差，且由于變工況運行中脫硝控制系統調節品質差等因素，現有空預器運行中硫酸氫銨堵塞問題依舊較為突出。對此，該機組進行了催化劑再生提效、NOx分布均勻性優化調整和脫硝控制邏輯優化升級等針對性的治理措施，取得了較好的應用效果，SCR脫硝設備運行中存在問題的分析診斷及治理方法和思路，可為燃煤機組其他同類問題的解決提供借鑒意義。

1 系統概況

該超超臨界660 MW燃煤機組于2009年底建成投運，鍋爐同期配套建設SCR煙氣脫硝裝置。脫硝系統設計入口NOx質量濃度為350 mg/m3，脫硝效率不小于60 %，脫硝催化劑層按照“兩用一備”模式布置。初裝2層奧地利CERAM公司生產的蜂窩型催化劑，SCR脫硝系統流程如圖1所示。為實現控制NOx排放質量濃度低于50 mg/m3的超低排放要求，該機組于2013年加裝了備用催化劑層，加裝后，脫硝效率不低于88 %。同期進行了鍋爐燃燒器深度低氮改造，在基準負荷下爐膛出口NOx質量濃度通常維持在200 mg/m3以下，并為實現NOx進一步深度減排創造了條件。

2 運行現狀評估

當前，該機組SCR脫硝系統運行過程中存在出口NOx排放質量濃度波動幅度大，氨逃逸量高及空預器煙氣側差壓上升較快等問題，影響了機組運行的經濟性與安全性。這可能與催化劑整體性能變差、安全裕量不足、NOx排放質量濃度控制過低、SCR噴氨控制系統調節品質差、脫硝入口噴氨均勻性差等有關。本文針對上述幾個問題，對該SCR脫硝系統運行進行了全面評估診斷[4]，并以此作為下一步優化治理的依據。

2.1 SCR催化劑性能評估

SCR催化劑性能優劣及性能裕量大小直接影響著NOx達標排放和脫硝系統運行的安全性與經濟性[5]。該機組SCR脫硝系統于2009年底投入運行。截至目前，初裝2層催化劑累計通煙氣時間約56 000 h，備用層催化劑通煙氣時間約28 000 h，初裝及備用層催化劑運行時間均已超過其設計化學壽命24 000 h。

初裝及備用層共計3層催化劑在實驗室條件下的中試性能檢測結果如下。

1）在設計入口NOx質量濃度為350 mg/m3時，出口NOx質量濃度為48.0 mg/m3時對應氨逃逸量為2.1 μL/L，而出口NOx質量濃度為23.0 mg/m3（低于25 mg/m3）時對應氨逃逸量為3.2 μL/L，SO2/SO3轉化率為0.90%。

2）在設計參數和氨氮摩爾比為1.0的測試條件下，當前初裝催化劑的活性K為26.6 m/h，備用層催化劑活性K為30.2 m/h，與前期測得初始新催化劑活性K0相比，當前初裝層催化劑的相對活性K/K0為68.9%，備用層催化劑的K/K0為78.0%（圖2），催化劑活性經過相對較快的下降后，當前活性下降趨于平緩。

圖2 脫硝催化劑活性劣化趨勢Fig.2 The degradation trend of SCR catalyst activity

3）部分催化劑單元體出現了較為嚴重的堵灰和貫穿性破損現象（圖3），堵灰區域催化劑無法繼續發揮其應有的脫硝性能，破損區域則易造成因煙氣短路帶來的氨逃逸超標現象[6-7]。催化劑理化分析結果表明，表面硅、鋁等物質含量的增加是其活性下降的主要原因，尚未發現明顯砷、汞等有毒物質的沉積現象[8-9]。

圖3 催化劑物理外觀檢查Fig.3 The physical appearance inspection for SCR catalyst

綜合上述分析結果得出：當前催化劑活性劣化速率正常；催化劑未出現有明顯的砷中毒或鉀、鈉堿金屬等中毒情況；脫硝系統氨逃逸量高與催化劑超期服役、脫硝控制系統調節品質差、出口NOx波動幅度大導致的部分時段NOx控制過低、噴氨過量等因素有關。因此，為有效降低氨逃逸量，除通過正常催化劑性能提效進一步降低氨逃逸外，亦需改善脫硝系統噴氨狀況，在滿足超低排放要求的情況下避免出口NOx排放質量濃度控制過低。

2.2 噴氨均勻性評估

在脫硝催化劑性能裕量滿足設計要求的前提下，SCR脫硝系統入口煙氣參數，尤其是脫硝反應器截面上的NH3/NO摩爾比均勻性較差時，會影響脫硝設備的整體性能，增加局部氨逃逸量，加劇空預器的硫酸氫銨污堵。

本文首先通過現場噴氨均勻性評估試驗，即在機組穩定運行工況下，通過現場脫硝反應器出口截面上NOx分布測試及計算，考察原SCR氨噴射系統的噴氨均勻性和合理性[10]。根據現場評估試驗結果，脫硝反應器出口NOx質量濃度分布情況如圖4所示。A1—A8、B1—B8為反應器出口煙道截面沿爐膛寬度方向測點，P1—P5代表煙道深度方向測點。由圖4可見：在機組500 MW負荷下，脫硝系統入口NOx質量濃度為147 mg/m3，脫硝效率為83.8%時，平均氨逃逸量為3.7 μL/L。A側脫硝反應器出口NOx質量濃度平均值為14 mg/m3，最高為64 mg/m3，最低為2 mg/m3，分布相對標準偏差CV值為110%；B側出口NOx質量濃度平均值為37 mg/m3，最高為59 mg/m3，最低為2 mg/m3，分布相對標準偏差CV值為46%。

圖4 脫硝反應器出口截面NOx質量濃度分布Fig.4 The distribution of NOx mass concentration at the outlet section of the SCR reactor

該機組脫硝反應器出口NOx質量濃度分布均勻性偏差較大，局部區域脫硝效率高達98.0%。這主要與脫硝系統入口處的NH3/NO摩爾比分布不均有關，導致脫硝系統出口在線NOx監測儀表取樣代表性變差，增加了脫硝系統噴氨精確控制難度，最終導致反應器出口局部氨逃逸量過高問題。

2.3 控制系統調節品質評估

在脫硝系統入口NOx質量濃度基本穩定的情況下，NOx排放質量濃度越低，對應脫硝效率越高，氨逃逸控制難度將急劇增大。針對該機組，以脫硝系統入口NOx質量濃度300 mg/m3作為基準，當NOx排放質量濃度為45 mg/m3時，對應脫硝效率為85.0%；而當NOx排放質量濃度為15 mg/m3時，對應脫硝效率則高達95%。當脫硝效率高達95.0%及以上時，氨逃逸失控的風險急劇增大[11]。該電廠地處國家大氣污染物重點防控的“長三角”地區上海市城區，NOx減排壓力較大，NOx排放控制目標為25 mg/m3以內，因此相應氨逃逸控制難度極大。通常，在脫硝催化劑性能滿足要求的情況下，由于脫硝控制系統調節品質差，引發脫硝NOx排放質量濃度波動幅度過大，造成瞬時脫硝效率過高而出現的過量噴氨現象較為普遍[12-13]。

該機組現有脫硝控制策略如圖5所示。存在的主要問題包括：1）由于SCR脫硝系統出口NOx質量濃度分布偏差大，煙氣監測系統單點取樣測量不具代表性，采用煙囪入口NOx質量濃度作為控制目標，調節滯后時間長達2~3 min，嚴重影響調節品質；2）雖然采用串級PID控制策略，但僅引入了機組負荷、SCR脫硝系統入口NOx質量濃度作為前饋量，鍋爐燃燒工況變化，尤其是快速升降負荷時，由于自動調節響應不及時，造成超調頻率高和超調時間長；3）自動控制邏輯參數設置不合理，穩態下超調量也較大。

圖5 優化前脫硝控制邏輯Fig.5 The control logic of denitrification before optimization

由于現有噴氨自動控制效果不佳，需頻繁手動干預才能確保NOx排放質量濃度不超標的同時兼顧氨逃逸量。手動干預往往導致過量噴氨，較噴氨自動控制模式下的噴氨量更大、氨逃逸量更高，且手動干預又勢必對原自動調節造成干擾，自動投入后控制效果進一步惡化，如此形成了惡性循環。據此分析，該機組脫硝系統部分時段NOx超低排放及氨逃逸量過高問題與脫硝控制系統調節品質不佳有很大關系。

3 優化措施及效果

綜合上述SCR脫硝系統運行現狀的評估結果，當前系統運行不佳的主要原因在于催化劑整體性能裕量偏小，脫硝控制系統調節品質差且噴氨均勻性差。首先應通過催化劑再生或更換的方案提高催化劑本身性能安全裕量；同時改善現有脫硝控制系統調節品質和氨噴射系統合理性。

3.1 催化劑性能提效

根據前述SCR催化劑性能評估結果，該機組脫硝系統當前催化劑累計運行時間已遠超其設計化學壽命3年，尤其是初裝2層催化劑持續運行時間接近10年。在該機組當前NOx超低排放及深度減排的形勢下，催化劑整體安全裕量不足。除個別破損嚴重單元體外，初裝2層催化劑整體具備再生可行性，與更換昂貴的新催化劑采購成本相比，采取催化劑再生提效方案的綜合技術性和經濟性均最佳[14]。

該機組于2018年對初裝2層催化劑進行清洗和再生提效，再生后催化劑的性能檢測結果表明：1）再生催化劑的通孔率達到98%以上；2）在SO2/SO3轉化率滿足技術要求的情況下，催化劑絕對活性恢復至新鮮催化劑活性K0的95%以上；3）在設計條件下，初裝2層催化劑及未再生的備用層催化劑整體脫硝效率達到90%時，對應氨逃逸量小于0.3 μL/L。催化劑再生實現了脫硝設備的整體性能提效。

根據該機組以往催化劑失活原因分析及催化劑活性劣化規律跟蹤評估結果，預測此次催化劑再生提效后整體使用壽命為2~3年，屆時進一步根據備用層催化劑的狀態評估結果，考慮實施備用層催化劑再生或初裝層催化劑更換，以保障NOx超低排放和機組的安全經濟運行。催化劑投運至今及未來幾年內的整體壽命管理方案預測如圖6所示。

圖6 催化劑壽命管理曲線Fig.6 The catalyst life management curves

3.2 噴氨均勻性優化調整

針對當前系統運行中NOx分布均勻性偏差過大及噴氨分布不合理的問題，對原SCR脫硝系統噴氨格柵進行優化調整，使氨噴射系統各支管的噴氨量趨于合理，從而降低局部較高的氨逃逸量[15]。機組常規運行負荷下，在SCR脫硝系統出口NOx質量濃度不超過50 mg/m3前提下，根據實測反應器出口截面的NOx質量濃度分布情況，對噴氨格柵各支管手動閥開度進行多輪調節。圖7和圖8為噴氨優化試驗過程中的脫硝系統出口截面上NOx質量濃度分布變化情況。

圖7 噴氨優化調整過程中反應器出口NOx質量濃度分布及CV值變化Fig.7 The changes of NOx mass concentration and CV value at the reactor outlet during ammonia injection optimization

圖8 噴氨優化調整過程中反應器出口NOx質量濃度分布Fig.8 The distribution of NOx mass concentration at the reactor outlet during ammonia injection optimization

由圖7、圖8可見，脫硝系統出口截面上NOx質量濃度分布均勻性得到明顯改善，NOx分布CV值呈減小趨勢。

分析圖8中數據表明，經過噴氨優化調整，在500 MW負荷下，SCR脫硝系統出口NOx質量濃度約25 mg/m3時，A、B側反應器出口NOx質量濃度分布CV值分別為22%和16%，NOx質量濃度分布均勻性顯著提高。

優化調整后反應器出口NOx及氨逃逸量分布如圖9所示。由圖9可見，反應器出口截面上局部氨逃逸量峰值明顯降低，對應工況下的兩側反應器出口局部氨逃逸量峰值分別為0.52、0.45 μL/L。NOx分布均勻性的提高，改善了脫硝系統出口在線儀表測點的代表性，為后續自動控制邏輯優化工作創造了條件。

圖9 優化調整后反應器出口NOx質量濃度及氨逃逸量分布Fig.9 The NOx mass concentrations and ammonia escape concentrations at the reactor outlet after optimization

3.3 脫硝控制系統優化

根據現有脫硝控制系統調節品質分析結果，在機組檢修期間對噴氨控制調節邏輯進行了修改。新的控制回路由PID加前饋構成，PID的設定值和測量值分別為SCR脫硝系統出口NOx質量濃度限定值和出口NOx質量濃度測量值。該前饋控制主要考慮參變量包括磨煤機啟停、鍋爐風煤比、SCR脫硝系統入口NOx質量濃度、NOx質量濃度預測及補償回路、脫硝系統出口NOx質量濃度小時均值與NOx設定修正回路、兩側反應器出口NOx質量濃度拉回邏輯等，并增加了相關的聯鎖功能。優化后的SCR脫硝系統控制邏輯如圖10所示。

經過反復動態調試，優化后的脫硝控制系統動態響應快、超調小，穩態控制精度高，穩定性能好。日常運行中，出口NOx排放質量濃度能夠穩定地控制在設定值附近，有效地減少了噴氨量，降低了運行人員的監盤壓力，提高了脫硝自動控制系統的可靠性和穩定性[16-18]。在機組負荷穩態運行工況下，脫硝系統出口NOx質量濃度及煙囪入口NOx排放質量濃度隨脫硝系統入口NOx質量濃度變化曲線如圖11所示。

圖10 優化后脫硝控制邏輯Fig.10 The control logic diagram of denitrification after optimization

圖11 機組500 MW負荷穩態工況運行畫面Fig.11 The display of steady state operation of the unit at 500 MW

在變負荷工況，脫硝系統入口NOx質量濃度波動幅度較大時，對應脫硝系統出口NOx質量濃度及煙囪NOx排放質量濃度響應曲線如圖12所示。

分析圖11、圖12曲線表明：入口NOx質量濃度波動幅度不大時，反應器出口NOx質量濃度波動幅度基本控制在±10 mg/m3，煙囪NOx排放質量濃度較平穩；而入口NOx質量濃度波動幅度大時，如出現從100 mg/m3快速升至500 mg/m3工況，通過優化后控制邏輯中多因素耦合分析預判入口NOx質量濃度變化，提前調整動作噴氨調節閥，保證合理的噴氨量，有效減少了NOx過調和噴氨過量概率，從而降低變工況期間氨逃逸超標的風險。

圖12 脫硝系統入口NOx大波動工況運行畫面Fig.12 The operation screen with large fluctuation of NOx mass concentration at the denitration system inlet

4 結 論

1）診斷分析了某660 MW燃煤機組氨逃逸高的原因為脫硝催化劑性能裕量不足，脫硝控制系統調節品質差導致系統整體過量噴氨，脫硝噴氨均勻性差引起脫硝出口截面局部氨逃逸量過高。

2）通過初裝催化劑再生提效和對噴氨格柵的精細化噴氨調整試驗，實現脫硝系統出口NOx質量濃度分布均勻性顯著提高，平均氨逃逸量由優化前的3.7 μL/L降至0.5 μL/L以內。

3）通過噴氨優化及脫硝控制系統優化升級，有效提高了脫硝控制系統的調節品質，實現脫硝系統出口NOx質量濃度波動幅度在±10 mg/m3以內，降低了脫硝變工況運行期間過量噴氨的風險。