SCR脫硝精細化氨噴射技術工程應用

張會君，張祥志，徐志超，朱 平，李 準，肖 旭

(武漢龍凈環?？萍加邢薰荆?武漢 430205)

選擇性催化還原法是目前燃煤鍋爐應用最為廣泛的脫硝技術[1-3]，目前，NOx的超低排放技術主要通過增加催化劑層數，增大噴氨量來實現，在實際運行過程中，為滿足機組超低排放要求，運行人員會不同程度地噴入過量的氨氣，但弊端是會導致氨耗量增大，氨逃逸率增高，運行成本提高，引發催化劑中毒，空氣預熱器差壓異常甚至堵塞等一系列問題。

本文對鍋爐脫硝氨噴射量過高的原因進行分析研究，結合當下脫硝噴氨與測量技術，有針對性地提出了一些改進措施，為SCR脫硝系統精細化氨噴射設計提供參考。

1 噴氨量過高原因分析

1.1 鍋爐出口煙氣成分不均勻性分布

鍋爐在實際運行過程中通常沒辦法保證穩定運行負荷，當鍋爐負荷變動，鍋爐燃燒參數與設計參數發生偏離時，會造成鍋爐換熱段煙氣流場紊亂不均勻[4]。另外，機組負荷在滿足電網要求的速率下大幅增減時，燃燒工況的突變和煙氣流速的急劇變化，同樣會造成了流場不均[5]。因煙氣流場的不均勻分布，會導致氨噴射量與煙氣中氮氧化物濃度分布不匹配。在煙氣氮氧化物濃度高的區域氨噴射量相對較低，將導致氮氧化物無法充分反應；在煙氣氮氧化物濃度低的區域氨噴射量相對較高，將導致噴射的氨無法完全反應，導致氨逃逸增加。

1.2 脫硝CEMS系統采用單點取樣，所得數據無法反應實況

目前國內SCR脫硝系統出入口 CEMS一般為單點取樣，因脫硝煙氣流場分布不均，CEMS系統測量得到的數據只是取樣點NOx濃度，無法代表全截面氮氧化物濃度分布狀況，而脫硝系統噴氨總量調節依靠脫硝系統入口、出口NOx測量值信號反饋，NOx測量數據與真實工況NOx濃度的偏差必然會影響噴氨總量控制的調節精度，依據單點測量得出的數據進行調節，必然會出現氨噴射不均勻的問題。在實際工程中，為保證脫硝出口NOx的達標排放，運行人員只能增大氨噴射量，從而導致局部氨逃逸量增加。

1.3 脫硝控制回路的滯后性

SCR系統噴氨量與鍋爐燃燒狀態具有極強相關性，鍋爐負荷、燃燒煤種以及配風狀況的改變，都會改變鍋爐尾部煙氣成分，影響脫硝反應實際狀態。因SCR脫硝反應過程復雜，針對目前電廠脫硝大多采用單級PID控制方法，這使得系統控制時間滯后性較大。單級PID控制方法分為固定氨氮摩爾比控制(見圖1)或固定出口NOx濃度控制(見圖2)方法。固定摩爾比控制方法操作簡單、方便，但是該方法在面對工況變化頻繁時，無法確保脫硝出口NOx穩定排放，原因是當鍋爐運行工況發生變化時，氨氮摩爾比不再是一個固定值[6]，因而此法將導致出口NOx濃度波動。而針對固定出口NOx濃度控制方法，因CEMS測量數據通常反映的抽氣時煙氣排放情況，從抽氣檢測到噴氨閥收到指令控制通常存在1 min甚至更長的時間差，測量數據的滯后性將導致實際操作以過量噴氨為前提，作為保證出口NOx濃度達標排放的策略，導致氨逃逸濃度過大。

圖1 固定摩爾比控制Fig.1 Fixed molar ratio control

圖2 固定出口氮氧化物濃度控制Fig.2 Fixed outlet nitrogen oxide concentration control

2 精細化噴氨實施建議

2.1 分區噴氨控制

依據網格化原理，從噴氨格柵選型開始，將噴射區域分成若干個獨立的區域，確保氨噴射全截面覆蓋。每個區域設置獨立的噴氨調節閥和測量儀表，讓每個區域實現單獨控制。網格化分區控制系統包括總量控制模塊和分區控制模塊，以氨噴射總量控制閥為主，各分區氨噴射控制閥為輔，通過調節總量控制閥，控制脫硝總噴氨量，并通過調節分區控制閥，減小煙道全截面NOx濃度偏差。

2.2 分區噴氨出口NOx精準在線監測

分區控制閥的信號來自反應器出口煙道CEMS在線監測系統，在反應器出口煙道安裝NOx多點監測，監測結果反饋至DCS中的分區控制系統，控制系統依據出口NOx的分布情況，調整分區控制閥開度。通過分區調節，可以大大降低反應區出口NOx濃度偏差，從而實現降低氨逃逸率。

2.3 優化控制回路，解決測量滯后性問題

采用串級控制策略，由一次主回路和二次副回路組成。一次主回路用以修正系統氨氮比，根據設定的出口NOx濃度值及入口NOx濃度值，計算出理論氨氮比，再將出口NOx濃度設定值與實測值的差值作為PID控制器的偏差信號，將輸出值作為修正信號，修正系統氨氮比。二次副回路用以發出控制指令，通過煙氣中的NOx流量與修正后的氨氮比相乘得到氨流量設定值，通過測量值和設定值之間的偏差應用到二次副回路PID控制器，作為二次副回路調節氨流量調節閥的控制指令。一次主回路的控制對象為出口NOx濃度，保證出口達標排放；二次副回路的控制對象為噴氨量，通過修正氨氮摩爾比實現降低噴氨量，在控制過程中，一次主回路作為定值控制回路，能夠有效地消除出口NOx濃度與設定值之間的偏差。二次副回路噴氨流量隨一次回路出口NOx濃度的變化而變化，二次回路控制器可以通過引入煙氣流量和入口NOx濃度等外部因素的干擾，實時修正PID控制器的設定值，從而快速消除外部干擾。

圖3 串級控制策略Fig.3 Cascade control strategy

3 工程實例分析

黑龍江某燃煤電廠4號鍋爐600 MW超臨界參數變壓直流爐，鍋爐同步建設脫硝裝置，脫硝系統采用選擇性催化還原(SCR)工藝，催化劑初裝2層，預留1層，采用高塵布置。設計脫硝效率88%，氮氧化物排放濃度要求小于50 mg/Nm3。

項目自投運以來，脫硝長期達標運行，但是當鍋爐負荷變動時，氨耗量偏離理論設計值較多，氨逃逸時常超標，檢測灰份中硫酸氫氨含量也偏高。為控制氨逃逸，確保脫硝系統和鍋爐運行負荷變動匹配，擬采用精細化噴氨改造方案。

3.1 精細化噴氨改造方案

圖4 單側反應器噴氨分區控制工藝方案(A、B兩側)Fig.4 Single-side reactor ammonia injection zone control process plan(A and B sides)

將噴氨格柵和SCR反應器出口煙道進行網格化分區控制，本項目單側反應器分8個區控制，項目共分A、B兩側反應器，分區控制方案見圖4。網格化分區噴氨控制系統包括測量模塊、調節模塊和控制模塊。

3.1.1 測量模塊

將脫硝出口煙道截面進行分區，布置全截面多點取樣裝置，取樣點按分區數設置，依據流場模擬結果，對噴射格柵進行選型布置，再結合噴射格柵的選型確定分區數。本項目中，在每側8個分區出口煙道分別安裝NOx、O2在線監測測點，實現SCR反應器出口煙氣NOx、O2濃度的在線分布巡測。根據各區域氮氧化物濃度實測值，可實時調整相應區域的噴氨調節閥，控制煙道局部氨逃逸。為避免銨鹽結晶堵塞取樣系統，需保證取樣管內煙氣維持較高的溫度，同時需增加定時管道反吹系統。

3.1.2 調節模塊

調節模塊的核心為噴氨總管和噴氨支管上的噴氨調節閥，當測量模塊CEMS系統反饋信號后，調節模塊的閥門主要調節各分區調節閥，當涉及煙氣流量隨鍋爐負荷的跳檔波動時，再將信號反饋給總量控制閥進行噴氨總量調節，以確保分區調節閥的控制精度。

3.1.3 控制模塊

分區均衡控制，采用主控和副控相結合的方式，即在催化劑性能正常的情況下，以SCR出口NOx濃度分布狀況作為分區均衡控制的數據基礎，同時結合SCR出口NH3濃度狀況，在確保煙囪入口NOx排放濃度不超標的情況下，以盡量控制氨逃逸濃度在較低水平為目標進行控制。

3.2 改造效果和經濟效益分析

改造后脫硝效率提升，氨逃逸率和噴氨量降低，空預器堵塞問題得到緩解，各項改造效果參數見表1。

表1 精細化氨噴射技術改造效果Table 1 Technical transformation effect of refined ammonia injection

通過采用精細化氨噴射技術改造，可以有效降低運行費用，帶來經濟效益和社會效益，分項運行費用降低數據見表2。

表2 精細化氨噴射技術降本成果Table 2 Cost reduction results of refined ammonia injection technology

精細化氨噴射技術可以降低噴氨量、延長催化劑使用壽命、減少鍋爐空氣預熱器清洗頻次。經測算，單臺600 MW機組每年通過精細化噴氨項目的實施可降低約80萬元運行成本。

4 結 論

通過采取精細化噴氨的控制策略，從創新管理理念、利用先進科學技術、高效節能環保的角度出發，實現煙氣超低排放，是落實“美麗中國”理念的重要成果，亦可作為“碳達峰”、“碳中和”背景下，廣大生產企業實施減排行動的借鑒方案，值得在同類型電廠推廣，具有積極的社會價值。