火電廠SCR出口NOx濃度不均勻性分析及控制措施

文_李龍濤 何永兵 黃裕棟 華電電力科學研究院有限公司

根據《煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014-2020年）》要求，在2020年燃煤機組氮氧化物（NOx）排放濃度控制在50mg/m3（標態、干基、6%O2）以下，而選擇性催化還原（SCR）技術作為鍋爐尾部煙氣脫硝技術，其技術成熟，脫硝效率可達到90%以上，在火電機組脫硝控制中得到了最廣泛的應用。 隨著NOx排放總量控制約束越來越緊，部分燃煤電廠NOx排放濃度逐年下降，電廠實際運行中，SCR出口普遍出現NOx濃度分布不均現象，造成NOx超標排放及氨逃逸風險增加，同時不利于脫硝自動控制系統對噴氨量的反饋控制。

針對上述問題，結合筆者多年從事現場脫硝控制研究的實踐，純粹的技術控制難以實現良好的效果，SCR出口NOx濃度分布不均現象的解決需要完善的管理措施。本文從煙氣流場、催化劑活性、煙氣溫度及氨氮摩爾比對SCR出口NOx濃度分布不均現象進行簡要分析，同時對當前市場上的主要控制技術進行分析，提出技術中存在的不足，為后續人員的研究提供借鑒，并介紹一些關鍵的管理要點，為電廠管理人員完善并優化管理措施提供幫助。

1 SCR反應的基本原理

在SCR反應過程中，通過加氨（NH3）在催化劑作用下可以把NOx轉化為空氣中含有的N2和H2O。SCR反應中發生的主要化學反應為：

2 NOx濃度分布不均影響因素分析

2.1 煙氣流場

煙氣流速與入射角是造成催化劑沖蝕磨損的主要影響因素，一般設計要求第一層催化劑入口煙氣流速相對標準偏差小于15%，煙氣入射角小于±10°，過大的局部煙氣流速使催化劑本體遭到氣流與飛灰沖刷，催化劑壽命縮短，同時煙氣速度大，煙氣在SCR反應器內的停留時間短，催化反應進行不完全，導致SCR出口煙氣中NOx含量偏高，而煙氣流速偏小帶來的最大問題是催化劑容易積灰堵塞，將進一步增強催化劑入口截面煙氣流場分布不均現象。

2.2 煙氣溫度

反應溫度決定反應物的化學反應速度，同時也決定催化劑的反應活性，隨著反應溫度升高，脫硝效率會出現先上升后下降現象。下降的主要原因是催化劑出現燒結，同時部分NH3出現氧化現象生成N2O。目前火電機組低負荷運行時間長，當燃煤煤質為高硫煤時，煙氣中SO3含量高，煙氣溫度偏差大時，催化劑部分區域煙氣溫度可低于催化劑最低連續運行溫度，造成SCR出口NOx濃度偏高，同時容易生成硫酸氫氨，對催化劑及后續設備均產生不利影響。

2.3 氨氮摩爾比

氨氮摩爾比指為脫除1mol氮氧化物需要匹配的氨量。一般在SCR工藝中，稀釋后的NH3通過布置于噴氨格柵上的噴嘴進入煙氣中，噴射的氨量與煙氣中的NOx達到合適的氨氮摩爾比對NOx的脫除至關重要，合適的氨氮摩爾比可以獲得更高的脫硝效率。

催化劑入口氨氮摩爾比分布不均對SCR脫硝效率影響較大，一般設計要求第一層催化劑入口氨氮摩爾比相對標準偏差小于5%。SCR系統投運后，催化劑入口的氨氮摩爾比分布主要取決于噴氨格柵處的噴氨量與煙氣中NOx通量（通量指單位面積中煙氣流速與NOx濃度的乘積）的匹配，目前脫硝控制系統控制邏輯一般采用固定氨氮摩爾比進行噴氨量調節，當分區域布置的噴氨格柵噴氨量無法有效跟蹤匹配本區域實際NOx通量時會造成第一層催化劑入口局部區域氨氮摩爾比偏大或偏小，SCR出口NOx濃度分布出現不均勻現象。

2.4 催化劑活性

催化劑是SCR系統的核心。根據國際純粹化學與應用化學聯合會1981年的定義，催化劑是一種改變反應速率但不改變反應總標準吉布斯自由能的物質。從理論上看，催化劑的催化作用可以保持不變，催化劑可以無限時間使用，但實際運行中，煙氣狀態及化學組成會造成催化劑發生鈍化與中毒，描述催化劑性能的一個重要指標是催化劑活性，反應了催化劑脫除氮氧化物的能力。

氣流磨蝕、孔道堵塞、堿金屬中毒和有效活性成分損失是催化劑活性下降的主要原因。SCR反應器中，煙氣狀態及化學組成分布不均勻對同層催化劑不同模塊的活性影響不同，導致催化劑活性的不均勻性衰減，當煙氣流經催化劑時，不同活性的催化劑對氮氧化物的脫除率不同，SCR出口NOx濃度分布出現不均勻現象。

3 控制措施

SCR出口NOx不均勻現象的出現往往是多種因素的相互耦合作用造成的，在控制措施上可以分為技術措施與管理措施兩種。

3.1 技術措施

3.1.1 前端控制

鍋爐燃燒過程中，因機組運行工況的變化、尾部煙道換熱不均等原因可能造成SCR入口煙氣溫差大、煙氣流場均勻性差，建議可通過鍋爐燃燒調整、改善吹灰等措施進行改進，實現前端控制與尾部SCR脫硝的協同控制。

3.1.2 SCR入口煙道流場優化

在煙氣超低排放改造中，因現場布置條件的約束，省煤器出口至SCR反應器第一層催化劑入口的煙道存在多處轉彎或截面突變現象，煙氣流場往往達不到設計要求，為保證SCR出口濃度場的均勻性，應進行SCR入口煙道流場優化。

SCR入口煙道流場優化主要需考慮：除去煙氣中較大顆粒飛灰，減少催化劑的飛灰磨損；控制噴氨格柵入口煙氣流場均勻性，保證催化劑入口氨氮摩爾比均勻性，同時為噴氨優化調整創造條件；控制催化劑入口煙氣流場均勻性達到設計要求。

SCR入口煙道流場優化主要是導流板與整流格柵的優化，一般通過數值模擬與冷態模擬實驗進行均流與混合技術的研究，因網格劃分、假設條件等對數值模型精度影響很大，SCR數值模擬需要通過冷態模擬實驗進行校核驗證。工程施工中，導流板普遍存在安裝精度不高的問題，造成催化劑入口煙氣流場達不到設計要求，建議導流板施工完成后及時進行現場冷態流場測試以保證SCR入口煙道流場優化實現預期目標。

3.1.3 高效噴氨混合系統

SCR入口煙道內的導流板和整流格柵主要用于調節煙氣流場分布，對煙氣中氨氮摩爾比分布調節作用不明顯，而高效噴氨混合系統可有效調節氨氮摩爾比分布。工程上主要有三種噴氨混合裝置，即線性控制式、分區獨立噴氨式、混合式。

線性控制式噴氨混合裝置控制簡單，壓降小，主要缺點是只能調節噴氨支管上的稀釋氨流量，各個噴管上的所有噴嘴流量不能單獨調節，對多變煙氣的適應性較差。分區獨立控制式噴氨混合裝置屬于線性控制式的改進優化，通常將噴氨區域煙道截面劃分成數十個區域，每個區域的噴氨量可獨立調節，對煙氣的適應性增強，工程上已廣泛采用分區獨立控制式。

混合式噴氨混合裝置在單獨噴氨格柵的基礎上，為增加稀釋氨與煙氣中氮氧化物的有效混合，利用混合器加強氣體擾動，達到最佳湍流混合，已應用于國內外SCR工程中的混合器有FBE公司的渦流混合器、巴克-杜爾公司的三角翼混合器、托普索公司研發的星形混合器等。

針對不同工程特點，應結合氨氣與氮氧化物的有效混合距離、SCR入口煙道長度及布置方式、壓降要求、建設投資、運行維護成本等因素，選擇適合現場需求的高效氨噴射混合系統。

3.1.4 噴氨優化調整

SCR系統投運后，隨著鍋爐燃燒方式的改變、噴氨格柵噴嘴堵塞、催化劑鈍化、噴氨調節閥流量特性變動等造成催化劑入口截面氨氮摩爾比分布不均，通過定期調節SCR入口煙道噴氨支管的閥門開度實現氨量分配與煙氣中的NOx通量相匹配，使其處于合適的氨氮摩爾比附近可改善SCR出口NOx濃度不均勻現象。

定期噴氨優化調整往往在特定負荷、特定運行工況下進行噴氨量調節，而固定的噴氨量分配顯然無法有效適應現場多變的工況。根據大量現場噴氨優化調整經驗來看，噴氨優化調整效果持續性不佳，無法長期維持SCR出口NOx濃度分布均勻性。

3.1.5 智能分區噴氨技術

智能分區噴氨技術可實時跟蹤NOx通量變化，自動調節噴氨量，有效降低SCR出口NOx分布不均現象，具有良好的發展前景。

（1）系統組成

智能分區噴氨技術是基于流場優化、噴氨分區控制、多點NOx測量、噴氨總量先進控制等，開發的脫硝一體化改造方案。主要分為流場優化、先進測量系統、分區執行機構和先進控制系統四大部分。

流場優化主要針對煙道導流板、混合器進行優化改造；先進測量系統包括NOx/O2分區測量系統、SCR出口NOx/O2濃度混合測量系統、SCR入口NOx/O2濃度混合測量系統；分區執行機構是指噴氨格柵分區自動控制裝置，在SCR入口煙道處將SCR脫硝裝置沿寬度方向分為若干區，每個區設置1組自動調節閥，用于分區噴氨量的自動調整；先進控制系統主要包括噴氨總量先進控制系統、噴氨格柵均衡分區精準噴氨控制系統。

智能分區噴氨技術的核心是控制系統的開發。一方面，結合鍋爐燃燒參數（給煤量、鍋爐出口氧量、機組負荷、主蒸汽量、磨煤機運行方式等），加入預判前饋信號，解決SCR入口NOx測量滯后的問題；另一方面，通過對運行工況進行分析，輸出不同的前饋與反饋控制系數，從而更準確的輸出噴氨量調節指令，同時基于噴氨擴散模型、催化劑性能分布模型，考慮SCR出口NOx濃度的實時測量值，結合SCR出口NOx濃度的歷史數據，建立最佳的SCR出口NOx濃度均衡控制模型。

（2）存在的問題及解決措施

SCR反應器進出口分區數量的合理性及煙氣采樣的準確性有待提高； SCR入口NOx通量因負荷、煤質變動而發生較大波動時，無法快速做出響應，及時調節噴氨量；系統運行穩定性欠佳，維護工作量大； SCR出口CEMS的NOx濃度對煙囪環保排放口CEMS的NOx濃度跟蹤性能欠佳。

建立準確的SCR入口NOx通量變動預測模型，用于脫硝系統噴氨量前饋控制，提高噴氨系統對機組變工況的適應性；煙氣成分分析儀對氮氧化物的快速準確測量是智能噴氨控制技術的關鍵，可考慮縮短煙氣采樣管線，增大采樣速度等措施；SCR入口煙氣流場及NOx濃度場分布是影響噴氨分區合理性的關鍵因素，可考慮在噴氨格柵上游加設大尺度靜態混合器，降低噴氨分區難度及分區不合理導致的負面影響；優化噴氨控制系統，提高SCR出口NOx濃度對煙囪環保排放口NOx濃度的跟蹤性能。

3.2 管理措施

3.2.1 全流程的管理措施

SCR系統在進行設計階段，設計人員必須充分考慮鍋爐類型、燃料和灰渣的成分、飛灰量、SCR入口的煙氣參數、催化劑類型等影響因素，良好的SCR系統設計是保證SCR出口NOx均勻性的前提。在SCR裝置的施工安裝階段，施工人員應提高安裝精度，嚴格按圖施工，為脫硝系統投運后的良好運行及后續優化改進打下基礎。在SCR催化劑運行過程中，應嚴格按照運行規程進行SCR系統操作，對運行溫度、吹灰系統、SCR區域溫度及阻力等進行有效管控。機組大修前后，檢修人員應對SCR裝置中的噴氨格柵、導流板、混合器、催化劑等進行全面檢查并及時處理異常，積灰堵塞、磨損嚴重的催化劑應及時進行再生或更換。SCR出口NOx濃度不宜設置過低，較高的NOx濃度可有效降低SCR出口NOx濃度不均勻分布，同時減少氨耗量，SCR出口NOx濃度設置為35～45mg/Nm3比較適宜。

3.2.2 評價體系

目前，SCR脫硝系統的技術改造眾多，但缺乏一套系統科學的評價體系，造成管理方在項目實施中難以有效量化管控。建立一套科學的評價體系，有效評估噴氨優化調整及智能分區噴氨實施的效果，如以空預器阻力增加速率考核氨逃逸變化情況，以SCR出口NOx濃度對環保排放口NOx濃度的跟蹤性能評價噴氨控制系統的優化效果等，可有效加強對項目實施方的監督，對于提高整個行業的技術水平進步是有利的。

4 結語

SCR出口NOx濃度分布的影響因素主要包括煙氣流場、煙氣溫度、氨氮摩爾比、催化劑活性，各個因素相互耦合，找出影響NOx濃度不均勻分布的主導因素是關鍵，同時為控制措施的選擇提供了方向。

前端控制、SCR入口煙道流場優化、高效噴氨混合裝置、噴氨優化調整、智能分區噴氨技術和催化劑再生是改善SCR出口NOx濃度不均勻分布的主要技術措施，技術措施與管理措施的協同作用是有效控制SCR出口氮氧化物濃度分布的關鍵。

建立一套科學的評價體系，有效評估噴氨優化調整及智能分區噴氨實施的效果，對于行業的良性發展具有極大意義。