某熱動力站320t/h煤粉鍋爐脫硝系統(tǒng)優(yōu)化的研究及應(yīng)用

孫濤 趙永全 劉春林 平雙榮 徐向東

陜西延長中煤榆林能源化工股份有限公司 陜西 榆林 718500

我國是一個能源結(jié)構(gòu)以燃煤為主的國家，隨著工業(yè)化進程及城鎮(zhèn)化的加劇，燃煤引起的大氣污染問題日益嚴峻，其中燃煤電廠產(chǎn)生的NOx、SO2及煙塵等污染物對大氣環(huán)境的惡化有重要貢獻[1-2]。NOx不但會造成臭氧層破壞、溫室效應(yīng)、酸雨和光化學(xué)污染等一系列環(huán)境問題，還對人體健康構(gòu)成嚴重威脅。隨著生活水平的提高，近年來大氣污染問題也逐漸受到人們的重視，國家對燃煤電廠大氣污染物的控制力度也不斷加大，并針對火電行業(yè)制定了日趨嚴厲的氮氧化物排放標準，如《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃（2014—2020 年）》及（HJ2053-2018）《燃煤電廠超低排放煙氣治理工程技術(shù)規(guī)范》，要求采取措施進行污染治理[3]。本文對某熱動力站320t/h煤粉鍋爐脫硝系統(tǒng)的升級改造進行實例分析，以期為今后類似項目的升級改造提供經(jīng)驗借鑒與參考。

1 相關(guān)概況

該熱動力站一期啟動項目公用工程系統(tǒng)熱動力站有4×320t/h高溫高壓煤粉鍋爐，每臺爐配2臺熱一次風(fēng)機，2臺送風(fēng)機和2臺引風(fēng)機，配套華西能源有限公司設(shè)計制造單爐膛四角切圓燃燒鍋爐，NOx排放濃度500mg/m3。為滿足《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃（2014—2020年）》的要求，將氮氧化物排放濃度穩(wěn)定的控制到50mg/m3以下，該熱動力站一期機組完成了SCR煙氣脫硝改造及SCR提效改造[4]。通過上述改造措施，目前能夠?qū)⒌趸餄舛瓤刂频?0mg/m3以下，但由于省煤器脫硝裝置入口（SCR）NOx濃度高，分布偏差較大且規(guī)律不穩(wěn)定，催化劑入口NH3與NOx摩爾比分布偏差大，使得SCR出口NOx分布均勻性差、局部氨逃逸高，進而導(dǎo)致空預(yù)器阻力大、氨耗量偏高等問題[5]；同時脫硝入口水平煙道、整流格柵、催化劑部分區(qū)域存在較多積灰，嚴重影響設(shè)備安全、經(jīng)濟運行，有必要采取措施進行優(yōu)化改造。為解決上述問題，針對其1、2號鍋爐現(xiàn)有SCR裝置等運行現(xiàn)狀進行評估，提出解決SCR裝置入口NH3與NOx摩爾比分布偏差大、氨逃逸超標、煙道積灰問題的方案，實現(xiàn)機組和SCR裝置的安全可靠運行。

2 常規(guī)SCR 技術(shù)的局限性

現(xiàn)有常規(guī)SCR系統(tǒng)的噴氨及混合技術(shù)，要求SCR入口NOx分布均勻且穩(wěn)定，根據(jù)SCR入口NOx分布相應(yīng)調(diào)節(jié)各手動調(diào)節(jié)閥開度，控制各分區(qū)噴入還原劑的量。這種方式的不足在于：

（1）對于SCR入口NOx濃度比較常見的±30mg/m3的變化，當(dāng)出口NOx控制在100mg/m3時這種問題不太顯著。在超低排放情況下，出口NOx通常控制在35mg/m3左右，這種問題變得比較突出。

（3）機組現(xiàn)有噴氨格柵各支管閥門為手動閥門，在進行噴氨調(diào)整試驗后，一般不再進行調(diào)整，因此脫硝裝置入口煙道各位置相對噴氨量固定，需適應(yīng)機組所有負荷、工況下入口NOx分布情況。在此情況下，必然會有部分工況、部分位置存在噴氨不均勻的現(xiàn)象，導(dǎo)致脫硝裝置出口部分位置NOx濃度過低或過高，造成局部氨逃逸過高或NOx排放值偏高的情況。

（4）由于脫硝裝置煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）采樣的滯后及噴氨控制的延遲，會導(dǎo)致噴氨控制跟隨工況變化不佳，超低排放改造后，對脫硝裝置出口NOx濃度的控制穩(wěn)定性要求更高，需對脫硝噴氨控制進行優(yōu)化，減小因工況、煤質(zhì)等變化導(dǎo)致脫硝裝置出口NOx濃度的波動。

隨著超低排放標準的全面推廣，機組SCR脫硝效率往往超過90%，氨氮比平均值超過0.9，當(dāng)入口NOx濃度波動時，常規(guī)SCR的催化劑上游截面處的氨氮比超過1.0的位置將大為增加，這些位置的氨將大量逃逸，造成空預(yù)器嚴重堵塞；而氨氮比低于平均值的位置，脫硝效率不能達標。在已進行了超低排放改造的鍋爐中，這種問題比較普遍。

3 脫硝噴氨優(yōu)化方案

3.1 總體思路

按照流場優(yōu)化+分區(qū)改造+分區(qū)測量+總量控制方案，對現(xiàn)有脫硝流場通過調(diào)整或優(yōu)化導(dǎo)流板的布置方式進行適當(dāng)優(yōu)化，進一步提高現(xiàn)有脫硝裝置的濃度場、速度場、溫度場等性能。通過對脫硝裝置入口煙道位置的噴氨格柵進行分組，按煙道寬度進行分區(qū)控制，同時在脫硝裝置出口煙道按寬度方向設(shè)置分區(qū)測量裝置，根據(jù)測量結(jié)果實時調(diào)整入口分區(qū)的閥門開度，控制噴氨量。

3.2 設(shè)計改造

脫硝噴氨優(yōu)化改造采用“流場優(yōu)化+分區(qū)改造+分區(qū)測量+總量控制”的方案。在一次設(shè)備具有調(diào)節(jié)余量且無缺陷、催化劑活性滿足要求的前提下，按小時均值計算，改造后SCR出口NOx分布均勻性預(yù)期可以達到如下效果：

（1）穩(wěn)定工況SCR出口任一分區(qū)NOx濃度與該煙道平均NOx濃度平均值的偏差不超過±10mg/m3；

2.3.1 一般護理 患者一般采用全麻或硬膜外麻醉，回病房后取去枕平臥位6 h;如腰麻則需去枕平臥12～24 h，頭偏向一側(cè)，保持呼吸道通暢，以免嘔吐物、分泌物嗆入氣管，引起吸入性肺炎。6 h后取半臥位，利于腹腔引流，同時減輕腹部張力，促進切口愈合。協(xié)助患者每2 h床上翻身1次，大多數(shù)患者常因擔(dān)心活動會牽拉傷口引起疼痛、滲血、切口裂開而不敢翻身活動，護士應(yīng)耐心講解早期活動的重要性，促使患者主動配合。

（2）穩(wěn)定工況煙囪入口NOx濃度與SCR出口NOx濃度平均值偏差≤5mg/m3；

（3）穩(wěn)定工況煙囪入口NOx濃度波動范圍≤±5 mg/m3；

（4）動態(tài)運行工況煙囪入口NOx濃度波動范圍≤±8 mg/m3；

（5）SCR出口各分區(qū)NOx濃度分布相對標準偏差CV＜20%。

3.2.1 流場優(yōu)化

根據(jù)具體機組的具體煙道特點建立計算流體動力學(xué)（CFD）模型，通過在煙道彎頭、擴口段等位置通過導(dǎo)流與整流的方式使煙氣在頂層催化劑入口處達到如下性能保證值：

（1）速度分布：相對標準偏差CV值≤15%；

（2）溫度最大偏差：平均值的±10℃；

（3）煙氣入射催化劑最大角度（與垂直方向的夾角）：≤10°；

（4）NH3與NOx摩爾比分布：相對標準偏差CV值≤5%；

原有導(dǎo)流板等設(shè)施根據(jù)性能指標要求進行配合設(shè)計，對各種煙氣條件進行設(shè)置，反復(fù)模擬和優(yōu)化，確定最優(yōu)的分區(qū)及混合的流場設(shè)計方案。

3.2.2 分區(qū)改造

精細化噴氨管路模塊，要實現(xiàn)噴入的氨與脫硝各區(qū)域的實際需求相匹配，各區(qū)域噴氨量的控制至關(guān)重要。隨著機組負荷、磨機運行組合方式等因素變化時各區(qū)域的氮氧化物總量會發(fā)生變化，因現(xiàn)有的噴氨格柵均為手動門控制，無法實現(xiàn)遠方調(diào)節(jié)，故本方案將煙道噴氨格柵分為4個區(qū)，分別加裝氣動調(diào)節(jié)門和流量計加以調(diào)節(jié)和計量；構(gòu)建“噴氨總閥+分區(qū)調(diào)平閥（氣動）+支管調(diào)節(jié)閥”的三級串聯(lián)調(diào)節(jié)的執(zhí)行模塊。對應(yīng)的，需要對氨與空氣混合氣體管道進行分區(qū)改造。氨/空氣混合集箱切割封堵分別對應(yīng)4個自動控制閥對應(yīng)的噴氨格柵，煙道內(nèi)部原有的噴氨格柵更換，噴氨支管按照4分區(qū)進行相應(yīng)管道調(diào)整。

3.2.3 分區(qū)測量

新增一套分區(qū)控制優(yōu)化系統(tǒng)，實現(xiàn)脫硝系統(tǒng)環(huán)保考核NOx濃度壓線運行，降低噴氨總量。針對反應(yīng)器出入口CEUS系統(tǒng)數(shù)據(jù)（NOx/O2）滯后性問題，CEMS系統(tǒng)單點或多點輪巡采樣監(jiān)測的煙氣參數(shù)代表性差的問題。本方案擬采用多點原位式在線數(shù)據(jù)采集儀表測量，根據(jù)鍋爐脫硝實際工況，反應(yīng)器入口設(shè)置1個測點，出口設(shè)置4個測點，各測點相互獨立且每個測點均配置獨立的分析單元，同步測量實時輸出數(shù)據(jù)，區(qū)別于傳統(tǒng)CEMS單點或輪巡抽取檢測方式，要求儀表響應(yīng)時間小于5s，各測點取樣管路反吹數(shù)據(jù)保持不得超過10s，數(shù)據(jù)采集傳感器直接安裝于煙道上，為各分區(qū)調(diào)整提供實時、精準的數(shù)據(jù)。噴氨格柵依據(jù)出口4測點數(shù)量分為4個區(qū)，每個區(qū)加裝氣動調(diào)節(jié)閥，并根據(jù)各測點數(shù)據(jù)實時調(diào)整各分區(qū)閥門，實現(xiàn) NH3與NOX均勻混合，降低氨逃逸量，有限緩解空預(yù)器堵塞問題。

3.2.4 總量控制

控制邏輯透明的植入DCS控制系統(tǒng)，自動控制方案采用基于脫硝反應(yīng)原理（氨氮摩爾比）的控制理念。具體控制方法為串級調(diào)節(jié)，控制的主調(diào)節(jié)有別于傳統(tǒng)的輸出（修正供氨量），主調(diào)節(jié)輸出數(shù)據(jù)和控制器采集的相關(guān)數(shù)據(jù)運算后得出副調(diào)節(jié)的給定值（即供氨量），副調(diào)節(jié)給定值為供氨流量調(diào)節(jié)信號，消除了現(xiàn)場調(diào)節(jié)閥門流量特性對調(diào)節(jié)性能的影響，實現(xiàn)了動態(tài)氨氮摩爾比控制。脫硝優(yōu)化控制系統(tǒng)具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)模型，通過模型實時計算并尋找在實際運行狀態(tài)下，被控系統(tǒng)可以達到的最優(yōu)化的控制目標，并以此為定值實現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化控制。要求精準噴氨優(yōu)化控制系統(tǒng)具備在任何工況下噴氨量過大時的“保護功能”，即在機組任一負荷下，因NOx儀表或其它參數(shù)異常，導(dǎo)致噴氨優(yōu)化指令遠高于實際需要的噴氨量，為防止此種情況下過量噴氨造成氨逃逸，優(yōu)化控制系統(tǒng)給噴氨優(yōu)化指令設(shè)計相應(yīng)的保護定值，從自動調(diào)節(jié)角度最大程度減小氨氣逃逸量，使調(diào)節(jié)門能夠?qū)崿F(xiàn)按需噴氨，確保噴氨能夠按照實際工況需求變化閥門的開度，避免過量噴氨。整個系統(tǒng)可全面提升噴氨控制的品質(zhì)，使 SCR性能適應(yīng) NOx超低排放要求，達到節(jié)約噴氨量、降低NOx排放濃度、降低空預(yù)器堵塞幾率、減輕尾部設(shè)備積灰等綜合效果。

4 改造后效果分析

目前，該熱動力站一期機組已實現(xiàn)NOx排放濃度低于50mg/m3排放運行，氨逃逸偏高。本次改造后，可在NOx達標同時保證氨逃逸低于3μL/L排放，減少了氨逃逸對環(huán)境的污染。改造后的性能試驗檢測數(shù)據(jù)見表1。

表1 性能試驗數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

通過對該熱動力站鍋爐現(xiàn)有脫硝設(shè)備運行情況綜合評估，針對目前SCR系統(tǒng)的運行現(xiàn)狀，得出以下主要結(jié)論：

1）針對現(xiàn)有脫硝設(shè)備運行性能現(xiàn)狀，提出了“流場優(yōu)化+分區(qū)改造+分區(qū)測量+總量控制”的升級改造思路，消除局部NH3與NOx摩爾比超過1.0的現(xiàn)象，從而安全、經(jīng)濟地實現(xiàn)氮氧化物超低排放。

2）在SCR入口加裝全斷面煙氣混合器，降低SCR入口NOx分布偏差，將預(yù)混后的煙道分為四個分區(qū)，分區(qū)截面接近方形，可對該截面內(nèi)的煙氣進行充分混合，在SCR出口斷面各分區(qū)內(nèi)進行在線NOx測量，實時調(diào)整各分區(qū)噴氨量；同時對噴氨總量及各分區(qū)的噴氨量的控制邏輯進行優(yōu)化升級，最終通過SCR將NOx排放穩(wěn)定控制到50mg/m3以下，氨逃逸＜3μL/L。