分區噴氨控制技術在SCR脫硝中的應用

摘 要：針對SCR脫硝反應器中氨氮比的及時調整問題，近年來廣泛采用分區噴氨控制技術來解決。首先，該文將介紹分區噴氨控制技術的3個組成部分，并詳細分析測量技術的應用現狀和選擇依據，以闡明三層控制技術的目的和原理。最后，將對分區噴氨控制技術的應用條件進行深入分析。

關鍵詞：SCR脫硝;分區噴氨;氨氮比;電化學法;化學發光法

中圖分類號：X773 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）22-0189-04

Abstract： In order to solve the problem of timely adjustment of ammonia-nitrogen ratio in SCR denitrification reactor， zonal ammonia injection control technology has been widely used in recent years. First of all， this paper will introduce the three components of the zonal ammonia injection control technology， and analyze the application status and selection basis of the measurement technology in detail， in order to clarify the purpose and principle of the three-layer control technology. Finally， an in-depth analysis will be made to the application conditions of the zonal ammonia injection control technology.

Keywords： SCR denitrification; zonal ammonia injection; ammonia-nitrogen ratio; electrochemical method; Chemiluminescence Method

選擇性催化還原脫硝技術憑借其卓越的脫硝效率，已成為燃煤電廠煙氣脫硝的首選技術。該技術的基本原理是在煙氣中注入氨氣，通過催化劑的作用，使氨氣與煙氣中的氮氧化物發生還原反應，最終生成對環境無害的氮氣[1-3]。在催化還原反應過程中，溫度、煙氣停留時間和氨氮比的控制至關重要。

過高或過低的溫度都會對催化反應效率產生負面影響，甚至可能導致催化作用失效。過低的停留時間意味著速度過快，此時帶粉塵的氣流會對催化劑造成沖刷和磨損，導致催化劑的物理損傷;而過高的停留時間則意味著速度過慢，煙氣中的粉塵無法被氣流帶走，從而停留在催化劑間隙中，導致催化劑失去活性。此外，氨氮比不均勻會導致氨氮高的區域氨逃逸大幅增加，而氨氮低的區域由于還原劑不足，脫硝效率降低。

為了解決這些問題，整個催化劑反應器及前后煙道都進行了保溫處理，使得還原反應的熱效應非常小，類似于絕熱過程，因此溫度基本保持恒定。對于流場不穩定導致的局部速度過高或過低的問題，通常采用整流裝置進行調節。同時，由于入口煙氣中氨氧化物濃度會隨著機組負荷的波動而變化，這會導致反應器中氨氮比分布的不均勻變化，對脫硝控制極為不利。為了及時調整反應器的氨氮比，近年來出現了分區噴氨控制技術。

1 分區噴氨控制技術

分區噴氨技術是一種用于控制脫硝反應器中氨氮比分布的技術。它由3個關鍵技術組成：分區測量技術、分區噴氨技術和控制技術。

首先，分區測量技術通過在脫硝反應器出口設置多個測量點，實時監測不同區域的氮氧化物濃度。這樣可以準確地了解每個區域的氮氧化物濃度，為后續的分區噴氨提供數據支持。o+y/whsndJijdOGqlus2EFg+V9+z2xwwXJ/G3Z9qEG0=其次，分區噴氨技術根據分區測量得到的數據，對不同區域的氨噴射量進行精確控制。通過調整每個區域的氨噴射量，可以使得整個脫硝反應器的氨氮比分布更加均勻。這樣可以避免因為氨氮比分布不均導致的問題，如氨逃逸高和氨耗量大等。最后，控制技術是分區噴氨技術的核心技術之一。它通過將分區測量得到的數據傳輸給控制系統，實現對分區噴氨的自動控制。控制系統可以根據實時的氨氮比分布情況，自動調整每個區域的氨噴射量，以保持整個脫硝反應器的氨氮比分布穩定。

綜上所述，分區噴氨技術通過分區測量技術、分區噴氨技術和控制技術的組合應用，可以實現對脫硝反應器入口的氨氮比分布進行實時調整。這樣可以有效地避免因氨氮比分布不均而導致的問題，提高脫硝效率并降低氨逃逸和氨耗量。

1.1 脫硝分區測量技術

脫硝分區測量技術是分區噴氨控制技術的關鍵之一。對于脫硝閉環控制系統，出口氮氧化物的測量更加重要。因此，脫硝分區測量最重要的是對脫硝出口NOx分布進行有效的測量。脫硝入口的NOx測量可以作為控制的前饋，有利于提高控制的品質，但不是必需的。

煙氣的測量系統一般由取樣、分析、連接管路等部分組成。NOx濃度的分析方法主要采用電化學、光學、化學發光等原理。

1.1.1 電化學法及原理

1834年，Faraday首次發現了固體中的離子傳輸現象。1977年Gauthier等首次利用該原理實現了NOx的測量。氧化鋯測量O2的基礎理論是能斯特公式。NOx測量是通過O2的測量間接實現的[4]。

電化學法氧化鋯NOx傳感器由2個電極組成，其中一個電極對NOx具有催化分解作用。在一定溫度下，被吸附在工作電極上的NOx發生如下反應。

NO2+2e-→NO+O2-，（1）

2NO+4e-→N2+2O2-。（2）

O2-離子在電壓或者濃度差作用下，通過電解質中的氧離子空位穿透電解質，到達另一電極。離子在電極上失去電子，形成電流或電勢差。

電化學法采用氧化鋯測量O2的基礎理論是能斯特公式。

電化學法具有結構簡單、響應時間短、測量范圍寬、使用溫度高（600～1 200 ℃）、安裝方便和維護量小等優點。但國內氧化鋯氣體傳感器普遍存在穩定性差和壽命短的現象。

1.1.2 光學方法

非色散紅外傳感器是一種精密的光學氣體傳感器，其構成包括紅外光源、光路、紅外探測器、電路（Electronics）和軟件算法[5]。該傳感器的主要應用領域是化合物的測量。

化合物是由不同種類的原子構成的復雜分子。當紅外光照射到這個分子時，原子之間會發生微小的往返位移，這被稱為化學鍵振動。由于原子非常小且輕，因此化學鍵振動的頻率非常高。不同分子的分子量不同，因此它們對紅外光的吸收波長也會有所不同。通過測量紅外吸收波的強度，我們可以確定化合物的含量。這就是非色散紅外傳感器的測量原理。

非色散紅外傳感器在工業、環境監測和科學研究等領域具有廣泛的應用前景。其能夠快速、準確地測量氣體中的化合物含量，為各行各業提供了重要的數據支持。無論是石油化工、環境保護還是食品安全，非色散紅外傳感器都發揮著重要的作用。

傅里葉紅外光譜法測量二氧化氮的典型譜圖如圖1所示。

1.1.3 化學發光法

利用化學反應的發光效應。當氣樣中的NO和O3（臭氧）反應生成NO2時，大約有10%的NO2處于激化狀態（以NO2*表示）。這些激態分子按式（4）向基態過渡時，發射出波長590～2 500 nm的光量子hv，其強度與NO量成正比，利用光電倍增管將這一光能轉變為電信號輸出可推算出NO濃度。

NO+O3→NO2*+O2， （3）

NO2*→NO2+hv， （4）

該方法相較于紅外法具有更高的精度，一般可高出2～3個數量級。然而，這種方法也存在一些缺點，主要體現在設備復雜性和成本方面。首先，需要專門的抽樣發生裝置來實現氣體樣品的采集和處理。其次，相關設備的價格也相對較高。利用化學反應的發光效應來測量氣體中NO濃度的方法具有較高的精度和可靠性，但同時也需要投入相應的設備和成本。

1.1.4 取樣裝置

對于脫硝分區測量主要有3類取樣裝置：母管式、稀釋法式及原位式。于寶建等[7]對各種類型的測量方式及應用場景進行了總結。實際應用中具有工程價值的脫硝出口NOx分區測量：原位法取樣+電化學法;稀釋法取樣+化學發光法[7];差壓法取樣+紅外法/紫外法（表1），其特點分別如下。

氧化鋯電化學法+原位法。

1）氧化鋯電化學NOx測量是通過O2的測量間接實現的。因此，維持微槽道流動的穩定性，對于NOx測量至關重要，一旦測量室積灰或堵塞，測量數據就會失效。氧化鋯測量O2的基礎理論是能斯特公式，E=ln。所以，溫度控制對測量精度有很大的影響。氧化鋯電化學NOx測量原理沒有通過環保檢測總站的環保認證，不能用來作為上傳環保局的CEMS儀表。但在重型卡車的脫硝檢測領域，有廣泛的應用。由于車載環境中，無粉塵的特點，氧化鋯的測量穩定性相對較好。

2）相比稀釋法，該方法可以同步進行O2測量、成本略低、原位測量，數據幾乎沒有延遲。

3）從控制角度來說，由于原位測量方式數據及時性好，分區控制的最大調節時間不超過半小時。

化學發光法分析儀+稀釋法取樣方式。

1）采用基于化學發光法的進口NOx分析儀。在目前國內市場中，NOx的測量基于3種原理：化學發光法、非分散紅外法、紫外差分法。化學發光法的儀器檢出限最低，在測定低濃度時準確性最好。

2）取樣裝置主要用于抽取測量煙氣，并對抽取的測量煙氣進行過濾、稀釋后送至分析控制柜。采用正壓送氣，并配備有吹掃管和標氣管，具備吹掃和全流程標定功能。稀釋探頭配有負壓檢測裝置，便于實時監測稀釋器運行狀況。

3）根據實際運行經驗，單個測點的NOx分析穩定時間不超過10 s，實際運行時，設置為20 s/單點（可在線調整），測量柜自動讀取最后5 s的平均值作為實際測量值。12個測點的測量周期不超過4 min（20×12=240 s）。

4）測量精度高。化學發光法的測量精度能夠達到±0.4 ppb，尤其適合超低排放后的NOx測量。

5）同步取樣測量。每個測點的取樣管線長度不一，通過抽取樣氣的時間差，實現同時取樣，分時測量，從而測得同一時刻煙道斷面內的NOx濃度分布。

6）正壓送樣。與負壓送樣相比，正壓送樣能降低取樣管路漏氣的敏感性， 提高裝置可靠性。

7）適用不同煙道壓力。取樣裝置能提供不小于0.4個大氣壓（-40 kPa，表壓）的真空度，相對而言，只有幾百Pa的煙道壓力波動，對抽吸流量可以忽略。

差壓法取樣+紅外法/紫外法。

該技術成熟，但測量精度一般，精度處于電化學法和化學發光法之間。由于采用差壓法取樣，抽取時間長，所以測量延遲也較大。取樣管道為負壓，管道的輕微泄漏，也會對測量準確性產生影響，且不易排查。

在處理脫硝出口的NOx濃度問題時，需要根據具體情況選擇不同的測量和分析方法。首先，如果脫硝出口的NOx濃度較低，那么就需要采用更高的測量分析精度。在這種情況下，通常會選擇稀釋法進行操作。稀釋法可以有效地提高測量的準確性，從而確保對NOx濃度的控制更為精確。

其次，如果脫硝出口的NOx濃度較高，但變化速度較快，那么可以選擇原位式進行取樣和測量。原位式測量方法可以實時監測NOx濃度的變化，從而幫助我們及時發現并處理可能出現的問題。這種方法雖然需要較高的技術要求，但其快速響應的特性使其在處理高濃度、快速變化的NOx濃度問題時具有顯著的優勢。

最后，如果脫硝出口的NOx濃度較高且變化穩定，那么可以選擇母管式進行測量。母管式測量方法不僅可以提供較高的測量精度，而且其經濟性也更強。通過母管式測量，可以在保證測量結果準確性的同時，降低測量成本，從而實現更高的經濟效益。

總的來說，對于脫硝出口的NOx濃度問題，需要根據其具體的特性和要求，選擇合適的測量和分析方法。無論是采用稀釋法、原位式還是母管式，都需要確保測量的準確性和經濟性，從而更好地控制脫硝出口的NOx濃度。

1.2 分區噴氨設計

分區噴氨是分區噴氨控制系統的執行部分。對噴氨系統進行分區噴氨設計，是分區能夠正常執行的關鍵。

分區噴氨包括煙道外噴氨管路、煙道內噴氨格柵及管路上的閥件等。對于單側反應器，介質依次流過噴氨總閥—氨氣母管—氨空混合器—噴氨母管—分區噴氨閥—分區母管—手動閥—噴氨支管—噴氨格柵。

噴氨管路和閥件均在煙道外。噴氨管路設計時，需要根據流量的變化調整管徑的大小，變徑處流線處理，從而減少系統阻力，也不易出現積灰堵塞。閥件一般采用3級，分別為噴氨總閥、分區噴氨閥門和手動閥。噴氨總閥內的介質為純氨氣（以液氨供氨系統為例），因此噴氨總閥的尺寸一般不大，但對閥門精度的要求較高。分區噴氨閥門設置在氨空混合器之后，閥內的介質為氣體，氨氣濃度小于5%，其余為空氣。手動閥在分區噴氨閥門下游，介質和分區噴氨閥相同，數量由噴氨支管的數量確定。

噴氨格柵的設計應根據煙道內的流場分布，將整個煙道截面分為面積相等的多個區域。噴氨格柵噴嘴分布也有多種形式，其中H形各噴嘴的阻力特性一致，噴氨的均勻性較好，推薦采用。

1.3 控制技術

控制與閥門一樣分為3個層級，且控制目標各不相同。第一層級，噴氨總閥和脫硝出口NOx測量構成噴氨總量控制的執行器和測量裝置，能夠依據出口的NOx濃度，調整噴氨總閥開度，使得出口的NOx濃度達到環保要求;第二層級，噴氨分區閥和脫硝出口分區測量構成噴氨分區控制的執行器和測量裝置，控制的目標為出口NOx的均勻性;第三層級，手動閥與便攜測量裝置配合，通過調試人員的定期調整，實現各個分區內NOx的均勻性。用示意圖表示如圖2所示，第一層級目的為確保A截面的NOx均值滿足環保考核要求;第二層級目的為減少A1、A2、……之間數值差異;第三層級目的為減少A1egKkwuQtCuNA9PnbSxX097KMA68faHkXX7xjN8okYvk=1、A12、……之間數值差異。

2 技術應用條件分析

不合理的氨氮比匹配會導致局部的過噴和局部噴氨不足，從而導致噴氨過量、氨逃逸高等問題。氨氮比匹配存在空間上和時間上2類情況。

分區噴氨控制技術通過合理的氨氮比匹配，從而減少煙道截面的NOx差異，可以解決空間上氨氮比匹配的問題，但對時間上的氨氮比匹配問題無能為力。這是分區噴氨控制技術有效性的前提條件。另外，分區噴氨的調整及時性遠遠低于噴氨總量控制，需要的調節時間較長，qZYzoJiFMc6XXvThc2zi2wIkz65rwfXKc+xtcA5duGE=一般而言需要半小時到數小時。因此，如果煙氣的NOx濃度變化頻率長期過高（一個周期時間短與調節時間），則控制無法到達穩定狀態，無法取得理想效果。

因此，在機組出現噴氨過量、氨逃逸高等問題時，先分析是時間上還是空間上氨氮匹配問題，并根據鍋爐煙氣的濃度變化頻率情況，合理選擇分區噴氨控制技術。

3 結論

分區噴氨控制技術包括脫硝分區測量技術、分區噴氨設計技術、控制技術等部分。該技術能夠針對性地解決噴氨系統因空間上的氨氮比不均帶來的過噴、氨逃逸高等問題。根據自己的實際情況，合理選擇分區噴氨控制技術是項目成功的前提條件。

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第一作者簡介：賈佐梓（1993-），男，工程師。研究方向為電力生產管理。