SCR出口NOX稀釋法分區混合測量系統的開發與應用

摘 要：針對目前燃煤電廠SCR脫硝出口單點CEMS系統測量數據代表性差的問題，該文開展SCR出口NOX稀釋法分區混合測量系統的開發，并對其中關鍵的恒流稀釋取樣技術進行實驗分析。結果表明實驗所用的文丘里出入口壓差為0.3 MPa時，其喉部產生的負壓最低，滿足音速小孔的恒流條件，能夠實現恒流稀釋取樣。將該稀釋法分區混合測量系統進行現場應用，現場運行效果表明該系統的測量數據準確可靠，能夠有效指導脫硝系統合理控制，節省噴氨量，為電廠帶來一定的經濟效益。

關鍵詞：稀釋法;文丘里;分區混合測量系統;脫硝CEMS系統;恒流稀釋取樣

中圖分類號：TM621.2 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）34-0167-05

Abstract： In view of the poor representativeness of the measurement data of the single-point CEMS system at the SCR denitrification outlet of coal-fired power plants， this paper develops a zoning hybrid measurement system for NOx dilution method at the SCR outlet， and conducts experimental analysis on the key constant-flow dilution sampling technology： The results show that when the pressure difference between the inlet and outlet of the venturi used in the experiment is 0.3 MPa， the negative pressure generated by the throat is the lowest， which meets the constant flow condition of the sonic orifice， and can realize constant-flow dilution sampling. The dilution method zoning mixed measurement system was applied on site. The field operation results showed that the measurement data of the system were accurate and reliable， which could effectively guide the reasonable control of the denitrification system， save ammonia injection， and bring certain economic benefits to the power plant.

Keywords： dilution method; Venturi; zonal mixing measurement system; denitration CEMS system; constant flow dilution sampling

近年來，隨著我國綠色環保政策的推進，氮氧化物排放量呈逐年遞減的趨勢。根據《2021年中國生態環境統計年報》顯示，2021年排放源統計調查范圍內，我國工業源廢氣中氮氧化物排放量為368.9萬t，較2020年減少了11.64%。在各行業中排放量第一的是電力、熱力生產和供應業，其排放量占各行業總排放量的33.1%。在超低排放標準的要求下，多數燃煤電廠采用脫硝效率高的選擇催化還原技術（SCR）進行煙氣脫硝處理，運行效果滿足總排口氮氧化物小時均值在50 mg/m3以下的要求，在氮氧化物減排方面取得了一定的成效[1-3]。

然而，在燃煤電廠SCR脫硝系統的運行過程中會存在這樣的問題：脫硝出口煙道橫截面積大、直管段小，且彎頭、變徑多，物理空間受限，造成煙氣流場較差，進而導致單一的脫硝CEMS測點代表性差，不能為脫硝噴氨控制系統提供真實可靠的數據來合理調節噴氨量，導致脫硝自動控制系統投運率差，只能依靠手動控制，使得脫硝出口NOX數據波動很大。而且依靠單點測量不真實的數據，盲目增加噴氨量，極易造成空預器差壓增加過快和氮氧化物測量數據“倒掛”的現象。脫硝入口流場不均勻及長期運行后，各催化劑模塊磨損不一、性能變化不一致等問題，更加加劇了上述現象[4-5]。

針對以上現象，實現分區混合測量，提高脫硝出口氮氧化物測量結果代表性是解決問題的關鍵。不同于利用燃煤電廠煙道SCR出口與空預器入口的壓差進行大規模網格取樣來增加代表性的龐大混合測量系統，本文提出了一種稀釋法分區混合測量系統，將SCR出口煙道橫向分區，利用稀釋法進行分區混合測量的技術路線，該系統施工量小、系統簡單、維護量小，能夠測量煙道截面的平均濃度和各分區的濃度，測量結果準確、真實，為噴氨控制系統提供準確的數據依據，大大降低了空預器堵塞的時間，避免了“倒掛”現象的發生。

1 稀釋法分區混合測量系統研究

稀釋法分區混合測量系統將煙道進行合理的分區，每個分區內布置一個稀釋取樣探頭進行取樣，各探頭取樣煙氣分別進入分區測量分析儀進行輪循測量，測量值代表各分區的平均濃度;各取樣煙氣混合后進入混合測量分析儀進行混合測量，測量結果代表脫硝出口煙道截面的平均濃度。該系統的關鍵是恒流稀釋取樣技術及化學發光法測量技術。其中恒流稀釋取樣技術保證了取樣煙氣的真實性，提高了系統在煙氣復雜多變工況下運行的可靠性;化學發光法測量技術是一種高精度的痕量氮氧化物測量方式，其測量精度能夠達到ppb級別，為稀釋后取樣煙氣的準確測量提供了保障。將這2種技術結合在一起，設計組成稀釋法分區混合測量系統，能夠完美實現燃煤電廠大截面煙道NOX的平均濃度測量及分區濃度測量。

2 恒流稀釋取樣技術

因結構簡單、維護量小，無須冷凝除水等優點，稀釋法取樣越來越多地應用在煙氣連續監測系統中，該取樣技術的核心是確保恒定的稀釋零氣流量和恒定的煙氣樣品氣流量，實現恒定的稀釋比控制。音速小孔是實現恒定取樣煙氣樣品氣流量的關鍵部件，在穩定的溫度條件下，當其進出口壓差大于0.46倍時，流經該音速小孔的氣體流速達到音速，不再隨入口壓力的變化而變化，從而實現恒流，此條件下流經小孔的氣體流量大小只與小孔的孔徑有關[6]。文丘里則是產生負壓的關鍵部件，其實際是一種減縮漸擴噴管，一定壓力的零氣通過文丘里噴嘴時，在噴嘴內部流動的過程中零氣的壓力能會轉化為動能，實現氣流的加速，氣體的流速隨著噴嘴入口壓力與噴嘴出口壓力差的增大而增大，當壓力差達到一定值時，氣體的流速達到極限后不再增加，此時的文丘里喉部產生的負壓最低。以此負壓作為音速小孔的出口壓力，煙道內的煙氣壓力作為音速小孔的入口壓力，即能實現音速小孔的恒流條件，同時控制取樣探頭文丘里區域和音速小孔區域的溫度恒定，則煙氣樣品氣的流量為定值。恒流稀釋取樣技術的應用原理圖如圖1所示。

為保證實際運行時，現場稀釋取樣探頭運行狀態滿足音速小孔的恒流條件，需要對文丘里的最低壓力進行實驗測試，本文開展不同文丘里出入口壓差條件下的負壓測量及流量測量實驗。實驗提供的壓縮空氣為0.5 MPa的清潔、干燥壓縮空氣，通過高精度的穩壓閥控制文丘里入口壓力，出口處于常壓狀態，通過0.05 MPa的壓力梯度進行實驗，利用真空壓力計測量文丘里喉部的壓力，實驗結果如圖2所示，當文丘里出入口壓差為0.3 MPa時，喉部壓力最低，為37.8 kPa（絕對壓力）;隨著文丘里出入口壓差的增大，零氣流量逐漸增大。燃煤電廠脫硝出口煙道內煙氣壓力一般不低于-2 kPa，因此應用該文丘里產生的最低負壓作為音速小孔的出口壓力時，滿足音速小孔的恒流條件。

3 化學發光法測量技術

自20世紀50年代，研究人員Greaves等通過化學發光法測量氮氧化物濃度，并得到NO2*回到基態時產生的輻射連續譜，科學家逐步加深對化學發光測量氮氧化物技術的研究;在20世紀70年代，專家Fontijn等研究出以NO發光強度測量環境中NOX濃度的技術手段，并在發表文章中表明化學發光法測量NO的最低檢測限位為4 ppb;20世紀80年代，科學家Delany等對美國熱電公司的42i化學發光法分析儀提出了優化方案，通過加大真空泵抽氣速度，擴展反應室體積的方式，使儀表檢測器的靈敏度大大提高，升級后的設備達到了0.1 ppb的檢測限。化學發光法測量技術被美國環保署EPA列為NOX的標準分析方法，在我國獲得了普遍的應用，尤其在環境大氣監測及火電廠煙道尾氣在線監測方面[7-9]。

化學發光法測量技術具有檢出限低、測量精度高、響應時間快等優點，是在線測量氣體中痕量NOX的最佳技術手段。其分析儀測量原理如圖3所示，分析儀內部配備臭氧發生器和鉬轉化爐2種轉化設備，臭氧發生器能夠將氧氣變成臭氧，而在鉬轉化爐中NO2被還原為NO。生成的NO和臭氧在反應室內發生反應，反應方程式如下

NO+O3→NO2+O2+hv。 （1）

在上述反應過程中會發出一種特有的光，這種光的強度與NO的濃度成線型比例，因此可以通過檢測光的強度并計算得到NO的濃度[10]。

4 稀釋法分區混合測量系統設計

稀釋法分區混合測量系統設置2臺化學發光法分析儀分別進行混合測量及分區測量，具體設計思路如下。

4.1 混合測量設計

同一時刻相同稀釋比的各稀釋取樣探頭的煙氣樣品氣等流量混合才有意義，混合后的樣氣測量結果能夠代表整個煙道截面的平均濃度。通過音速小孔和文丘里控制各探頭以稀釋比相同進行稀釋取樣，稀釋后的煙氣作為樣氣，通過正壓傳輸送入脫硝小間進行測量，樣氣管路從取樣探頭向分析儀鋪設，管路上布置2個流量計，如圖4所示。流量計1之前為樣氣管前段，之后分為混測管路和分區管路，混測管路進入混合器，各探頭樣氣均勻混合后通過混測分析儀進行平均濃度測量，為保證混合均勻，控制各取樣探頭樣氣管前段及混測管路段長度相同，且流量相同。

4.2 分區測量設計

現場煙道內煙氣濃度不斷變化，同步測量各分區的樣氣濃度，測量結果才能真實反應煙道截面的濃度分布。首先設定各分區樣氣的測量時間相同，作為各路樣氣管上電磁閥的啟動間隔時間，即各分區管路中樣氣進入分析儀間隔時間。然后以第一路樣氣進入分析儀的時間為基準，通過分區管路樣氣流量大小及間隔時間設計各分區管路管徑及長度，保證第一路樣氣測量完畢后第二路樣氣正好進入分析儀進行測量，第二路樣氣測量完畢，第三路樣氣正好進入分析儀進行測量，以此類推，實現分區同步測量過程。

5 現場應用

國能集團某能源有限責任公司發電機組進行脫硝CEMS系統升級改造，在脫硝出口安裝2套稀釋法分區混合測量系統（每側煙道各1套），現場脫硝出口單側煙道平均分為6個區，在每個分區的中心位置布置1個稀釋取樣探頭，現場稀釋取樣探頭安裝分布示意圖如圖5所示，實際安裝時，探頭垂直布置，現場情況如圖6所示。

6 現場應用效果分析

現場脫硝CEMS系統改造后，機組穩定運行工況及變負荷工況的運行曲線如圖7所示。

圖7中曲線表明在穩定工況及變負荷工況的時候，脫硝出口分區混合測量系統NOX測量值總是圍繞著脫硝出口NOX設定值上下波動，自動控制效果顯著，由此可見，分區混合測量系統的NOX測量值真實可靠，為噴氨自動控制提供了理論依據，保證了脫硝自動控制系統的穩定性和高投運率，進而減輕運行人員的操作強度，符合現代化智慧電廠的要求[11-13]。

更為精確的脫硝出口NOX測量數據，用于指導脫硝系統的噴氨控制，也能夠為電廠節省一定的氨用量。表1為脫硝系統改造前后電廠運行日志中記錄的一個月時間的累計發電量及耗氨量數據。計算可知，脫硝改造之后每單位萬千瓦時發電量耗氨量降低了約9.2%。耗氨量的減少，有助于延緩空預器的堵塞時間，減少空預器沖洗頻率，降低風機功耗，由此可以為電廠帶來一系列的經濟效益。

7 結束語

本文基于燃煤電廠脫硝出口NOX測量單一測點代表性差極易造成過量噴氨、NOX數據“倒掛”、噴氨自動投運率低的問題，開展了脫硝出口NOX稀釋法分區混合測量系統的開發，進行了恒流稀釋取樣技術的深入研究，并進行工程示范應用，結果表明：文丘里出入口壓差為0.3 MPa時，其喉部壓力最低，最低的壓力能夠滿足音速小孔的恒流條件。通過對化學發光測量技術研究、混合測量管路設計及分區測量管路設計，完成了脫硝出口NOX稀釋法分區混合測量系統的設計，并進行工程示范，稀釋法分區混合測量系統運行后，測量數據真實可靠，保證了脫硝自動控制系統的穩定運行，提高了投運率，并能夠為電廠運行節約9.2%左右的氨量，帶來了一系列的經濟效益，具有一定的推廣價值。

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第一作者簡介：劉龍（1988-），男，工程師。研究方向為火電廠熱工檢修。

*通信作者：滕軍華（1989-），男，碩士，工程師。研究方向為火電廠煙氣在線監測設備研發。