燃煤機組NOx超低排放問題分析及優化對策

摘要：針對燃煤機組NO_x超低排放改造后全負荷脫硝的實現，以及空預器堵塞、引風機電耗增加等問題進行分析，指出氨逃逸是造成問題的根本原因，并且問題的嚴重程度會逐漸增加。根據脫硝噴氨控制原理，結合實際控制難點提出自動控制優化建議，達到精準噴氨及NO_x達標排放的目的。

關鍵詞：燃煤機組；NO_x超低排放；自動控制優化

引言

2014年9月，《煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014—2020年）》發布，要求“各地進一步提升煤電清潔高效發展水平”。2021年12月，江蘇發布《燃煤電廠大氣污染物排放標準》（DB 32/4148-2021），提出“氮氧化物排放濃度限值為30mg/m³”，較超低排放50mg/m³的要求更加嚴格。目前，我國燃煤機組脫硝改造中聯合應用低NO_x燃燒與煙氣脫氮技術，使得氮氧化物等有害物質的排放持續下降，且已穩定達到超低排放限值要求。另外，由于加裝脫硝裝置后，鍋爐熱損失增大會引起一定程度的效率下降，且煙道阻力增加造成引風機壓升上漲、電耗升高，以及直接影響機組帶負荷能力等，因此燃煤機組脫硝系統運行過程中，煙氣成分的改變及流動不均勻性增強等因素使空預器積灰、腐蝕、漏風等問題逐步凸顯[1]。本文通過全負荷脫硝實現過程中存在問題的分析，指出大量噴氨造成氨逃逸是根本原因，并結合噴氨自動控制原理提出優化建議以提高燃煤機組脫硝效率，減少氨耗量、降低氨逃逸，進一步緩解設備運行壓力。

1脫硝系統概況

江蘇國信揚州發電有限責任公司二期工程，2臺650MW燃煤機組脫硝系統，采用選擇性催化還原（SCR）法來達到去除煙氣中NO_x的目的。單爐配置2臺SCR反應器，每臺反應器安裝3層催化劑，每層催化劑上方安裝5臺聲波吹灰器。反應器布置在鍋爐省煤器與空預器之間，其出口新增一級省煤器。省煤器未設旁路煙道，但增加水側旁路。

脫硝還原劑制備采用尿素水解制氨工藝，液氨蒸發法作為備用，系統設備集中布置于啟動鍋爐房。含氨成品氣由空氣稀釋到5%體積濃度以下后被注入SCR反應器入口煙道中，并與一定溫度下的煙氣充分混合，然后流經催化劑層完成NO_x與NH₃的還原反應生成N₂和H₂O，實現煙氣中NO_x的高效脫除。按照SCR反應器進口NO_x濃度450mg/Nm³、出口濃度30mg/Nm³設計，單臺機組脫硝耗氨量最大為340kg/h。

2 NO_x超低排放問題

2.1全負荷脫硝的實現

低負荷下煙氣溫度偏低，若SCR反應器入口煙溫低于催化劑設計運行溫度（295～420℃），脫硝系統將被迫自動退出。中壓缸冷態啟動過程中，采用汽輪機2300rpm中速暖機時投入高加、機組并網前盡量開大高旁等措施為強化燃燒創造條件。只有保證脫硝系統的正常投運才能滿足環保管控要求，但現有的實踐證明基于零改造的應用雖對煙溫的提升有一定效果，卻存在局限性，機組并網約2h后SCR反應器入口煙溫才能達到催化劑應用的溫度窗口。通過在省煤器進口集箱前加裝調節閥和連接管道實現部分給水短路（須嚴格控制省煤器懸吊管出口水溫過冷度≥5℃），以及將#2高加汽源由二段抽汽改為臨爐（供熱母管）供汽，大幅度減少給水在省煤器中的吸熱量，從而有效提高SCR 反應器入口煙溫、提高脫硝系統的投運率，確保全負荷脫硝的實現。

2.2噴氨量影響分析

燃料型NO_x是燃煤鍋爐氮氧化物生成的主要途徑，并且爐膛溫度越高、過量空氣系數越大，則氮氧化物生成量越多[2]。機組負荷大幅度波動、不同制粉系統啟停和運行，以及爐內燃燒工況的劇烈變化，使SCR反應器入口出現較大的NO_x動態偏差，在全負荷脫硝要求下易造成階段性過量噴氨。此外，煙氣中細小飛灰顆粒及低溫下NH4HSO4會逐漸附著于催化劑表面甚至緩慢滲入微孔中堵塞孔徑，可直接導致催化劑損壞、坍塌、活性降低，最終造成脫硝效率下降、系統用氨量增加、氨逃逸率上升等問題[3]。

現階段，在保證煙囪入口NO_x濃度小時均值不超標及上限（37mg/m³）控制方式下，機組不同穩定負荷對應SCR反應器運行狀況如表1所示。SCR反應器進、出口均安裝有煙氣排放連續監測系統（CEMS）測量儀表，煙氣采用抽取法單點連續測量。氮氧化物濃度為基準氧含量6%條件下的計算值，故氧量偏高時折算后的NO_x濃度偏高。低負荷時，燃料量少且風量相對較低使NO_x生成量少，同時煙氣溫度低使NO_x生成速率下降，導致噴氨量小且氨逃逸維持在低水平。隨著負荷增加，鍋爐燃燒率提高，煙氣量增加且煙溫上升，因此高負荷下反應器內溫度不僅會加快脫硝反應速率、縮短達到平衡的時間，而且會影響催化劑活性，使得脫硝效率下降并造成噴氨量急劇增加、氨逃逸率增大。

2.3氨逃逸的影響

SCR法主要化學反應如下所示。

4NO + 4NH₃ + O₂ → 4N₂ + 6H₂O

2NO₂ + 4NH₃ + O₂ → 3N₂ + 6H2O

根據脫硝反應方程式，理論所需NH3與NO_x物質的量之比在1～2之間。由于化學反應過程中活化分子數量有限，反應物不可能實現完全轉化[4]，因此工程應用中采用NH3與NO_x物質的量之比為1.05時，可保證氮氧化物的達標排放及滿足氨逃逸率≤3ppm的行業標準[5]。SCR反應器在實際運行中普遍存在入口煙氣流量多變、流場復雜、氮氧化物濃度波動幅度大，以及反應截面上NH3與NO_x混合不均勻等問題，從而造成大量NH3未反應，直接危及后續設備和系統的安全運行。

氨逃逸后與煙氣中SO3、水蒸氣反應生成具有腐蝕性和黏結性的硫酸鹽，其易與煙氣中的飛灰顆粒冷凝沉積在空預器中下部的換熱元件表面。一方面造成傳熱效率下降、鍋爐排煙溫度上升，損失增大；另一方面導致煙氣系統阻力上升并使引風機電耗增加，堵塞嚴重時甚至會造成空預器轉子卡澀、電流晃動。

空預器出口煙溫通常低于150℃，經低溫省煤器再次降溫后，使得煙氣在進入靜電除塵器之前其溫度就已下降至酸露點溫度以下，此時硫酸氫氨充分凝結。粘附力作用下，大量飛灰包裹并附著于電除塵極板和極線，不僅會影響除塵效率，更會危及系統的穩定運行[6]。逃逸的NH3進入濕法脫硫裝置后，一部分溶解于脫硫漿液中，另一部分則以銨鹽氣溶膠的形式隨煙氣排出，從而影響燃煤鍋爐PM2.5排放特性，此時為保證吸收塔內漿液與副產品石膏中氮氧化合物含量不超標，往往會將廢水輸送至污水汽提裝置進行處理，卻又導致脫硫系統能耗增加且運行成本上升[7]。

3脫硝控制

3.1噴氨自動控制原理及難點

噴氨流量調節是脫硝系統控制的主要任務，其效果體現在達到環保指標要求下的脫硝效率及滿足行業標準下的氨逃逸率，SCR煙氣脫硝噴氨自動控制原理如圖1所示。效率模式下的脫硝系統自動控制采用串級回路控制策略。主調控制回路根據SCR進口NO_x濃度和煙氣量乘積，按照固定的氨氮摩爾比計算理論噴氨量，并在滿足脫硝效率要求下利用SCR出口NO_x濃度進行摩爾比修正。副調控制回路以修正的理論噴氨量作為控制器的給定值，與實際噴氨流量的偏差經調節后輸出噴氨流量調節閥的控制指令，通過噴氨流量的改變最終實現NO_x濃度控制。此外，將機組負荷、鍋爐總風量、SCR進口氧量、氨逃逸濃度等參數作為前饋信號引入控制系統，能夠在一定程度上改善噴氨自動控制系統對多變工況的適應性。

事實上，脫硝過程是一個復雜的非線性化學反應過程，被控過程的動態特性會隨著催化劑的不斷消耗而發生較大變化[8]。另外，CEMS為單點測量，測量精度較低、偏差較大，因此在非穩定工況下開環控制的固定摩爾比方式很難取得理想效果。

3.2控制系統優化建議

鍋爐負荷變化或燃燒方式調整時，在不考慮供氨穩定性、催化劑活性影響等條件下，傳統均勻噴氨方式無法使NH3與NO_x濃度場匹配，局部過量噴氨造成NH3利用率低成為脫硝系統運行過程中耗氨量高且氨逃逸嚴重的主要原因。因此，優化以SCR出口NO_x濃度和不均勻度為控制對象的噴氨控制系統，不僅能夠降低SCR出口NO_x時間上的波動性，還能緩解其空間上的不均勻性。

噴氨總量控制是在原有控制回路基礎上引入鍋爐運行參數，通過算法優化實現SCR區域總體工況的預測和反饋控制。對噴氨總流量進行調節是為了盡可能地降低出口NO_x波動性，保證系統安全平穩、經濟運行。噴氨格柵分區控制是對氨空混合器后的還原劑進行分配調節，使進入噴氨格柵各個區域的還原劑濃度相對關系發生變化，控制SCR出口各個分區NO_x濃度趨于一致。總量控制有利于分區調節的調平效果，分區調節使SCR出口CEMS儀表的取樣更具代表性，兩者相輔相成共同作用。

當前，脫硝系統流場分區優化改造為反應器出口截面采用8點輪流測量，單個測點測量時間為17s。分區測點時均值為1個計算周期（10輪）內的濃度平均值，8個分區測點的時均值求和取平均即為單側煙道NO_x時均值。運行過程中，被控對象更大的純時滯性使控制系統大滯后的特點更加顯著。若分區能夠同步進行實時采樣，則將大幅縮短反應截面NO_x含量分布周期分析時間，不但能使環保指標滿足現行考核要求，而且可以減小脫硝系統的穩態誤差。

結語

650MW燃煤機組脫硝改造后，雖然氮氧化物排放濃度顯著降低，但空預器堵塞、引風機電耗增加等問題卻大大增加了運營成本。特別是對于前后墻對沖燃燒鍋爐而言，煙氣中NO_x濃度的不均性更大，空預器差壓上漲問題更為普遍。爐內低氮燃燒方式下SCR入口NO_x濃度較低，采用脫硝系統優化后的濃度控制模式，既能解決總出口NO_x濃度波動問題，又能解決分區NO_x濃度分布不均勻問題，這種控制方式雖然相對復雜，卻可減少耗氨量，系統運行的經濟性較高。

參考文獻

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[4]冀文亮.某超臨界燃煤電廠脫硝系統中噴氨量影響指標分析[J].寧夏工程技術，2019，18（2）：138-139，144.

[5] GB/T 32156-2015，燃煤煙氣脫硝技術裝備調試規范[S].

[6]金文鋒.燃煤機組SCR脫硝后煙氣對電袋復合除塵器的影響[J].科技創新與應用，2021，11（12）：59-62.

[7]馬文杰，孫道華.火電廠脫硝逃逸氨對脫硫系統及環境影響分析研究[J].環境科技，2019，32 （5）：24-27，34.

[8]王進，溫永凱，陳鵬宇，等.基于多點在線同步測量的脫硝精確噴氨分區控制系統：中國，202022638595.7[P].2021-08-17.

作者簡介

陳佳（1991—），女，漢族，江蘇宜興人，工程師，碩士，主要從事熱能與動力、生物質能利用等研究工作。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-05-09