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案例頻道★江西大唐國際新余第二發電有限責任公司黎志萍
關鍵詞：SCR脫硝；過量噴氨；精準噴氨；噴氨控制
氮氧化合物（NOx）是主要大氣污染物之一，對環境危害非常嚴重，而火力發電是NOx的主要排放源。近年來，我國氮氧化物排放量隨著能源消費的快速增長而迅速上升。為了改善日益惡化的生態環境，2015年環保部等三部委發布的《全面實施燃煤電廠超低排放和節能改造工作方案》中明確要求2020年前實現超低排放，其中NOx排放標準為：在基準氧含量6%條件下不高于50mg/m3，這意味著多數項目需達到80%至90%以上的脫硝效率。為達到高脫硝效率，勢必會增加氨噴射量；同時，常規的SCR設計采用的是單一噴氨單元系統，總體較為粗放，進一步增加了噴氨過量的可能性。在超低排放要求下，電廠普遍存在過量噴氨問題[1-2]。
氨成本在脫硝日常運行成本中占比可達50%以上，過量噴氨電廠的運行成本也將長期偏高。此外，過量噴氨會加劇硫酸氫銨的生成，帶來催化劑堵塞、空預器腐蝕等一系列問題，嚴重影響電力系統的正常運行。因此，在現有系統基礎上進行精準噴氨對于提高發電系統整體運行的穩定性和經濟性意義重大。
1 噴氨過量原因分析
超低排放條件下常規SCR系統普遍存在噴氨過量，主要基于以下幾個原因：
1.1 噴氨控制系統不精確
國內燃煤電廠煙氣脫硝噴氨量控制系統中的SCR反應器NOx濃度及氨量控制主要有兩種方式：固定摩爾比控制和固定出口NOx濃度控制[3-5]。
固定摩爾比控制中，煙氣流量與脫硝反應器入口的NOx濃度進行計算得出煙氣中的NOx流量，再根據系統設定的氨氮摩爾比例和計算出的NOx流量得出系統需要的氨耗量。機組運行中，噴氨流量調節閥的控制隨著脫硝入口NOx濃度的升高而升高；為保證系統的脫硝效率，固定摩爾比控制下設定的摩爾比通常高于根據脫硝效率計算出的摩爾比。固定摩爾比控制方式雖然簡單，但在控制中只考慮了脫硝效率，沒有考慮出口NOx濃度的變化；當入口的NOx濃度較低時，上述方式會引起SCR過度脫氮，造成運行成本增加。
在固定出口NOx濃度控制中，煙氣脫硝控制系統根據系統設定的出口NOx濃度值與反應器出口NOx濃度的測量值作比較，將所得差值作為系統控制器的輸入值，接著PID調制器經運算后，發出指令來改變噴氨調節閥的開度，通過不斷調整噴氨量，最終將出口NOx濃度控制在標準要求的范圍內。固定出口控制方式只考慮了脫硝系統出口NOx濃度的變化，當SCR入口NOx濃度過高時，若系統設定的出口NOx濃度不變，則系統的脫硝效率將顯著增加，有可能超出催化劑的脫硝能力，從而造成系統過度噴氨，導致氨逃逸增大、運行成本增加。
此外，常規SCR系統設計假定在同一截面煙氣流速和NOx濃度為相同狀態，因此采用單一控制調節閥對整個噴氨格柵流量進行控制，在煙道出口也僅用單一測點來代表整個斷面的出口NOx值，并作為反饋值代入噴氨控制系統。但是上述同一斷面不同位置煙氣流速和NOx濃度通常存在差異，造成實際需要的噴氨量與依靠測點反饋計算出的噴氨量存在偏差，將再次誘發噴氨過量問題。
1.2 流場條件惡劣
眾所周知，煙氣流場對脫硝系統有重要影響，良好的流場性能是SCR脫硝裝置正常運行的前提條件。但是，流場異常在SCR脫硝裝置中普遍存在，且未得到足夠重視。在導流條件不佳的情況下，流場存在較大的氨濃度分布不均勻的可能，從而造成在催化反應區氨氮摩爾比偏離理想值，導致脫硝性能下降[6]。如圖1所示，某項目由于未考慮導流設計，在豎直煙道段存在嚴重的煙氣偏流現象，導致催化劑入口氨濃度分布極不均，顯著影響了脫硝性能，因此在催化劑反應部分區域存在氨氣不足，而部分區域則氨氣過量。為保證所有區域還原劑氨量充足，勢必要加大噴氨量，從而導致脫硝系統過量噴氨，引發氨逃逸量大、硫酸氫銨大量生成等問題。
圖1 某項目煙氣跡線和催化劑入口截面氨濃度分布
1.3 噴氨格柵設計不合理
SCR工藝中氨氣通過噴氨管輸送至噴氨格柵，經過噴氨格柵再分配后由噴孔噴出與煙氣混合，最后在催化劑區域進行NOx的還原反應，將NOx還原為N2，完成脫硝。由于噴氨格柵布置形式對噴氨的均勻性和系統的調節性能有重要影響，因此會影響系統的脫硝性能[7]。傳統的SCR噴氨格柵采用單調閥設計，難以精細化控制，且在格柵管道布置上較為隨意，各噴氨孔流量不一致普遍存在[7]。如圖2所示，某項目采用圖中所示的噴氨管道布置時，奇偶數支管流量存在50%以上的偏差，這勢必會使催化劑各區域氨氮比不一致，從而導致過量噴氨問題。
圖2 某項目噴氨管道示意圖
2 精準噴氨技術與方法
2.1 智能化噴氨控制技術
針對傳統控制算法存在的噴氨系統滯后、對變負荷工況適應性差的問題，本研究針對傳統控制算法進行改良和再創新。圖3展示了目前智能化噴氨控制普遍采用的算法邏輯。在智能化噴氨控制策略中，在原有、前后反饋基礎上，引入變負荷智能預噴氨、氧量與風煤比前饋、煙囪出口NOx偏差校正、CEMS儀表吹掃校正等計算模型，不僅考慮了負荷波動的影響，還考慮了出口NOx波動，以及機組運行參數與入口NOx濃度的連動性，能有效解決常規控制邏輯存在的不足。在具體實施上，該優化方案所需增加的硬件設備極少，僅需重新修改控制程序并與DCS重新組態即可，實施時極為快捷簡便，具有較好的應用推廣價值[5]。
圖3 智能噴氨控制邏輯
2.2 分區測量與噴氨調節技術
針對上述問題，分區測量和噴氨調節技術近年來被逐步使用。該技術的顯著特征為將出口斷面假定分為多個區域，在每個區域中心設置一個監測點作為控制反饋值；同時，與測量點相匹配，對噴氨格柵進行分割，將噴氨格柵對應測點區域分割成若干組，每一組格柵對應設置一個控制調閥，對所覆蓋區域進行噴氨量調節[2,8]。分區測量與噴氨調節典型布置形式如圖4所示。
圖4 分區測量和格柵分區示意圖
格柵分區除了能實現劃塊噴氨外，由于其變相縮短了在寬度方向噴氨母管長度和所控制的噴孔數量，因此可以顯著減小各個噴孔的流量差異，從而進一步提高了噴氨的準確性。
2.3 精細化流場設計
通過對原導流板結構和布置進行重新設計優化（見圖5a），如：調整反應器罩體的斜頂與水平夾角，斜頂內壁加裝導流柱；在SCR水平煙道入口處加裝導流板；對豎直煙道上下彎頭處導流板進行優化等[7,9]，可以顯著提升原有系統的流場性能，消除偏流、均勻性差等典型問題，為精準噴氨奠定基礎條件。
此外，為進一步提高分區噴氨的有效性，在豎直煙道布置分區強制混合器已被部分項目所采用（見圖5b和5c）。利用分區混合器將豎直煙道分成與格柵分區數一致的分區，使分區內煙氣形成旋轉混合，并在較短距離內盡可能混合均勻。分區間不設置物理隔板，通過氣流的合理組織可保持相對獨立，不相互混合，維持分區前后良好的對應性，為噴氨分區控制提供保證。
圖5 流場改造及分區混合示意圖
3 應用案例
某600MW燃煤發電機組原始存在氨耗量大、氨逃逸高，并由此誘發空預器堵塞等一系列問題。經過采用精細化流場設計、分區測量與噴氨調節技術和噴氨控制算法優化后，噴氨量性能得到了顯著提升。噴氨波動明顯減小，噴氨量大幅下降，平均噴氨量由160kg/h降至105kg/h，改造效果明顯。
圖6 精準噴氨改造前后噴氨量曲線
4 小結
（1）噴氨控制系統不精確、流場條件惡劣和噴氨格柵設計不合理是導致過量噴氨的主要原因，嚴重影響機組的經濟、穩定運行。
（2）通過智能化噴氨控制技術、分區測量與噴氨調節技術和精細化流場設計等先進技術，可以有效消除常規SCR系統存在的過量噴氨問題，實現系統的精準噴氨。
（3）應用案例表明，采用針對性精準噴氨技術后，噴氨量顯著下降，改造效果明顯。
作者簡介：
黎志萍（1972-），男，江西萍鄉人，工程師，本科，現就職于江西大唐國際新余第二發電有限責任公司，研究方向為熱控及智慧電廠。
參考文獻：
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摘自《自動化博覽》2023年12月刊
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號