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燃煤電廠SCR脫硝精準(zhǔn)噴氨實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用
  • 企業(yè):     行業(yè):電力    
  • 點(diǎn)擊數(shù):1908     發(fā)布時(shí)間:2023-12-30 15:00:40
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本文針對(duì)燃煤電廠SCR脫硝存在的過量噴氨問題進(jìn)行了梳理,探討了實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)噴氨的技術(shù)和方法,展示了精準(zhǔn)噴氨技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果。本文分析得出,噴氨控制系統(tǒng)不精確、流場(chǎng)條件惡劣和噴氨格柵設(shè)計(jì)不合理是導(dǎo)致SCR脫硝過量噴氨的主要原因;運(yùn)用智能化噴氨控制技術(shù)、分區(qū)測(cè)量與噴氨調(diào)節(jié)技術(shù)和精細(xì)化流場(chǎng)設(shè)計(jì)可以抑制過量噴氨的發(fā)生,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)噴氨;應(yīng)用所提出的新技術(shù)后,系統(tǒng)的噴氨量大幅下降。

★江西大唐國際新余第二發(fā)電有限責(zé)任公司黎志萍

關(guān)鍵詞:SCR脫硝;過量噴氨;精準(zhǔn)噴氨;噴氨控制

氮氧化合物(NOx)是主要大氣污染物之一,對(duì)環(huán)境危害非常嚴(yán)重,而火力發(fā)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(fèi)的快速增長(zhǎng)而迅速上升。為了改善日益惡化的生態(tài)環(huán)境,2015年環(huán)保部等三部委發(fā)布的《全面實(shí)施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》中明確要求2020年前實(shí)現(xiàn)超低排放,其中NOx排放標(biāo)準(zhǔn)為:在基準(zhǔn)氧含量6%條件下不高于50mg/m3,這意味著多數(shù)項(xiàng)目需達(dá)到80%至90%以上的脫硝效率。為達(dá)到高脫硝效率,勢(shì)必會(huì)增加氨噴射量;同時(shí),常規(guī)的SCR設(shè)計(jì)采用的是單一噴氨單元系統(tǒng),總體較為粗放,進(jìn)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(yùn)行成本中占比可達(dá)50%以上,過量噴氨電廠的運(yùn)行成本也將長(zhǎng)期偏高。此外,過量噴氨會(huì)加劇硫酸氫銨的生成,帶來催化劑堵塞、空預(yù)器腐蝕等一系列問題,嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因此,在現(xiàn)有系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行精準(zhǔn)噴氨對(duì)于提高發(fā)電系統(tǒng)整體運(yùn)行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性意義重大。

1 噴氨過量原因分析

超低排放條件下常規(guī)SCR系統(tǒng)普遍存在噴氨過量,主要基于以下幾個(gè)原因:

1.1 噴氨控制系統(tǒng)不精確

國內(nèi)燃煤電廠煙氣脫硝噴氨量控制系統(tǒng)中的SCR反應(yīng)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(yīng)器入口的NOx濃度進(jìn)行計(jì)算得出煙氣中的NOx流量,再根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的氨氮摩爾比例和計(jì)算出的NOx流量得出系統(tǒng)需要的氨耗量。機(jī)組運(yùn)行中,噴氨流量調(diào)節(jié)閥的控制隨著脫硝入口NOx濃度的升高而升高;為保證系統(tǒng)的脫硝效率,固定摩爾比控制下設(shè)定的摩爾比通常高于根據(jù)脫硝效率計(jì)算出的摩爾比。固定摩爾比控制方式雖然簡(jiǎn)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(dāng)入口的NOx濃度較低時(shí),上述方式會(huì)引起SCR過度脫氮,造成運(yùn)行成本增加。

在固定出口NOx濃度控制中,煙氣脫硝控制系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的出口NOx濃度值與反應(yīng)器出口NOx濃度的測(cè)量值作比較,將所得差值作為系統(tǒng)控制器的輸入值,接著PID調(diào)制器經(jīng)運(yùn)算后,發(fā)出指令來改變噴氨調(diào)節(jié)閥的開度,通過不斷調(diào)整噴氨量,最終將出口NOx濃度控制在標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi)。固定出口控制方式只考慮了脫硝系統(tǒng)出口NOx濃度的變化,當(dāng)SCR入口NOx濃度過高時(shí),若系統(tǒng)設(shè)定的出口NOx濃度不變,則系統(tǒng)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(tǒng)過度噴氨,導(dǎo)致氨逃逸增大、運(yùn)行成本增加。

此外,常規(guī)SCR系統(tǒng)設(shè)計(jì)假定在同一截面煙氣流速和NOx濃度為相同狀態(tài),因此采用單一控制調(diào)節(jié)閥對(duì)整個(gè)噴氨格柵流量進(jìn)行控制,在煙道出口也僅用單一測(cè)點(diǎn)來代表整個(gè)斷面的出口NOx值,并作為反饋值代入噴氨控制系統(tǒng)。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(shí)際需要的噴氨量與依靠測(cè)點(diǎn)反饋計(jì)算出的噴氨量存在偏差,將再次誘發(fā)噴氨過量問題。

1.2 流場(chǎng)條件惡劣

眾所周知,煙氣流場(chǎng)對(duì)脫硝系統(tǒng)有重要影響,良好的流場(chǎng)性能是SCR脫硝裝置正常運(yùn)行的前提條件。但是,流場(chǎng)異常在SCR脫硝裝置中普遍存在,且未得到足夠重視。在導(dǎo)流條件不佳的情況下,流場(chǎng)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(yīng)區(qū)氨氮摩爾比偏離理想值,導(dǎo)致脫硝性能下降[6]。如圖1所示,某項(xiàng)目由于未考慮導(dǎo)流設(shè)計(jì),在豎直煙道段存在嚴(yán)重的煙氣偏流現(xiàn)象,導(dǎo)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(yīng)部分區(qū)域存在氨氣不足,而部分區(qū)域則氨氣過量。為保證所有區(qū)域還原劑氨量充足,勢(shì)必要加大噴氨量,從而導(dǎo)致脫硝系統(tǒng)過量噴氨,引發(fā)氨逃逸量大、硫酸氫銨大量生成等問題。

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圖1 某項(xiàng)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(shè)計(jì)不合理

SCR工藝中氨氣通過噴氨管輸送至噴氨格柵,經(jīng)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(qū)域進(jìn)行NOx的還原反應(yīng),將NOx還原為N2,完成脫硝。由于噴氨格柵布置形式對(duì)噴氨的均勻性和系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能有重要影響,因此會(huì)影響系統(tǒng)的脫硝性能[7]。傳統(tǒng)的SCR噴氨格柵采用單調(diào)閥設(shè)計(jì),難以精細(xì)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(xiàng)目采用圖中所示的噴氨管道布置時(shí),奇偶數(shù)支管流量存在50%以上的偏差,這勢(shì)必會(huì)使催化劑各區(qū)域氨氮比不一致,從而導(dǎo)致過量噴氨問題。

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圖2 某項(xiàng)目噴氨管道示意圖

2 精準(zhǔn)噴氨技術(shù)與方法

2.1 智能化噴氨控制技術(shù)

針對(duì)傳統(tǒng)控制算法存在的噴氨系統(tǒng)滯后、對(duì)變負(fù)荷工況適應(yīng)性差的問題,本研究針對(duì)傳統(tǒng)控制算法進(jìn)行改良和再創(chuàng)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(chǔ)上,引入變負(fù)荷智能預(yù)噴氨、氧量與風(fēng)煤比前饋、煙囪出口NOx偏差校正、CEMS儀表吹掃校正等計(jì)算模型,不僅考慮了負(fù)荷波動(dòng)的影響,還考慮了出口NOx波動(dòng),以及機(jī)組運(yùn)行參數(shù)與入口NOx濃度的連動(dòng)性,能有效解決常規(guī)控制邏輯存在的不足。在具體實(shí)施上,該優(yōu)化方案所需增加的硬件設(shè)備極少,僅需重新修改控制程序并與DCS重新組態(tài)即可,實(shí)施時(shí)極為快捷簡(jiǎn)便,具有較好的應(yīng)用推廣價(jià)值[5]

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圖3 智能噴氨控制邏輯

2.2 分區(qū)測(cè)量與噴氨調(diào)節(jié)技術(shù)

針對(duì)上述問題,分區(qū)測(cè)量和噴氨調(diào)節(jié)技術(shù)近年來被逐步使用。該技術(shù)的顯著特征為將出口斷面假定分為多個(gè)區(qū)域,在每個(gè)區(qū)域中心設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)作為控制反饋值;同時(shí),與測(cè)量點(diǎn)相匹配,對(duì)噴氨格柵進(jìn)行分割,將噴氨格柵對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)區(qū)域分割成若干組,每一組格柵對(duì)應(yīng)設(shè)置一個(gè)控制調(diào)閥,對(duì)所覆蓋區(qū)域進(jìn)行噴氨量調(diào)節(jié)[2,8]。分區(qū)測(cè)量與噴氨調(diào)節(jié)典型布置形式如圖4所示。

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圖4 分區(qū)測(cè)量和格柵分區(qū)示意圖

格柵分區(qū)除了能實(shí)現(xiàn)劃塊噴氨外,由于其變相縮短了在寬度方向噴氨母管長(zhǎng)度和所控制的噴孔數(shù)量,因此可以顯著減小各個(gè)噴孔的流量差異,從而進(jìn)一步提高了噴氨的準(zhǔn)確性。

2.3 精細(xì)化流場(chǎng)設(shè)計(jì)

通過對(duì)原導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)和布置進(jìn)行重新設(shè)計(jì)優(yōu)化(見圖5a),如:調(diào)整反應(yīng)器罩體的斜頂與水平夾角,斜頂內(nèi)壁加裝導(dǎo)流柱;在SCR水平煙道入口處加裝導(dǎo)流板;對(duì)豎直煙道上下彎頭處導(dǎo)流板進(jìn)行優(yōu)化等[7,9],可以顯著提升原有系統(tǒng)的流場(chǎng)性能,消除偏流、均勻性差等典型問題,為精準(zhǔn)噴氨奠定基礎(chǔ)條件。

此外,為進(jìn)一步提高分區(qū)噴氨的有效性,在豎直煙道布置分區(qū)強(qiáng)制混合器已被部分項(xiàng)目所采用(見圖5b和5c)。利用分區(qū)混合器將豎直煙道分成與格柵分區(qū)數(shù)一致的分區(qū),使分區(qū)內(nèi)煙氣形成旋轉(zhuǎn)混合,并在較短距離內(nèi)盡可能混合均勻。分區(qū)間不設(shè)置物理隔板,通過氣流的合理組織可保持相對(duì)獨(dú)立,不相互混合,維持分區(qū)前后良好的對(duì)應(yīng)性,為噴氨分區(qū)控制提供保證。

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圖5 流場(chǎng)改造及分區(qū)混合示意圖

3 應(yīng)用案例

某600MW燃煤發(fā)電機(jī)組原始存在氨耗量大、氨逃逸高,并由此誘發(fā)空預(yù)器堵塞等一系列問題。經(jīng)過采用精細(xì)化流場(chǎng)設(shè)計(jì)、分區(qū)測(cè)量與噴氨調(diào)節(jié)技術(shù)和噴氨控制算法優(yōu)化后,噴氨量性能得到了顯著提升。噴氨波動(dòng)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。

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圖6 精準(zhǔn)噴氨改造前后噴氨量曲線

4 小結(jié)

(1)噴氨控制系統(tǒng)不精確、流場(chǎng)條件惡劣和噴氨格柵設(shè)計(jì)不合理是導(dǎo)致過量噴氨的主要原因,嚴(yán)重影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行。

(2)通過智能化噴氨控制技術(shù)、分區(qū)測(cè)量與噴氨調(diào)節(jié)技術(shù)和精細(xì)化流場(chǎng)設(shè)計(jì)等先進(jìn)技術(shù),可以有效消除常規(guī)SCR系統(tǒng)存在的過量噴氨問題,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的精準(zhǔn)噴氨。

(3)應(yīng)用案例表明,采用針對(duì)性精準(zhǔn)噴氨技術(shù)后,噴氨量顯著下降,改造效果明顯。

作者簡(jiǎn)介:

黎志萍(1972-),男,江西萍鄉(xiāng)人,工程師,本科,現(xiàn)就職于江西大唐國際新余第二發(fā)電有限責(zé)任公司,研究方向?yàn)闊峥丶爸腔垭姀S。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2023年12月刊

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