Operation Optimization of Denitration System in SCR

上海電力股份公司 徐亦淳上海上電漕涇發(fā)電有限公司 胡震，馬建華

SCR脫硝系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化

Operation Optimization of Denitration System in SCR

上海電力股份公司 徐亦淳上海上電漕涇發(fā)電有限公司 胡震，馬建華

SCR脫硝裝置在設(shè)計(jì)階段雖然進(jìn)行了流場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以保證SCR入口截面煙氣流速和NOx分布的均勻。但往往由于現(xiàn)場(chǎng)空間限制和安裝因素影響，實(shí)際運(yùn)行中SCR入口截面NOx分布偏差較大，經(jīng)常達(dá)到20%以上，為保證排放NOx濃度和脫硝效率，部分區(qū)域氨過剩，反應(yīng)器出口氨逃逸超出限值。這就提出了“等摩爾比噴氨”優(yōu)化的理念，“SCR脫硝優(yōu)化運(yùn)行系統(tǒng)”就是基于此理論基礎(chǔ)上，開發(fā)的SCR AIG噴氨格柵在線優(yōu)化系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)機(jī)組運(yùn)行的實(shí)際情況，分析截面分布圖和變化趨勢(shì)，可以有計(jì)劃、有步驟地控制不同區(qū)域的噴氨量，實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域不同的NH3/NOx摩爾比，從而充分發(fā)揮有限體積的催化劑的性能，在氨逃逸率較小前提下，實(shí)現(xiàn)較高的脫硝效率。

在線優(yōu)化控制；等摩爾比噴氨；氨逃逸；虛擬測(cè)量

根據(jù)國(guó)家環(huán)境保護(hù)部和國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局在2011年7月29日聯(lián)合發(fā)布的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)GB13223-2011》的精神，要求燃煤電廠氮氧化物排放限值由200mg/Nm3調(diào)整為100mg/ Nm3。當(dāng)今降低NOx的污染主要有兩種措施: 一是控制燃燒過程中NOx的生成，即低NOx燃燒技術(shù)，亦稱一級(jí)低氮技術(shù)；二是對(duì)生成的NOx進(jìn)行處理，即煙氣脫硝技術(shù)，亦稱二級(jí)脫氮技術(shù)。

如果要達(dá)到新頒布的排放要求，僅采用一級(jí)低氮技術(shù)是不夠的，因此目前電廠均加裝了二級(jí)脫氮技術(shù)的SCR設(shè)備。SCR是脫硝效率最高、最為成熟的脫硝技術(shù)，該技術(shù)在日本、歐洲、美國(guó)得到廣泛應(yīng)用，已成為目前國(guó)內(nèi)外電站脫硝比較成熟的主流技術(shù)。但如果過度使用SCR技術(shù)來脫硝，會(huì)造成氨逃逸，逃逸的氨與煙氣中的SO3反應(yīng)，形成硫酸氫銨，其凝結(jié)點(diǎn)高于通過空預(yù)器冷卻后的煙氣溫度，冷卻后的硫酸氫銨像瀝青一般，非常粘稠，它與煙氣中的粉塵結(jié)合會(huì)造成空預(yù)器堵塞或腐蝕，引起機(jī)組效率降低和/或出力下降，嚴(yán)重的話還會(huì)造成機(jī)組的非計(jì)劃停役。另外，氨逃逸還會(huì)形成二次污染，在美國(guó)把其稱之為“Blue Plume（藍(lán)羽毛）”，會(huì)造成耕田土壤的板結(jié)。

因此有必要對(duì)SCR的運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化控制并深入研究，確保SCR的安全穩(wěn)定運(yùn)行及電廠利潤(rùn)最大化。

1 設(shè)備簡(jiǎn)介

漕涇電廠1號(hào)爐配有上海電氣石川島電站環(huán)保工程有限公司提供的煙氣脫硝系統(tǒng)（SCR），采用選擇性催化還原脫硝法（SCR），還原劑采用液氨。脫硝系統(tǒng)按單煙道單SCR反應(yīng)器形式設(shè)計(jì)，SCR反應(yīng)器尺寸為26.44m（W）×15.20m（D）×12.0m（H）, 最大允許煙氣溫度為420℃，設(shè)計(jì)壓力±8700Pa。SCR反應(yīng)器設(shè)計(jì)成煙氣豎直向下流動(dòng)，反應(yīng)器進(jìn)出口段合理設(shè)置導(dǎo)流板，入口處設(shè)氣流均布整流裝置，以保證催化劑對(duì)煙氣分布、溫度分布等的要求。

在SCR反應(yīng)器入口布置有3×8個(gè)噴氨小室，每個(gè)噴氨小室有一個(gè)“氨”噴入嘴，每個(gè)噴嘴原來設(shè)計(jì)有一個(gè)手動(dòng)門控制，如圖1所示。

2 SCR脫硝優(yōu)化運(yùn)行思路

結(jié)合目前SCR設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)SCR的噴氨格柵門進(jìn)行在線優(yōu)化控制，嚴(yán)格監(jiān)控氨逃逸及確保SCR運(yùn)行在其最佳效率區(qū)。

當(dāng)前脫硝效率是衡量SCR裝置性能的重要指標(biāo)，它與SCR裝置的造價(jià)成本等密切相關(guān)。SCR煙氣脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)的脫硝效率一般要求為80%~85%，這對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了很高的要求。制約脫硝效率的因素有：

（1）最大允許氨逃逸率 (低于3×10-6ppm)；

圖1 上海上電漕涇發(fā)電有限公司1號(hào)鍋爐SCR布置圖

（2）SCR反應(yīng)器入口煙氣流的分布狀態(tài)。SCR反應(yīng)器入口煙氣流的分布狀態(tài)需要通過合理的煙道設(shè)計(jì)來調(diào)整；

（3）NOx/ NH3混合效果。NOx/NH3混合效果是這三個(gè)因素中最難克服的問題。

有試驗(yàn)數(shù)據(jù)為證，氨逃逸率與NOx/NH3混合效果有著密切的關(guān)聯(lián)，氨的分布對(duì)SCR系統(tǒng)運(yùn)行的最佳性能非常重要。煙氣流在煙道內(nèi)很難做到理想均勻分布，而且其分布特性會(huì)隨著鍋爐負(fù)荷、磨煤機(jī)組合等因素發(fā)生變化。如果采用目前常規(guī)的均衡AIG噴氨格柵的方法，就會(huì)造成NOx/NH3混合效果下降，會(huì)導(dǎo)致氨逃逸率升高；相反，會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)區(qū)域脫硝效果差。

當(dāng)脫硝效率較高時(shí)，如氨分布稍有不均，就會(huì)出現(xiàn)局部逃逸峰值和較高的逃逸平均值。如要求氨逃逸平均值必須保持在3×10-6ppm以內(nèi)，那么應(yīng)經(jīng)常更換催化劑。實(shí)際上，即使分布不均程度較輕，氨逃逸峰值也足以引發(fā)問題。這是因?yàn)槊撓跣瘦^高時(shí)，如果系統(tǒng)沒有調(diào)節(jié)氨分布不均的能力，當(dāng)部分煙氣含氨量超過NOx反應(yīng)量時(shí)，多余的氨流經(jīng)系統(tǒng)時(shí)就會(huì)逃逸。

氨逃逸率值由于在10-6ppm等級(jí)內(nèi)，且與安裝位置有著緊密的關(guān)系，因此一直是一個(gè)較難在線測(cè)量的值。目前的技術(shù)只能較為正確反映氨逃逸率的變化趨勢(shì)，而且電廠一般只配備兩套氨逃逸率測(cè)量裝置，因此只能得到氨逃逸率的均值，并不能具體真實(shí)反映具體氨逃逸率的分布狀況。

我們通過離線人工網(wǎng)格法，在各個(gè)負(fù)荷段和磨煤機(jī)的組合下測(cè)量氨逃逸率的情況，然后通過OPTC-Sensor建立在線數(shù)學(xué)模型，再用電廠現(xiàn)有的在線氨逃逸表計(jì)值進(jìn)行修正，得出氨逃逸煙道內(nèi)在線分布值表單。

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)氨逃逸率在不同空間位置的分布情況，采用矩陣控制理念，進(jìn)行有計(jì)劃、有步驟地控制不同區(qū)域的噴氨量，實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域不同的NOx/NH3配比，達(dá)到實(shí)現(xiàn)高效率、低成本運(yùn)行脫硝（SCR）的優(yōu)化目的。

3 鍋爐燃燒與脫硝運(yùn)行綜合優(yōu)化項(xiàng)目實(shí)施情況

2013年5～6月，利用1號(hào)機(jī)組檢修時(shí)間，我們完成了DCS邏輯的修改，優(yōu)化控制器同DCS的通訊，所有硬件的安裝改造，如加裝SCR噴氨格柵遠(yuǎn)程控制氣動(dòng)調(diào)門及手動(dòng)隔絕門的改造。

至此，老砍頭身份浮出水面，他是個(gè)隱匿于市井的刺客。他不是什么活兒都接的，只有最棘手的事，才會(huì)找上他。他接活兒，不跟對(duì)方見面，也不用書信。他去米店買米，對(duì)方有什么事，都寫在米粒上，混在一麻袋米里面。老砍頭把一袋米運(yùn)回家，找出有字的米，看完了，就把它和其他米混在一塊上鍋煮，等煮成熟飯，就什么痕跡也找不著了。吃完米飯，他就對(duì)家人說要做生意去了，實(shí)則是殺人去了。

2013年8~11月期間，由西安熱工院和上海明華電力技術(shù)工程有限公司一起完成了100%、70%、45%機(jī)組負(fù)荷下，脫硝系統(tǒng)（SCR）分區(qū)試驗(yàn)，用網(wǎng)格法對(duì)SCR的脫硝效率、氨逃逸率等進(jìn)行測(cè)試和調(diào)整試驗(yàn)，為建立脫硝優(yōu)化運(yùn)行模型和氨逃逸虛擬測(cè)量模型提供原始數(shù)據(jù)。

如圖2所示，在額定工況（1000MW）下， SCR入口NOx修正到6%O2為252mg/Nm3；在70%（700MW）負(fù)荷下，SCR入口NOx修正到6%O2為317mg/Nm3；在45%（450MW）負(fù)荷下，SCR入口NOx修正到6%O2為405mg/Nm3。

圖2 SCR入口NOx濃度分布圖

保持SCR反應(yīng)器入口AIG噴氨格柵門均在原始設(shè)定值75%開度下，如圖3所示，在額定工況（1000MW）下， SCR出口NOx修正到6%O2為48mg/Nm3，分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差為18.7%；在70%（700MW）負(fù)荷下，SCR出口NOx修正到6%O2為62mg/Nm3，分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差為28.6%；在45%（450MW）負(fù)荷下，SCR出口NOx修正到6%O2為79mg/Nm3，分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差為29.2%。脫硝效率均在80%。

如圖4所示，在額定工況（1000MW）下，SCR出口氨逃逸（NH3）為3.0ppm，分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.55%；在70%（700MW）負(fù)荷下，SCR出口氨逃逸（NH3）為0.36ppm，分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.23%；在45%（450MW）負(fù)荷下，SCR出口氨逃逸（NH3）為0.20ppm，分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.07%。

從上述SCR試驗(yàn)可看出，SCR入口NOx的分布并未如想象得那么均衡，相對(duì)偏差在高負(fù)荷時(shí)，達(dá)到了39%，如果采用目前常用的均衡AIG噴氨（保持75%）開度，在SCR出口，NOx的分布會(huì)偏差較大，造成局部NOx的超標(biāo)，及某些區(qū)域氨逃逸（NH3）偏高。并且我們從實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)中不難看出，SCR入口NOx會(huì)隨著負(fù)荷的變化，其分布情況會(huì)也發(fā)生較大的變化。

圖3 SCR出口NOx濃度分布圖

圖4 SCR出口NH3濃度分布圖

表1 SCR 24個(gè)格柵門粗調(diào)設(shè)定值

圖5 粗調(diào)后SCR入口NOx濃度分布圖

圖6 粗調(diào)后SCR出口NOx濃度分布圖

圖7 粗調(diào)后SCR出口NH3濃度分布圖

眾所周知，氨的分布對(duì)SCR系統(tǒng)運(yùn)行的最佳性能非常重要，氨/氮比分布不均會(huì)造成SCR系統(tǒng)性能變差，并且導(dǎo)致催化劑活性降低。如果氨/氮比在煙氣中分布不合理，即某些區(qū)域過量，會(huì)導(dǎo)致氨逃逸率升高；相反，會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)區(qū)域脫硝效果差。為此對(duì)SCR反應(yīng)器入口AIG噴氨格柵門的優(yōu)化調(diào)整是十分必要的。

采用有限體積法對(duì)SCR反應(yīng)器及其連接煙道內(nèi)的流體流動(dòng)及氨擴(kuò)散過程進(jìn)行數(shù)值模擬，揭示其內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律并求得定性分析結(jié)果，然后結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，對(duì)SCR的AIG格柵門進(jìn)行初步優(yōu)化調(diào)整。具體對(duì)24個(gè)格柵門在高（1000MW）、中（700MW）和低（450MW）負(fù)荷下的設(shè)定如表1所示。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果不難看出，經(jīng)鍋爐低氮燃燒在線優(yōu)化控制后，在各負(fù)荷段下，SCR入口處NOx的濃度場(chǎng)分布有了極大的改善，平均分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差為15%。

在額定工況（1000MW）下，SCR出口NOx修正到6%O2為75mg/Nm3，分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差為24%；在70%（700MW）負(fù)荷下，SCR出口NOx修正到6%O2為47mg/Nm3，分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差為15%；在45%（450MW）負(fù)荷下，SCR出口NOx修正到6%O2為60 mg/ Nm3，分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差為21%。脫硝效率均在80%。

如圖7所示，在額定工況（1000MW）下，SCR出口氨逃逸（NH3）為0.58ppm，分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.48%；在70%（700MW）負(fù)荷下，SCR出口氨逃逸（NH3）為0.30ppm，分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.18%；在45%（450MW）負(fù)荷下，SCR出口氨逃逸（NH3）為0.17ppm，分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.08%。

然后通過基于現(xiàn)代控制論基礎(chǔ)上的控制系統(tǒng)采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理算法和人工智能算法，分析煙氣截面氣分布變化的同時(shí)，結(jié)合機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)積累最終得到不同工況、不同煤種情況下的煙氣分布模型，虛擬測(cè)量系統(tǒng)將不斷修正煙氣流場(chǎng)模型以保證模型數(shù)據(jù)的精度，來保證各噴氨小室的NH3/NOx摩爾比精確控制，實(shí)現(xiàn)SCR AIG噴氨在線優(yōu)化控制。

2014年3月11日~12日，我們邀請(qǐng)西安熱工院對(duì)“1號(hào)機(jī)組鍋爐燃燒與脫硝綜合優(yōu)化項(xiàng)目” 進(jìn)行了考核試驗(yàn)，并詳細(xì)繪制了不同脫硝效率下的SCR入/出口NOx和NH3濃度分布圖。

2014年3月11日，在額定工況（1000MW）下，保證SCR出口NOx平均濃度（44mg/Nm3@6%O2）與2013年8月21~22日（48mg/ Nm3@6%O2）基本一致的情況下進(jìn)行的考核試驗(yàn)，如圖8所示。

圖8 在額定工況（1000 MW）下試驗(yàn)1 - SCR入出口NOx及NH3分布圖

2014年3月12日，在額定工況（1000MW）下，保證SCR脫硝平均效率（83.95%）與2013年8月21~22日（80.95%）基本一致的情況下進(jìn)行了進(jìn)一步的考核試驗(yàn)，如圖9所示。

圖9 在額定工況（1000 MW）下試驗(yàn)2 - SCR入出口NOx及NH3分布圖

綜合上述試驗(yàn)，當(dāng)采用“離線人工網(wǎng)格法”模型對(duì)SCR噴氨格柵門進(jìn)行在線優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)SCR各小室的“等摩爾” 噴氨后，結(jié)合鍋爐低氮燃燒的在線優(yōu)化，可有效保證SCR出口的NOx濃度的分布偏差（≤12%）。這樣既可在保證國(guó)家的排放指標(biāo)內(nèi)，降低噴氨量，也可在確保氨逃逸在可控范圍內(nèi)最低限的前提下，提高SCR脫硝效率，大幅度降低SCR出口的NOx排放。

4 鍋爐燃燒與脫硝運(yùn)行綜合優(yōu)化系統(tǒng)收益分析及結(jié)論

根據(jù)西安熱工院的“鍋爐燃燒與脫硝運(yùn)行綜合優(yōu)化摸底試驗(yàn)”和目前調(diào)試和試運(yùn)行的初步數(shù)據(jù)分析，預(yù)計(jì)低氮燃燒和脫硝運(yùn)行優(yōu)化兩者合計(jì)可節(jié)省SCR的噴氨量約12%左右。上電漕涇電廠2013年SCR總用氨量2410噸，即單臺(tái)機(jī)組的用氨量約為1205噸，上海地區(qū)氨的采購(gòu)價(jià)3500元/噸，預(yù)計(jì)直接可節(jié)省氨的費(fèi)用為：1205噸×3500元/噸×12%≈50.6萬(wàn)元。

系統(tǒng)運(yùn)行后將有效降低NH3逃逸量，降低空預(yù)器的維護(hù)成本，這項(xiàng)大概也能獲得20萬(wàn)元/年的收益左右。優(yōu)化SCR噴氨運(yùn)行方式后，預(yù)計(jì)可延長(zhǎng)催化劑使用年限5%，按漕涇電廠一層催化劑費(fèi)用1500萬(wàn)元、每4~5年三層催化劑更換一遍計(jì)算，每年節(jié)省催化劑費(fèi)用約60萬(wàn)元。圖10為“中德技術(shù)合作火電廠SCR煙氣脫硝裝置的優(yōu)化和性能試驗(yàn)示范”中展示的在SCR出口NOx分布的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差與催化劑壽命的關(guān)系。

圖10 不同脫硝率時(shí)NOx濃度的不均勻?qū)Υ呋瘎勖挠绊?/p>

[1] 潘棟, 牛國(guó)平, 丁嘉毅. 火電廠SCR脫硝裝置氨逃逸測(cè)試方法對(duì)比研究[J].中國(guó)電力, 2014, 47 (9) : 149 - 152.

[2] 翟德雙. 燃煤電廠鍋爐超凈排放技術(shù)改造探討[J]. 華東電力, 2014, 47 (10) : 2218 - 2221.

During the SCR design, in order to ensure the flue gas velocity and distribution of NOx at SCR inlet section, the SCR should be designed optimally about flue gas flow field. However, due to space limitations on site and installation quality, the distribution deviation of NOx at the SCR inlet is usually large, even more than 20%. Operator often injects more NH3 to control NOx emissions and De-NOx efficiency. However, it will be charged the some areas of ammonia slip over limitation at the outlet of SCR. The "Equi-molar ratio of ammonia injection" optimization concept is therefore proposed. Based on this theory, the "SCR optimal operation of the system" is developed, and the SCR AIG ammonia injection grid online optimization system is therefore implemented. According to the actual situation of the SCR, the system can achieve the planned and systematic control for the ammonia spray in different regions by analyzing the grid distribution and trends. The SCR performance can achieve high removal efficiency to maximize the finite volume of catalyst in the minimum for the rate of ammonia escape.

On-line optimization control; Equi-molar ratio of ammonia injection; Ammonia slip; The virtual measurement

徐亦淳（1979-），男，上海人，工程師，本科，現(xiàn)就職于上海電力股份有限公司，從事發(fā)電技術(shù)節(jié)能管理工作。