陳國(guó)寶 易秉恒 翁文霖 林周勇 連達(dá)得 李 穎 張 健

（1.國(guó)能（泉州）熱電有限公司，福建 泉州 362801；2.深圳市安瑞昕電力科技有限公司，廣東 深圳 518038）

0 引言

2015年國(guó)家三部委聯(lián)合印發(fā)的《全面實(shí)施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》，要求各火電企業(yè)NOx的排放值不高于50mg/Nm3，給火電行業(yè)帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，促成了各火電機(jī)組開(kāi)始新一輪的氮氧化物超低排放改造。選擇性非催化還原（SNCR）技術(shù)和選擇性催化還原（SCR）技術(shù)以其成熟的工藝以及超高的脫硝效率被廣泛用于燃煤電廠氮氧化物超低排放改造。目前，國(guó)內(nèi)燃煤電站投運(yùn)和在建的SCR系統(tǒng)超過(guò)800套，其中一些SCR反應(yīng)器由于未在試運(yùn)期間進(jìn)行噴氨優(yōu)化，導(dǎo)致其入口氨的分布不均勻，投運(yùn)一段時(shí)間后空氣預(yù)熱器被硫酸氫銨嚴(yán)重堵塞，甚至引起爐膛負(fù)壓波動(dòng)，不得不停爐吹掃。因此，需進(jìn)行噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)和最大脫硝效率性能試驗(yàn)，在保證較高的脫硝效率和NOx排放濃度達(dá)標(biāo)的前提下，使氨逃逸濃度不超過(guò)設(shè)計(jì)值（3uL/L），實(shí)現(xiàn)機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。主要有以下幾方面的因素：（1）煙氣中含有未完全脫除的SO3和水蒸氣，逃逸出來(lái)的氨氣會(huì)與兩者發(fā)生如下反應(yīng)生成硫酸氫氨：

硫酸氫氨在150℃～210℃溫度范圍內(nèi)呈現(xiàn)液態(tài)，而且燃煤機(jī)組煙道飛灰含量高，液態(tài)硫酸氫氨粘性極強(qiáng)，直接粘附在預(yù)熱器傳熱原件上的同時(shí)，還吸附煙氣中的大量飛灰形成融鹽狀的積灰，降低換熱器的換熱效率，造成換熱器的腐蝕、堵塞，進(jìn)而影響機(jī)組的正常運(yùn)行，因此，氨泄漏必須小于5ppm，最好低于2～3ppm，以減少硫酸銨和硫酸氫銨的生成；（2）二氧化硫被氧化成三氧化硫的反應(yīng)對(duì)溫度敏感性超過(guò)了SCR反應(yīng)，煙氣中的SO2與SCR催化劑結(jié)合會(huì)被迅速氧化成SO3，容易造成催化劑中毒，而且SO3會(huì)加劇空預(yù)器的飛灰沉積，加劇換熱部件的飛灰沉積和腐蝕，產(chǎn)生惡行循環(huán)，因此，提高脫硫裝置的效率也是非常有效的方法[1]；（3）催化劑系統(tǒng)的入口的NH3/NOx摩爾比分布不均勻，N氨還原劑不足的區(qū)域會(huì)因還原劑不足造成脫硝效率下降，導(dǎo)致煙氣排放NOx濃度超標(biāo)。

本文分析了造成噴氨過(guò)量的主要原因，并結(jié)合前人對(duì)噴氨系統(tǒng)的改造經(jīng)驗(yàn)，提出一些針對(duì)噴氨優(yōu)化的建議，為燃煤電廠氮氧化物超低排放技術(shù)提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 脫硝系統(tǒng)噴氨過(guò)量主要原因分析

1.1 脫硝CEMS系統(tǒng)取樣單一，噴氨控制系統(tǒng)粗放滯后[2]

燃煤機(jī)組脫硝系統(tǒng)安裝的煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CEMS）采用的是單點(diǎn)取樣法，因煙道流場(chǎng)分布，所以CEMS系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)只是取樣器極窄區(qū)域的氮氧化物濃度，不具普遍性，無(wú)法代表整個(gè)控制區(qū)域的氮氧化物濃度分布。而且，整個(gè)脫硝系統(tǒng)的反饋調(diào)節(jié)主要依據(jù)就是取樣器采集的脫硝系統(tǒng)出入口氮氧化物濃度，與實(shí)際脫硝系統(tǒng)控制區(qū)域的氮氧化物濃度出入較大，影響噴氨總量的控制精度。因此，燃煤電廠必然不會(huì)根據(jù)單點(diǎn)測(cè)試采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行噴氨量的調(diào)節(jié)，為保證高的氮氧化物脫除效率，只能增大噴氨總量，導(dǎo)致噴氨控制品質(zhì)極差。另外，燃煤機(jī)組的配風(fēng)、投入的煤質(zhì)、負(fù)荷和制粉系統(tǒng)等影響都會(huì)給整個(gè)脫硝系統(tǒng)帶來(lái)嚴(yán)重影響，降低實(shí)際脫硝控制系統(tǒng)的精準(zhǔn)噴氨量，產(chǎn)生局部氨逃逸現(xiàn)象。

1.2 煙氨混合器數(shù)量不夠，無(wú)法實(shí)現(xiàn)分區(qū)噴氨控制[3,4]

通常在單側(cè)煙道共設(shè)置四個(gè)噴氨噴嘴，還設(shè)置了四個(gè)與之對(duì)應(yīng)的噴氨渦流混合器。雖然噴氨渦流混合器噴氨覆蓋面廣、噴氨均勻，但是數(shù)量有限，再加上煙道流場(chǎng)紊亂，無(wú)法實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)精準(zhǔn)噴氨控制，同樣的，要保證高的氮氧化物脫除效率，只能增大噴氨總量，滿足高氮氧化物濃度區(qū)域的還原條件，與此同時(shí)，低氮氧化物濃度區(qū)域呈現(xiàn)高氨還原劑濃度，局部氨還原劑過(guò)量，從而產(chǎn)生局部氨逃逸現(xiàn)象。

1.3 噴氨調(diào)節(jié)不合理和煙氣分析儀表精度的影響

無(wú)論是SNCR還是SCR技術(shù)，其噴氨閥的開(kāi)度總是根據(jù)NOx監(jiān)測(cè)量自動(dòng)調(diào)節(jié)，其按照設(shè)定的NH3/NOx摩爾比來(lái)確定當(dāng)前機(jī)組運(yùn)行情況以及當(dāng)前條件下設(shè)計(jì)噴氨量。另外，控制系統(tǒng)中通過(guò)監(jiān)測(cè)NH3濃度確定的NH3逃逸率這一反饋信號(hào)，進(jìn)一步調(diào)節(jié)噴氨格柵的閥門開(kāi)度，控制氨還原劑投入量。因此，噴氨過(guò)程中噴氨格柵的閥門開(kāi)度是重要影因素，開(kāi)度小，則氨還原劑不夠，開(kāi)度大，氨逃逸現(xiàn)象嚴(yán)重。另外，煙氣分析儀的精度對(duì)噴氨格柵的閥門開(kāi)度也有重要影響，通過(guò)煙氣分析儀確定的氨還原劑噴入量會(huì)由于精度問(wèn)題導(dǎo)致過(guò)多或過(guò)少，造成脫硝效率下降，煙氣出口NOx濃度增大。

2 脫硝系統(tǒng)精準(zhǔn)噴氨改造建議

2.1 改造CEMS系統(tǒng)，提高精度[5]

CEMS采樣系統(tǒng)采用單點(diǎn)取樣法，數(shù)據(jù)不具備普適性，無(wú)法表示采樣器位置截面區(qū)域煙氣氮氧化物濃度，因此需要對(duì)CEMS采樣系統(tǒng)進(jìn)行改造?？梢詫⒚總€(gè)噴氨噴嘴閥門改為獨(dú)立控制，將整個(gè)噴氨系統(tǒng)控制區(qū)域進(jìn)行截面分區(qū)，分區(qū)的數(shù)量應(yīng)與整個(gè)噴氨系統(tǒng)控制區(qū)域相對(duì)應(yīng)，在整個(gè)截面上布置采樣器，按照截面分區(qū)的數(shù)量布置取樣點(diǎn)。綜合每個(gè)截面區(qū)域取樣器采集的氮氧化物濃度的平均值，實(shí)時(shí)獨(dú)立調(diào)整各分區(qū)噴氨噴嘴的閥門，達(dá)到各局部區(qū)域截面的氨還原劑濃度達(dá)到脫除氮氧化物濃度的要求，避免產(chǎn)生局部氨逃逸現(xiàn)象。另外，為避免取樣器的飛灰沉積，需要對(duì)整個(gè)流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，找出飛灰沉積位置，優(yōu)化取樣器的布置，控制飛灰沉積高度負(fù)荷設(shè)計(jì)工況，同時(shí)還需要增設(shè)取樣器區(qū)域的防飛灰沉積的反吹系統(tǒng)?，F(xiàn)階段CEMS取樣系統(tǒng)的取樣器布置方式多樣，可結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等計(jì)算機(jī)模擬分析技術(shù)，優(yōu)化控制算法，實(shí)現(xiàn)各局部區(qū)域噴氨量的自動(dòng)控制；另外，還可綜合考慮煙氣流速對(duì)煙道內(nèi)氮氧化物濃度分布的影響，掌握單位時(shí)間內(nèi)各截面區(qū)域氮氧化物物質(zhì)質(zhì)量對(duì)于機(jī)組配風(fēng)、投入的煤質(zhì)、負(fù)荷和制粉系統(tǒng)等因素的變化具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和噴氨總量的可控制性，可以更加精準(zhǔn)控制噴氨量。

2.2 噴氨混合器及噴嘴改造

同樣的，根據(jù)CEMS系統(tǒng)對(duì)煙道劃分的各控制區(qū)域，根據(jù)煙道的尺寸，參考CFD仿真分析結(jié)果，對(duì)噴氨混合器及噴嘴進(jìn)行再設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)各區(qū)域噴氨量精準(zhǔn)控制和分區(qū)按需噴氨的目的，保證最大程度減少各局部區(qū)域的氨逃逸量。各控制區(qū)域均勻布置噴氨噴嘴，設(shè)計(jì)輔助供氨支管，并且每個(gè)支管均需裝備智能調(diào)節(jié)閥以控制噴氨量，各支管的智能調(diào)節(jié)閥并入總的脫硝系統(tǒng)，遠(yuǎn)程控制，實(shí)時(shí)根據(jù)各分區(qū)氮氧化物濃度情況調(diào)節(jié)自身開(kāi)度，控制噴氨量，減少氨逃逸量。

2.3 噴氨總量和局部噴氨量反饋調(diào)節(jié)機(jī)制

機(jī)組配風(fēng)、投入的煤質(zhì)、負(fù)荷和制粉系統(tǒng)等發(fā)生改變時(shí)勢(shì)必會(huì)影響整個(gè)脫硝系統(tǒng)的實(shí)時(shí)精確性，因此需要根據(jù)機(jī)組設(shè)計(jì)工況建立標(biāo)準(zhǔn)噴氨控制模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)及CFD模擬機(jī)組各參數(shù)變化的實(shí)時(shí)情況，給出修正系數(shù)，在機(jī)組變參數(shù)運(yùn)行下，提升機(jī)組脫硝系統(tǒng)的靈活性，輔助調(diào)節(jié)噴氨總量和各區(qū)域噴氨量控制的聯(lián)動(dòng)性，另外對(duì)于噴氨總量和各區(qū)域噴氨量控制需設(shè)立兩套獨(dú)立的控制系統(tǒng)，以便于局部噴氨量隨著氮氧化物濃度的變化而變化，起到精準(zhǔn)控制噴氨量的作用，同時(shí)，兩套系統(tǒng)相互聯(lián)動(dòng)，保證氨逃逸量降至設(shè)計(jì)工況范圍內(nèi)。

2.4 智能噴氨優(yōu)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用

現(xiàn)階段大多數(shù)燃煤電廠噴氨調(diào)節(jié)多為人工，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，其噴氨量調(diào)控難度系數(shù)較高。因此，建立智能噴氨優(yōu)化控制系統(tǒng)非常必要，可實(shí)現(xiàn)噴氨閥門的精確控制，即精確開(kāi)度控制，可以減少氨逃逸現(xiàn)象，避免氨還原劑的浪費(fèi)，造成還原系統(tǒng)、空預(yù)器的堵塞，另外，杜絕了噴氨量不足導(dǎo)致的煙氣NOx排放量超標(biāo)。

智能噴氨優(yōu)化控制系統(tǒng)主要包括：（1）構(gòu)建爐內(nèi)氨還原劑檢測(cè)網(wǎng)格，解決區(qū)域單點(diǎn)數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)脫硝系統(tǒng)流場(chǎng)界面的氨還原劑的高精度、高代表性；（2）安裝高精度自動(dòng)噴氨格柵閥門調(diào)節(jié)裝置，解決了人工手動(dòng)調(diào)節(jié)給氨量的不準(zhǔn)確性以及人為反應(yīng)的滯后性問(wèn)題，提高了整個(gè)控制系統(tǒng)的靈敏程度以及靈活度，給噴氨精準(zhǔn)控制奠定了基礎(chǔ)；（3）建立噴氨量與氨逃逸量的大數(shù)據(jù)庫(kù)監(jiān)測(cè)，通過(guò)與歷史數(shù)據(jù)的對(duì)比，建立噴氨量與氨逃逸量的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，判斷系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)煙道流場(chǎng)、催化劑、爐內(nèi)流場(chǎng)的智能控制，方便催化劑的吹灰控制，改變了固定頻率導(dǎo)致的吹灰效果不佳等問(wèn)題，延長(zhǎng)了催化劑的使用壽命；（4）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鍋爐運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)整催化劑入口煙溫，保證燃燒最大效率，保證氨還原劑的噴入量，防止催化劑高溫?zé)Y(jié)和低溫失活。

3 實(shí)施過(guò)程中常見(jiàn)問(wèn)題

（1）公司甲精確噴氨項(xiàng)目改造完成后，NOx控制穩(wěn)定性明顯增加，氨逃逸量控制穩(wěn)定，但此次改造項(xiàng)目同時(shí)增加導(dǎo)流板等，對(duì)區(qū)域流場(chǎng)進(jìn)行了優(yōu)化，并不能單獨(dú)代表分區(qū)控制的優(yōu)化效果；

（2）在總量控制無(wú)明顯變化，分區(qū)控制不均衡度無(wú)明顯變化，左右側(cè)噴氨調(diào)門開(kāi)度無(wú)明顯變化，總噴氨量無(wú)明顯變化的情況下，部分分區(qū)調(diào)門開(kāi)度大幅度變化后，對(duì)應(yīng)分區(qū)的 NOx無(wú)明顯變化，廠家給出的解釋是由于管道及調(diào)門的節(jié)流，調(diào)門到達(dá)一定開(kāi)度后，再增加開(kāi)度噴氨量變化不大。分區(qū)自動(dòng)調(diào)節(jié)還有優(yōu)化的空間；

（3）公司甲項(xiàng)目改造后投入時(shí)間較短（2018年12月初），且改造前2#機(jī)空預(yù)器無(wú)堵塞現(xiàn)象，無(wú)直觀的數(shù)據(jù)可以說(shuō)明此次改造項(xiàng)目能改善空預(yù)器堵塞問(wèn)題；

（4）分區(qū)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)增加了每個(gè)分區(qū)噴氨的流量計(jì)、管路壓力表、反吹回路、稀釋空氣回路、采樣回路等，管路節(jié)點(diǎn)較多，若發(fā)生泄漏或堵塞時(shí)將影響分區(qū)自動(dòng)控制和脫硝系統(tǒng)運(yùn)行；

（5）SCR脫硝反應(yīng)器的人口處氨氮分布均勻性及噴氨格柵出口流速均勻性是影響脫硝效率和副反應(yīng)發(fā)生的重要因素，為保持脫硝裝置安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，應(yīng)定期進(jìn)行噴氨優(yōu)化調(diào)整，通過(guò)熱態(tài)下測(cè)量SCR反應(yīng)器進(jìn)出口NOx和NH3濃度分布，優(yōu)化不同格柵噴嘴的噴氨量，以實(shí)現(xiàn)機(jī)組在不同運(yùn)行負(fù)荷下，脫硝效率合理、NO排放濃度達(dá)標(biāo)及氨逃逸濃度最低的最佳控制。 此外，通過(guò)噴氨優(yōu)化調(diào)整使氨與煙氣混合均勻后，注意防止片面追求過(guò)高脫硝效率而造成整體過(guò)量噴氨，危害下游設(shè)備運(yùn)行，脫硝裝置的最大效率可通過(guò)最大脫硝效率試驗(yàn)來(lái)確定。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)脫硝系統(tǒng)存在的噴氨過(guò)量問(wèn)題進(jìn)行了具體分析，針對(duì)性地提出了一些解決辦法：（1）對(duì)噴氨系統(tǒng)進(jìn)行分區(qū)，使各局部區(qū)域噴氨量控制與總噴氨量控制具備聯(lián)動(dòng)功能；（2）通過(guò)設(shè)置噴氨總量與局部噴氨量反饋調(diào)節(jié)機(jī)制，使其對(duì)機(jī)組變工況工作具有針對(duì)性、實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性；（3）改造CEMS采樣方法，采用煙道截面取樣法，使脫硝系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，更具普適性；（4）總共增設(shè)總噴氨量控制和局部噴氨量控制兩套系統(tǒng)，兩套系統(tǒng)相互聯(lián)動(dòng)，起到精準(zhǔn)控制噴氨量的作用。