選擇性催化還原法煙氣脫硝儀控系統設計

蓋東飛，張力，張雷，盧偉

(1．山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013;2．華能濟南黃臺發電有限公司，山東 濟南 250100)

0 引言

火力發電廠大氣污染物排放對環境的影響日益嚴重，如何降低SO2，NOx以及煙塵等污染物的排放是電力工業的重要責任和義務。燃煤電廠SO2的排放約占我國SO2總排放量的60%，NOx的排放約占我國NOx總排放量的45%。通過不斷引進國外脫硫技術，我國已基本掌握了各種煙氣脫硫技術，煙氣脫硝技術作為火電廠氮氧化物減排的重要措施已成為各級電力企業及環保企業的發展重點。在GB 13223—2003《火電廠大氣污染物排放標準》中已明確規定:第3時段火力發電廠鍋爐須預留煙氣脫除氮氧化物裝置空間，對于干燥無灰基揮發分高于20%的煙煤、褐煤鍋爐而言，NOx最高允許排放質量濃度為450 mg/m3，對于干燥無灰基揮發分高于10%且低于20%的貧煤及無煙煤鍋爐而言，NOx最高允許排放質量濃度為650mg/m3。2004年1月1日之后審批的項目均要求根據排放標準設置相應的煙氣脫硝裝置，之前未設置脫硝裝置的燃煤機組也陸續進行脫硝改造。

控制NOx排放的技術可分為一次措施和二次措施。一次措施是指控制燃燒過程中NOx的生成，即低氮燃燒技術，主要包括空氣分級燃燒、燃料分級燃燒、煙氣再循環、低NOx燃燒器和低過量空氣系數等技術。二次措施是對生成的NOx進行化學處理，即煙氣脫硝技術，主要有選擇性非催化還原(SNCR)法、選擇性催化還原(SCR)法、電子束排煙處理(EBA)法、脈沖電暈等離子(PPCP)法、微生物法等脫硝方法。火電廠NOx排放控制一般采取一次、二次措施并用方式，SCR法是目前應用最為成熟和廣泛的脫硝技術。

1 SCR煙氣脫硝技術

采用低NOx燃燒技術是降低燃煤鍋爐NOx排放量最主要也是比較經濟的技術措施，但是通常低NOx燃燒技術只能將NOx的排放量降低30%～50%，要進一步降低NOx的排放量，必須采用煙氣脫硝技術。SCR法煙氣脫硝技術是美國Eegelhard公司的發明專利，該技術于1959年提出，于1972年在日本開始正式研究和開發并于1978年實現了工業化應用。經過20多年的發展和完善，SCR法煙氣脫硝技術已經發展成為工業應用最廣的一種煙氣脫硝技術，脫硝效率可高達90%以上。

SCR煙氣脫硝技術是在總結SNCR脫硝技術的基礎上發展起來的，其反應原理是利用NH3或尿素等氨基還原劑與NOx進行化學反應，在適宜的溫度下可選擇性地還原煙氣中的NOx。在無催化劑的情況下，NOx的還原反應只能發生在一特定的溫度范圍內。以NH3為還原劑時，最佳反應溫度為870～1100℃;以尿素為還原劑時，最佳反應溫度為900～1150℃。溫度過低，反應速度慢，還原劑反應不完全造成泄漏;溫度過高，還原劑被氧化反而生成更多的NOx。通過選擇合適的催化劑，反應溫度可以大大降低，還原反應的窗口溫度可擴展到電廠適宜工況下的290～430℃。選擇合適的催化劑形式及控制適當的反應溫度是SCR法煙氣脫硝技術的關鍵。

2 SCR煙氣脫硝系統工藝設計方案

SCR煙氣脫硝典型工藝流程如圖1所示。

工藝系統包括帶催化劑的SCR反應系統、氨噴射系統、氨儲備系統、氨蒸發系統以及催化劑吹灰系統等子工藝系統。液氨槽車運到氨儲存區后，通過卸氨壓縮機送入液氨儲罐，再經過蒸發槽蒸發為氨氣。氨氣通過氨緩沖槽和輸送管道進入鍋爐區，在混合器內同混合氣體混合，以保證氨的體積分數不大于5%，最終通過噴氨格柵(AIG)與煙氣均勻分布混合，由分布導閥進入SCR反應器內部，在催化劑層發生反應。在催化劑的作用下，將煙氣中的NOx還原成N2和H2O。

圖1 SCR煙氣脫硝典型工藝流程

SCR反應器采用高粉塵布置方式，SCR反應器布置在省煤器之后空氣預熱器之前的煙道上。SCR反應器布置如圖2所示。

圖2 SCR反應器布置圖

空氣預熱器采用不拉出布置方式，脫硝裝置布置在空氣預熱器上方的支撐鋼框架內。反應器設計成煙氣豎直向下流動的方式，反應器入口設氣流均布裝置，反應器入口及出口段設導流板，對反應器內部易磨損的部位應采取防磨措施。反應器內部各類加強板、支架設計成不易積灰的形式，同時考慮熱膨脹的補償措施。此種布置方式可使多數催化劑在此溫度范圍內有足夠的活性，煙氣不需要另外加熱即可獲得良好的凈化效果。

3 SCR煙氣脫硝儀控系統設計

在煙氣脫硝系統中，保證系統高效率運行的同時，還應保證運行的安全性和維護的便利性。保證系統穩定運行最重要的參數是SCR的反應溫度、反應時間、NH3/NOx摩爾比、煙氣流速、O2質量濃度、NH3的溢出質量濃度、SO3質量濃度、壓力損失和蒸汽質量濃度等，設計應考慮減輕對鍋爐及輔機的影響。

控制系統包括SCR反應區控制和氨區控制2部分。由于SCR反應器安裝在鍋爐本體上，對煙氣的處理影響鍋爐運行，在工程中SCR反應區的監控納入主體分散控制系統(DCS)，設置單獨的遠程I/O柜，通過冗余數據通信到主體DCS。氨區由于對安全性要求比較高，一般設置在比較偏僻的區域，由于對主體發電系統影響比較小，一般采用可編程邏輯控制器(PLC)現場控制，引入輔網進行監控，重要信號通過硬接線接入主體DCS。

SCR煙氣脫硝監控系統主要由以下幾個子監控系統組成:

(1)氨儲存及液氨推進系統。液氨槽車運送到氨區現場后與液氨儲罐進行連接，卸料壓縮機抽取液氨儲罐中的氨氣，壓縮輸進液氨槽車，將槽車中的液氨壓進液氨儲罐。在外界溫度足夠高時，液氨儲罐中的液氨可自行流進液氨蒸發器;當環境溫度過低時，啟動液氨泵將液氨輸送至液氨蒸發器。

卸料壓縮機、液氨泵、液氨儲罐均設置必要的壓力監視點，同時設置計量用流量變送器，液氨泵的啟、?？膳c液氨儲罐內壓力及液位聯鎖。

(2)液氨蒸發及供給系統。液氨蒸發及供給系統包括蒸汽加熱、液氨蒸發、氣氨緩沖罐及氣氨混合系統。液氨蒸發通常采用熱水直接加熱。蒸汽送入水池中，通過蒸汽管道上的調節閥控制水池水溫，通過水池入口的調節閥控制蒸發器水池的液位。液氨蒸發器的蒸發量是由液氨蒸發器蒸汽入口流量調節閥控制，液氨蒸發器需保持一定的液氨儲量，液氨儲量由液氨蒸發器入口調閥控制。通過協調控制液氨蒸發器入口調閥及液氨蒸發器蒸汽入口流量調閥的開度，可以調節液氨蒸發器出口的溫度、壓力和流量，滿足SCR反應區對還原劑的要求。

氨氣與空氣混合的爆炸極限是氨氣的體積分數達15%～28%，在實際工程應用中，氣氨混合既要保證氨氣的體積分數低于爆炸下限，也要保證混合均勻，通過調節氨蒸發量和稀釋風機風量，保證混合氣體中氨氣的體積分數小于3%。

氨氣流量和出口NOx質量濃度的控制是通過修正NH3/NOx摩爾比實現的，其摩爾比修正回路如圖3所示。

圖3 NH3/NO x摩爾比修正回路

出口實測NOx質量濃度通過PID1控制回路修正PID參數，同時引入進口實測的NOx質量濃度前饋控制進行校正，函數 f1(x)是脫硝效率與NH3/NOx摩爾比的函數。

通過跟蹤SCR反應器出口NOx質量濃度，實時獲得修正后的NH3/NOx摩爾比，即可確定實際需要的NH3流量，控制回路如圖4所示。

圖4 SCR反應器入口NH3流量控制回路

在流量控制回路中引入了鍋爐負荷變動引起的NOx流量及濃度的變化對NH3流量的影響的前饋控制回路，函數f2(x)是鍋爐負荷變動對NH3流量的影響函數。

通過監測SCR反應器入口煙氣溫度、煙氣量、NOx質量濃度，控制SCR入口噴氨調節閥開度，調節NH3的噴入量及噴入時間，加入出口NOx質量濃度反饋調節即可控制SCR脫硝過程。

(3)氨噴射系統。氨噴射系統是將氣氨混合氣體噴入SCR反應器中，由于進入SCR反應器的煙氣流場存在差異，工程應用中多采用噴氨格柵形式將煙道分成若干區域，設置若干的氣氨噴嘴，不同的區域根據煙氣和NOx質量濃度的不同設置不同的噴氨量，系統設有噴氨壓力、溫度及流量監測?？刂葡到y需設置SCR反應器出、入口的NOx，O2質量濃度，作脫硝反應調節用;同時，監測SCR出口煙氣的壓力、溫度以及氨逃逸量。

(4)吹灰控制系統。為防止灰塵在催化劑上堆積引起催化劑中毒而降低催化效率，在每層催化劑(包括備用層)均設置吹灰器，吹灰器形式包括聲波吹灰器和耙式蒸汽吹灰器。

根據機組容量的不同，每層催化劑設置不同數量的聲波吹灰器以及蒸汽吹灰器。吹灰器能將催化劑中的集灰盡可能多地吹掃干凈，盡可能避免因存在灰塵死角而造成催化劑失效，最終導致脫硝效率下降。

每個反應器從最上層開始吹掃，每層吹灰器同時動作，每臺反應器聲波吹灰的1個吹掃周期約40s，一般每隔10 s啟動1次;蒸汽吹灰的1個吹掃周期約1200 s，一般每天啟動2次。在SCR停運及停爐期間，為防止堆灰影響催化劑壽命，應對催化劑進行徹底吹灰;在鍋爐點火期間，為防止未燃盡煤粉在催化劑表面發生二次燃燒，應加強吹灰器的投入。

吹灰系統設置了壓縮空氣及蒸汽壓力監測。

(5)其他監控系統。氨、氣氨混合物是有毒的易燃易爆氣體，對儲存、運輸環境要求比較嚴格，在液氨槽車、液氨儲罐、氣氨緩沖罐、SCR反應區等處設置了閉路電視用于監視，通過監測氨氣泄漏量可聯鎖啟動泡沫消防裝置，提前進行安全報警和火災報警，將消防控制納入主廠房火災報警系統。

4 結束語

SCR煙氣脫硝技術經過短短幾年的發展已經日趨成熟，SCR煙氣脫硝系統作為一個獨立的工藝系統，既包括氨的制備、存儲、反應等工藝流程，也包括環境監測、火災報警及消防控制等輔助系統。SCR煙氣脫硝技術既有普通控制系統的共同點，又有自己的特性;氨區及反應區的正常啟/停、故障啟/停、自動/手動操作等運行必須考慮到氨的毒性及氣氨混合物的爆炸特性，氨區的儀表、設備及控制系統均應滿足防爆要求。氨區和SCR區間隔較遠，各個系統既相互獨立又相互聯系，整套工藝既可以分解為每個單獨的子系統，每個子系統又與整套工藝的控制邏輯緊密聯系，控制系統設置須全面考慮才能提高整個工藝系統運行效率，保證系統安全。

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