煙氣脫硝裝置控制方案的優化

張友兵 張海蓉

(中國石油工程建設公司新疆設計分公司，烏魯木齊 830019)

西北某石化廠現有4臺蒸汽鍋爐為生產裝置提供蒸汽。1、2號燃油鍋爐作為備用爐，3、4號鍋爐為兩臺210t/h燃煤鍋爐，其氮氧化物排放濃度650mg/Nm3。可見，原設計標準GB 13223-1996《燃煤電廠大氣污染物排放標準》已遠不能滿足《國家環境保護“十二五”規劃》和新的GB 13223-2011《火電廠大氣污染物排放標準》對氮氧化物排放濃度不得高于100mg/Nm3的規定，因此必須對3、4號鍋爐的煙氣進行凈化治理。

本次對煙氣的脫硝治理采用低氮燃燒+選擇性催化還原法脫硝(LNB+SCR)技術，在此基礎上，通過增設旁路調節閥、圓形管和流量計實現裝置的比值控制和串級控制，以優化原控制方案，提升氨氣流量的控制精度，解決煙道NOx流量測量難的問題。

1 煙氣脫硝裝置及其控制方案①

西北某石化廠3、4號燃煤鍋爐增設的脫硝裝置采用LNB+SCR組合脫硝技術，主要設備配置包括3部分：低NOx燃燒系統(LNB)(設備按一爐一套的原則設計低氮燃燒系統，共兩套)、選擇性催化還原法脫硝系統(SCR)(設備按一爐一臺的原則設計SCR脫硝反應器，共兩臺)、液氨汽化系統(設備按兩爐一套的原則設計，共一套)。為保證煙氣中NOx排放濃度不高于80mg/Nm3，該組合脫硝技術對工藝流程中各階段的脫硝效率進行如下控制：

a. 煙氣先在LNB(低NOx燃燒技術)階段脫除部分氮氧化物，該階段脫硝效率38.5%，煙氣繼續進入下階段脫硝環節(SCR)。

2 煙氣脫硝裝置存在的問題

該廠3、4號鍋爐脫硝裝置投運后，發現存在以下問題：

a. 氨氣流量調節精度差，很難控制好適宜的供氨量。該裝置單臺鍋爐50%負荷運行時液氨消耗量16.75kg/h，100%時消耗量33.5kg/h，120%時消耗量40.2kg/h。原設計是按兩臺鍋爐同時運行且負荷工況為120%進行調節閥選型。而3、4號爐的運行時間是隨主裝置蒸汽需求量確定的，目前兩臺鍋爐同時運行的時間較少，單臺鍋爐欠負荷運行的情況比較常見，氨氣消耗量小，以氨氣消耗量5kg/h為例，對量程比為16的閥門而言，負荷越低氨氣消耗量就越小，閥門量程比越大則大閥的開度越小，當超出閥門本身的量程比時就無法保證控制精度，從而出現閥門控制不穩定及波動大等問題。因此，很難控制好適宜的氨氣用量。對此，項目組人員通過對同類裝置的調研考察，發現目前國內很多脫硝裝置都是幾臺鍋爐共用一套配氨系統，不同程度存在著氨氣用量控制難的問題。

b. 煙道缺少流量檢測手段，無法實現串級控制和比值控制。該脫硝裝置進入SCR前的煙氣中NOx缺少流量檢測儀表，無法實現串級控制來提高控制響應速度，也無法實現比值控制導致氨氣和NOx的比例得不到嚴格控制，影響了裝置的脫硝效率。缺少流量檢測儀表的主要原因是，原設計中煙道是方形(1.7m×7.0m×36.0m)而不是圓形管線，常規流量計無法安裝，即使采用插入式或非接觸式儀表，流量計前后直管段小，嚴重影響NOx流量測量的精度。因此，原設計未設置煙氣流量檢測儀表。

3 控制系統的優化

從3、4號鍋爐脫硝裝置的運行現狀來看，采用LNB+SCR組合脫硝技術能達到GB 13223-2011規定的排放濃度要求，但SCR反應器出口固定污染源煙氣排放連續監測系統(CEMS)的分析儀表測出的NOx含量(80mg/Nm3)還不夠理想，氨氣分析儀檢測出的氨逃逸濃度也偏高(超過2.28mg/Nm3)，需對其控制方案進行優化改進。通過對國內多家脫硝裝置的調研考察，項目組技術人員提出了控制方案的優化改進措施。

圖1中的FT2和FV2為優化控制方案中增設的儀表，虛線部分為新增的管線和電纜。具體的優化改進方案是增設旁路調節閥和流量計，實現比值加串級控制。在現有的氨氣控制閥處增設旁路調節閥(圖1)，旁路上設置一臺小閥門，當只有一臺鍋爐運行時打開小閥并關閉大閥，以提高氨氣流量的控制精度；當兩臺鍋爐同時運行時，打開大閥并關閉小閥，控制氨氣供給量，避免大閥小開度調節，控制精度差甚至無法控制的問題。這種控制方案只需現場增設一臺DN15mm的調節閥，并在DCS上采用分程控制(圖2)就可以實現。

圖1 控制系統改進后的裝置示意圖

圖2 分程控制結構框圖

圖2中分程控制所采用的兩個控制方法的流量特性曲線如圖3所示。

煙道不屬于壓力容器，因此在檢修的任何時間都可以在煙道上焊接一根DN15mm的圓形管，與煙道形成連通器，并在新增管線上設置一臺流量計，即可測出該管線煙氣中的NOx流量(圖1)。根據本設計煙道流暢分布實驗可知，新增管線和煙道內煙氣的工況(溫度、壓力及流速等)是已知的，且完全相同，不同的是截面積，不論管道還是煙道的內截面積都是固定可計算的。在DCS組態時，內部設計一個簡單的運算即可求得煙道中NOx的總流量，即Q煙道=Q管線+Q管線×S煙道/S管線。

圖3 閥門的流量特性曲線

優化后的比值加串級控制框圖如圖4所示。

在煙氣通過SCR反應器入口煙道時對其中的NOx與氨氣流量實施比值控制，嚴格控制NOx與NH3的比例使之充分反應。同時將SCR反應器出口煙氣中的NOx作為串級控制的主回路，流量比值控制作為串級控制的副回路，采用副回路粗調主回路細調的方式調節入口氨氣線上的控制閥，以降低煙氣出口氮氧化物的含量同時減少氨逃逸。氨逃逸的主要原因：氨氣與氮氧化物的比例偏大，導致氨過剩；煙氣流速較快導致小部分滯留氨氣未完全反應便隨煙氣排出。

圖4 比值加串級控制的控制框圖

4 運行效果

對脫硝裝置和控制方案進行優化改進后，大幅提高了各環節的控制精度，嚴格控制了氨氣和煙氣中NOx的比例，使NH3充分將NOx還原為N2和H2O，降低了煙氣排放物中NOx的含量和氨逃逸量，實測數據見表1，可見脫硝效率提高了15%、氨逃逸量降低了30%。

表1 改造前后脫硝效率和氨逃逸量比較

5 結束語

對西北某石化廠兩臺210t/h燃煤鍋爐原LNB+SCR組合脫硝技術控制方案進行優化改進后，效果良好，各指標均達到比較理想的效果。

該方案的總投資僅人民幣十萬多元，而且施工難度低，解決了同類裝置氨氣用量范圍寬時控制難度大的問題。方案實施之后，提高了脫硝效率，顯著降低了氨逃逸，實現了化工廠節能降耗和減少污染的目的。

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