SCR脫硝系統精準噴氨改造

李衛平

（國電電力大同發電有限公司，山西大同 037043）

近年來，機組運行中暴露出了空預器堵塞的問題，原因之一為脫硝系統過量噴氨。一方面，煙氣中會存在大量的三氧化硫以及水蒸氣，逃逸的氨氣會與這些物質發生反應生成硫酸氫銨。硫酸氫銨在150～200 ℃會呈現液態，而液化狀態的硫酸氫銨具有較高的粘性，會直接附著在空預器的熱片結構上，吸收大量的煙塵和飛灰，形成堆積狀態，嚴重影響設備的換熱能力，最終形成空預器堵塞。另一方面，二氧化硫會在脫硝催化劑的作用下形成三氧化硫，加劇空預器中硫酸氫銨堆積程度；與此同時，空預器內部整體處理效果和控制機制也會造成酸露點溫度的增高，加劇空預器酸腐蝕問題以及堵灰問題[2]。

本文對機組過量噴氨的原因進行了分析研究，結合當下脫硝噴氨與測量的一些技術，針對性地提出了一些改進思路，為選擇性催化還原技術（SCR）脫硝系統精準噴氨的設計和優化改造提供參考。

1 脫硝出口局部氨濃度過量，氨逃逸過高分析

1.1 脫硝煙氣流場不均

雖然，SCR脫硝系統在設計階段考慮了煙道流場特性，并在機組脫硝超低排放改造時進行了流場優化。但在實際運行過程中，由于機組經常處于中低負荷區域運行，鍋爐運行參數偏離設計，造成鍋爐燃燒時煙氣流場紊亂不均勻；且設計煤種改變，供電煤耗較設計值上升，煙氣飛灰量增大，對煙道內導流板沖刷磨損加劇，逐漸放大了流場不均的程度[1]。同時，灰量的增大亦造成了催化劑的局部堵塞，同樣影響到流場不均的程度。另外，機組負荷在滿足電網要求的速率下大幅增減時，燃燒工況的突變和煙氣流速的急劇變化，亦造成了流場不均[3]。受上述因素的影響，脫硝系統入口煙氣流場存在分布不均的情況，且機組各負荷段煙氣流場不均的情況還存在較大差異。

1.2 噴氨混合器數量不足，無法實現分區噴氨控制

機組單側煙道共設置4根噴氨支管，煙道內對應配置4個噴氨渦流混合器。雖然渦流混合器噴氨覆蓋面廣、噴氨均勻，但因布置數量有限，無法實現更加精確的區域調節。因煙氣流場不均，同時機組運行時還要保證氮氧化物達標排放，故而只能依靠增大噴氨總量，使氮氧化物質量濃度高的區域噴氨量增大，提高氮氧化物還原效率，但亦增大了氮氧化物質量濃度低區域的噴氨量，導致局部氨逃逸增加。

1.3 脫硝CEMS系統單點取樣，數據不具備代表性

機組脫硝出入口CEMS（煙氣排放連續監測系統）系統均為單點取樣，因脫硝煙道內流場不均，CEMS系統測量數據只是取樣區域氮氧化物濃度，無法代表整個煙道氮氧化物濃度分布的情況。而脫硝系統噴氨總量控制完全依靠脫硝系統入口、出口氮氧化物測量值，氮氧化物測量數據與真實工況氮氧化物濃度的偏差必然會影響噴氨總量控制的調節精度。依據單點測量得出的數據進行調節，必然會出現噴氨不均的情況。為保證脫硫出口氮氧化物的達標排放，只能增大噴氨量，從而出現脫硝出口氮氧化物濃度與脫硫出口氮氧化物濃度測量數據之間“倒掛”的現象，存在一定的環保風險。增大噴氨量的同時，亦增加了局部氨逃逸量。

2 脫硝系統精準噴氨實施建議

2.1 脫硝煙氣流場優化

目前，流體CFD（計算流體力學）動力學研究是普遍使用的一種流場分析方法。流體CFD動力學研究是為了了解煙氣速度場、溫度場和氨氮摩爾比大致分布情況，在CFD研究結果的基礎上，確定煙道中氨噴射系統、導流板和整流器的形狀和位置，目的是：（1）優化煙道和反應器的布置，確定煙道中煙氣導流裝置的最佳幾何尺寸、型式、數量及位置，使在氨噴射區域和SCR催化劑入口的煙氣流動均勻和氨分布均勻；（2）考慮流場設備易于支撐和方便現場安裝，且須考慮導流板等的剛度、強度以及磨損情況等；（3）優化整流器的設計，使催化劑表面煙氣的沖角降至最低；（4）優化脫硝裝置的總壓力損失；（5）脫硝裝置的入口溫度偏差滿足設計要求；（6）模擬系統積灰情況，確定積灰位置。

采用流體CFD模擬，根據煙道及SCR反應器布置圖，建立計算流體力學模型進行計算機數值模擬，并建立物理流動模型進行實際煙氣模擬試驗，測試并驗證煙氣流量分布，尋找煙道中導葉和導流板的壓損減少位置，確定導葉、導流板和整流裝置的初步幾何形狀和位置，使其設置合理、壓力分布均勻，最大限度減小流動阻力，優化煙氣流速、溫度和催化劑前的成分分布；評估氨噴射系統的詳細設計研究，合理設置噴嘴數量及間隔調節各噴嘴的氨流量和位置，預防噴嘴堵塞，優化氨噴射系統以改善第一層催化劑入口的氨混合；確定不同運行負荷下的積灰情況，將積灰高度控制在允許范圍內；確定和提供導流板、氨噴射系統和整流器優化的幾何形狀設計。流場模型的最終結果應以實際工程形式給出，實現脫硝煙氣流場的優化。

CFD模擬的范圍為從省煤器換熱面末端至空預器入口的煙氣系統及其部件，包括省煤器底部及煙道；省煤器出口至SCR反應器入口的煙道，包括煙氣導流板、氨噴射、煙氣整流格柵等內部件；SCR反應器出口至空預器入口煙道，包括煙氣導流板等內部件；SCR反應器，包括三層催化劑層等內部件；其他附加的煙氣均布裝置以及以上煙道及設備內所有大于150 mm或面積≥5%煙道截面面積的內部件。

2.2 噴氨混合器及噴氨支管控制改造

實現分區精準噴氨，首先硬件條件要滿足要求，要具備局部區域控制調整的條件，以達到區域噴氨流量控制、精準控制、分區域按需噴氨的目的，最大程度降低各區域的氨逃逸量。

目前，機組氨噴射系統硬件條件無法滿足分區控制的要求，需按照煙道尺寸，參考CFD模擬的結果，重新設計改造氨噴射系統。建議對煙道截面進行分區，每個分區均勻布置氨噴射器，每個分區引出供氨支管，每個支管設置智能調節門，各分區支管匯總至供氨母管。機組運行中，可依據各分區氮氧化物濃度情況實時調節調門開度，達到調節噴氨量、控制氨逃逸的目的。各支管調節門建議接入脫硝控制系統實現遠程集中控制，具備實時調整支管調門開度的條件。

2.3 脫硝系統儀控設備改造

因脫硝CEMS系統均為單點取樣，測量數據無法代表整個截面煙氣氮氧化物含量數據，故需對CEMS取樣系統進行設計改造。將脫硝出口煙道截面進行分區，布置全截面多點取樣裝置，按照分區數量布置取樣點，分區的數量根據氨噴射器噴氨控制區域的對應關系進行確定。通過每個分區氮氧化物濃度值測量值，實時調整對應的分區噴氨調門，達到控制煙道內局部氨逃逸的目的。為避免銨鹽結晶堵塞取樣系統，需保證取樣管內煙氣維持較高的溫度，同時需增設管線定時反吹系統。目前，脫硝煙道全截面多點取樣系統類型較多，可結合系統實際取樣功能及流程，設計控制策略，實現噴氨總量自動控制及分區噴氨自動控制。

對于脫硝入口氮氧化物濃度分布較為均勻，但煙氣流速相對不均的情況，如能測得噴氨各分區煙氣流速，即掌握了單位時間內各噴氨分區氮氧化物質量，對于更加精準地控制噴氨量將起到一定的作用。

2.4 脫硝系統精準噴氨控制策略

2.4.1 脫硝噴氨總量控制策略

脫硝的主要目的是脫除煙氣中的氮氧化物，噴氨量的大小取決于脫硝入口氮氧化物含量的大小。且脫硝入口氮氧化物取樣裝置設置在氨噴射系統之前，根據脫硝入口氮氧化物調節噴氨量更加快速準確。因此，可以依據脫硝入口氮氧化物含量的變化，設計噴氨控制模型，作為噴氨控制的靜態前饋控制。

氮氧化物的測量數值需經過氧量折算，結合24%～100%鍋爐額定工況煙氣氧量的變化趨勢，增加機組負荷修正函數，作為噴氨控制的靜態前饋控制及動態前饋控制，在高、低負荷階段以及負荷變化階段，實時修正噴氨量，提升機組全負荷段噴氨調節的靈活性及適應性，在機組負荷高峰、低谷以及高速率大幅度變動情況下，輔助調節噴氨量滿足工況變化要求。視機組運行情況選擇脫硝出口或總排口氮氧化物含量作為控制目標值，采用常規PID控制維持自動系統調節的穩定性。加入目標值保護控制策略，根據目標值限值設定的危險程度，直接控制噴氨調門開度，確保總排口氮氧化物達標排放。

2.4.2 脫硝分區噴氨控制策略

對脫硝入口煙道截面進行分區，按控制分區設置氨噴射單元，通過調整門控制各單元噴氨量的大小。通過試驗，確定每個噴氨單元對應的分區測量單元，通過測量單元氮氧化物含量變化實時調整分區噴氨單元調整門開度實現獨立分區噴氨量的控制。

各分區單獨建立自控系統，通過各分區噴氨量的調節達到分區氮氧化物濃度的控制，從而降低氨逃逸量。

各分區獨立調節時，勢必影響噴氨總量的變化。故噴氨總量控制與分區控制應為兩套獨立的控制系統。兩套系統相互配合，通過分區精準噴氨調整，達到噴氨總量精準調整的目的，從而達到精準噴氨改造的目的。

3 結論

通過對機組脫硝系統運行工況的研究，分析目前系統運行存在的問題及弊端，針對性地提出問題的大致解決方案為：（1）通過流場模擬及優化治理，從根源上解決一些因流場不均引起的干擾因素；（2）通過氨噴射系統改造，使脫硝系統具備獨立分區噴氨量控制的功能；（3）通過噴氨單元分區自動控制，使分區噴氨量控制具有針對性、實時性及精確性；（4）通過氮氧化物測量取樣系統改造，使脫硝系統具備全截面分區氮氧化物測量功能，為分區噴氨量控制提供數據支持；（5）通過增加熱控測量儀表，使自動調節系統功能更加完善，調節更加靈活；（6）通過脫硝系統噴氨總量控制策略優化及噴氨分區調整控制策略優化，達到脫硝系統噴氨自動調節的目的，實現脫硝系統精準噴氨。