燃煤鍋爐SCR脫硝系統優化技術研究與工程實踐

楊福成

（神華國華（北京）燃氣熱電有限責任公司，北京 100024）

0 引言

目前，SCR脫硝技術是火電廠燃煤鍋爐脫除NOx的主要技術手段。在實際運行過程中，普遍存在煙氣流場紊亂、NOx分布不均、測量不準的問題，進而造成NOx排放波動大、NH3逃逸超標等一系列問題，降低了環保設備的運行質量，影響了機組的經濟性和安全性。過量的逃逸NH3會影響飛灰質量，降低其可用性，污染環境；與煙氣中的SO3和水蒸氣反應形成硫酸氫銨，堵塞、腐蝕空氣預熱器冷端換熱元件及下游設備［1-5］。

近些年，各地在GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》的基礎上，出臺了更加嚴格的地方污染物排放標準，例如河北省頒布的DB 13／2209—2015《燃煤電廠大氣污染物排放標準》規定，現有及新建單臺出力 65 t／h以上（除層燃爐、拋煤機爐外）燃煤發電鍋爐氮氧化物排放限值調整為50 mg／m3。各發電公司陸續進行了超低排放環保改造，主要是采用低氮燃燒器改造或脫硝系統改造的方法，但上述問題并未得到徹底解決。

本文以某電廠燃煤鍋爐為研究對象，介紹了一種新的技術路線及工程應用實例，通過對SCR脫硝系統進行優化，實現了穩定控制NOx排放、降低NH3逃逸的目標。

1 設備概況和運行現狀

1.1 設備概況

某電廠燃煤鍋爐于2014年完成低氮燃燒器改造，并加裝SCR脫硝系統。該機組脫硝系統為高塵布置，煙道布置在省煤器之后、空氣預熱器之前。煙氣流經省煤器后分兩路進入SCR系統A側和B側反應器，還原劑NH3由噴氨格柵注入煙道，與煙氣混合后進入反應器催化劑區域，將NOx還原為N2和H2O，經過處理后的煙氣進入回轉式空氣預熱器、靜電除塵器、引風機和脫硫系統，最后經煙塔排入大氣。

1.2 運行現狀

在機組運行負荷300 MW工況下，利用網格法對脫硝系統運行情況進行測試，出入口測點位置如圖1所示。

圖1 SCR脫硝系統及測點布置示意圖

SCR反應器入口A側和B側測點流速分布如圖2所示，A側與B側的試驗煙氣平均流速相同，均為11.8 m／s，但其分布情況略有不同，A側流速最大值為16.3 m／s，最小值為6.8 m／s；B側流速最大值為14.1 m／s，最小值為 7.2 m／s，兩側流速相對標準偏差分別為19.99%和14.21%。

SCR反應器入口A側和B側的NOx濃度分布如圖 3所示，其平均濃度分別為 129.9 mg／m3與106.2 mg／m3，相對標準偏差分別為58.84%與66.24%，濃度偏差均較大。A側和B側NOx濃度具有相近的分布規律，近爐側NOx濃度均大于遠爐側。

圖2 A側和B側入口速度分布

圖3 A側和B側入口NOx濃度分布

SCR反應器出口A側和B側的NOx平均濃度分別為 48.7 mg／m3與 17.8 mg／m3， 兩側出口平均濃度相差較大。A側和B側NOx濃度的相對標準偏差分別為23.36%與47.33%，其具體分布如圖4所示。

圖4 A側和B側出口NOx濃度分布

2 原因分析

通過測試可知，煙道流場存在較大的不均勻性。目前SCR系統出入口布置的CEMS儀表均為單點測量，試驗期間NOx表盤值A側入口為215.22 mg／m3，B側入口為245.52 mg／m3，與實測值存在較大的偏差。可見，單點取樣測量無法準確反映煙氣中NOx含量及其分布情況。

實際運行數據顯示，脫硝出口NOx波動大，尤其是在機組負荷變動及啟停磨煤機時，容易出現瞬時值超標。運行人員需通過加大噴氨量降低NOx均值，造成了NH3逃逸的增加。

因閥門本身的線性不好或日常缺少手動閥門的開關和線性檢查，使得閥門的靈敏性降低或閥門堵塞，影響噴氨系統的穩定運行。

根據SCR反應器出入口NOx及含氧量的試驗數據，計算A側與B側的理論氨耗量分別為20.05 Nm3／h與 22.80 Nm3／h； 表盤顯示 A 側與 B 側的氨耗量分別為 28.28 Nm3／h與 37.11 Nm3／h，分別超過理論氨耗量的41%和62%，系統運行時存在明顯的過量噴氨現象。氨逃逸儀表未反映出實際的氨逃逸數值。

3 優化措施

針對現有SCR脫硝系統運行中存在的問題，除采取對脫硝催化劑進行活性檢測及磨損情況檢測等常規監督措施外，提出如下解決方案：

1）對現有SCR脫硝反應器入口煙道流場進行模擬分析，并根據分析結果對入口煙道前的導流裝置進行改造，提高反應器入口流場和NOx濃度分布的均勻性。

2）對噴氨格柵調節閥進行自動化改造。

3）對SCR反應器出口NOx分區噴氨控制進行優化改造，實現多點測量、分區控制。4）在SCR反應器出口加裝新型氨逃逸測量裝置。5）對噴氨控制系統進行優化，實現總量控制和分區精細化控制。

3.1 煙道流場模擬分析及優化

3.1.1 原模型結構

原模型 CFD （Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）結構示意圖如圖5所示。除整流格柵外原脫硝系統共有5組導流板，參考測試報告的數據，系統入口設置20個分區以表征入口濃度不均勻分布。

圖5 原模型CFD結構示意圖

3.1.2 原模型CFD模擬結果

圖6 原模型模擬系統流線示意圖

圖6為原模型模擬系統流線示意圖。圖7（a）為系統入口、噴氨格柵前和催化劑入口前NOx分布云圖，原脫硝系統的導流裝置對NOx無明顯混流作用，導致催化劑表面NOx分布仍有明顯偏差。圖7（b）為催化劑入口前NH3濃度分布云圖，催化劑表面NH3分布均勻性較差。圖7（c）為催化劑截面上氨氮比分布云圖，氨氮比可以反映脫硝反應的進行程度，該值大于1說明NH3比NOx多，反應器對應出口處會有逃逸氨。催化劑上游入口共3個分區，從內側向外側依次分別記為分區1、分區2和分區3，表1匯總了上述各流場參數指標在這3個分區內的統計結果。

圖7 原模型系統氨氮分布云圖

表1 原模型CFD模擬系統各流場參數指標匯總結果

3.1.3 流場優化方案

結合脫硝系統煙道布置特點，將整個脫硝系統煙道沿深度方向分為3個區域，通過一系列混合措施，保證NOx和NH3在催化劑入口前各區域是均勻的且各區域的氨氮比接近。具體方案：將原擴口出口處導流板的水平段縮短加密，后面布置第一組混合器，實現各分區內的氣體混合擾動；將噴氨格柵向下平移4.2 m，后面布置第二組混合器；調整豎直段上部彎頭原導流板的直段角度；將反應器上部原第5組導流板布置完善。流場優化后系統結構如圖8所示。

圖8 流場優化后系統結構示意圖

圖9、圖 10（a）（b）和（c）分別為優化后系統流線、NOx、NH3和氨氮比分布云圖，較原系統而言，各項指標的均勻性大幅提高。流場優化后上述各指標的結果如表2所示。

3.2 增設NOx分區同步測量系統

排放量快速準確的測量是實現NOx排放量精準控制的前提，因此需實時測得SCR出口各分區的NOx分布，利用分區調節閥調整噴氨量。新型的測量系統利用同步測量、分時輪測的原理實現分區同步測量。同時，根據流場模擬整定的結果，將煙道截面進行合理分區，為分區控制奠定基礎。

圖9 優化后系統流線示意圖

圖10 優化后系統氨氮分布云圖

表2 流場優化后系統各流場參數指標匯總結果

3.3 改造噴氨格柵調節閥門

針對噴氨格柵入口的噴氨手動調節閥門線性差的問題，將手動閥門全部更換為調節線性好的自動調節閥門，既解決了閥門線性差的問題，也實現了噴氨格柵單路支管噴氨量的實時調節。結合SCR反應器出口NOx測量系統的分區，重新調整噴氨格柵的布置，實現閥門分區與測量分區一一對應，使每一支管的噴氨量與分區測量的NOx相對應，便于后續進行分區控制。

3.4 加裝新型氨逃逸測量裝置

目前常規煙氣系統氨逃逸儀表有原位對穿式、傳統抽取式、滲透管式等，但普遍存在測量精度低、取樣易失真、取樣管易堵塞等問題。對運行數據分析發現，目前燃煤鍋爐氨逃逸數值與噴氨量的對應關系存在不合理性，說明現有儀表不能準確測量氨逃逸的真實數值。因此，將原氨逃逸儀表更換為新型原位取樣式測量儀表。該儀表基于TDLAS理論和吸收式光譜理論，具有精度高、防吸附和自動校準的優點，測量的絕對誤差小于0.076 mg／Nm3，相對誤差小于2%。

3.5 增設精細噴氨控制系統

SCR出口NOx波動大的主要原因是入口NOx頻繁大幅波動，而控制系統反饋和前饋測量滯后嚴重，NOx噴氨反應慢，常規的PID控制無法很好地解決該問題，因此采用了入口NOx軟測量+總量控制+分區均衡控制的方案，控制原理如圖11所示。

入口NOx的軟測量是通過大量的實測數據間接獲得，克服NOx儀表測量反應遲緩的問題。依據NOx產生的工藝流程，分析其與鍋爐中輸入的燃料量、風量以及各種燃燒工況等之間的因果關系，采取人工神經網絡和較易泛化的多元線性回歸模型進行預測。入口NOx的測量結果對軟測量的修正擬合是長期的，需要連續24 h采樣的硬測量結果進行印證和修正，以遞歸出一個較及時準確的軟測量結果，將該結果作為噴氨控制的前饋，可以大幅提高噴氨控制的調節品質。

圖11 噴氨總量控制原理圖

針對SCR脫硝催化劑不同區域老化磨損情況不同、入口NOx分布不均、噴氨量不均等原因造成的SCR反應器出口NOx分布不均問題，利用NOx分區同步測量系統測得的分區NOx數據，微調各噴氨支管的噴氨量，可實現各分區出口NOx的分布均勻性。

4 優化前后結果對比

4.1 流場優化效果測試

燃煤鍋爐流場優化后，在機組負荷為350 MW、175 MW和280 MW時的T-01、T-02和T-03工況下進行了測試，各工況下分別測試SCR進口、出口NOx及O2濃度。同時，在每臺SCR反應器出口煙道截面沿寬度方向選取代表點進行氨逃逸濃度采樣。各考核工況下的試驗結果如表3所示。

表3 試驗結果匯總表

在T-01、T-02和T-03工況下，SCR脫硝裝置A側和B側反應器進口NOx濃度相對標準偏差、反應器出口NOx濃度相對標準偏差較原型均有大幅下降，SCR進口和出口NOx濃度分布均勻性較改造前明顯改善。

4.2 NOx總量控制與分區均衡控制系統運行效果

圖12 脫硝系統運行變化趨勢圖

脫硝出口NOx波動如圖12所示，在精細噴氨系統尚未調試投運前，A側、B側及總排出口NOx濃度波動明顯，平均值控制在25 mg／m3情況下，最高達到 60 mg／m3，最低至 0 mg／m3附近，存在氨量過噴現象。

NOx總量控制優化投運后，A側、B側及總排出口NOx濃度波動迅速減弱，波動范圍控制在±5 mg／m3附近，但此時A側、B側出口測量值與煙囪總排口NOx測量值差值約為10mg／m3。出現此現象的原因為SCR出口NOx分布不均勻，而總排口CEMS測點均為單點測量，其代表性較差，導致測量值與實際排放值存在差距。當A側和B側NOx濃度控制在25 mg／m3時，總排出口僅為15 mg／m3，遠低于環保要求值。

分區均衡控制調試后，A側、B側的NOx測點數據與總排出口測點值迅速靠近，說明SCR區域NOx濃度分布的均勻性得到明顯改善，使得A側、B側CEMS儀表值能夠表征實際NOx濃度；A側、B側與總排出口NOx濃度均能夠控制在25 mg／m3左右，且運行時無需根據總排出口值反復調節A側、B側出口NOx濃度設定值，NOx波動范圍進一步下降至±3 mg／m3左右。

5 結語

CFD模擬煙道流場優化技術可以有效解決脫硝系統入口NOx分布不均的問題，為精準噴氨奠定控制基礎；采用NOx軟測量作為前饋的噴氨總量控制可以大幅降低NOx的波動，有效降低NOx超標和氨逃逸；分區噴氨均衡控制可以有效消除脫硝系統出口NOx分布不均問題。工程實踐證明，通過采用煙道流場優化、噴氨總量控制、分區同步測量、分區控制的技術路線，可以解決NOx排放波動大、氨逃逸超標等問題。同時，由于NOx排放得到穩定精準控制，可以在原有催化劑條件下，進一步降低NOx排放總量，減少環境污染。