全負荷自適應精準噴氨系統的研究與應用

黃偉崗

（國網能源哈密煤電有限公司，新疆 哈密 839000）

我國國家環保部、能源局等聯合印發的《全面實施燃煤電廠超低排放及節能改造工作方案》中指出，我國所有滿足改造條件的燃煤電廠應盡可能達到超低排放標準，這一標準的內容為在基準氧含量為6%的基礎上，使氮氧化物的實際排放濃度低于50mg/m3。在該要求中，大型燃煤機組更多的選用選擇性催化還原煙氣脫硝技術，通過這樣的形式全面提升氨氮摩爾比，簡單來說就是通過增加耗氧量來提升脫硝效率。但事實上，由于氨和煙氣的分布不夠均勻，可能會導致反應器出口范圍內氨的逃逸率增加。學術界認為氨和煙氣的分布情況呈現出某種規律，并由此展開研究后發現，氮氨摩爾比的提升以及反應物分布不均勻狀況是導致氨逃逸率提升的主要原因。

1 SCR 運行現狀

在超低排放要求下，選擇性催化還原脫硝反應器中出現的逃逸氮，可能導致空氣預熱器出現腐蝕以及堵塞情況。根據有關現場實驗結果以及模擬設計后能夠看出，機組內部煙氣流量分布可能與其中還原劑氨的流量分布共同出現分布不均勻的問題，導致脫硝反應器出口的逃逸氨出現超標。對此，該研究選用某 600MW 的超臨界性π 爐以及1000MW 的超臨界性塔式爐，在經過超低排放改造工作后，使其保持在額定負荷狀態下，展開脫硝性能試驗，經過匯總后，SCR 出口區域的NOx數據如下列表1 所示。

表1 SCR 出口區域的NOx 數據表

2 SCR 運行問題分析

2.1 煙氣側

對該研究中的660MW 超臨界π 型爐而言，在其內部展開進口煙道測試的試驗點位置在噴氨格柵上游區域的500mm 位置[1]。而起SCR 出口煙道試驗測驗區域坐落在其第三層催化器下方的4500mm 區域。試驗過程中，在其兩側反應器的進斷后出口煙道區域分別依據均勻原則設置14 個測試孔位，實踐布置順序如下：A1.A14、B14.B1；在這一過程中A4 以及B4 的對應位置皆為鍋爐的中心位置。

在負荷數值分別為660MW 以及330MW 的情況下，分別展開脫硝性能摸底實驗，通過網格法針對SCR 進口煙氣的速度場以及出口NOx濃度場展開測試[2]。本次試驗過程的基本要求為打開各個噴氨支路的截止閥，以使脫硝系統自動投入運行過程中，在這一過程中將NOx的濃度維持在45mg/Nm3。實踐過程中匯總寬度方向上的進口煙道速度以及出口煙道NOx濃度的實踐數據。

2.2 還原劑側

常規應用的SCR 噴氨系統中主要包括空氣管道、噴氨支管、噴氨格柵、氨氣管道等多個設施[3]。在空氣、氨氣完成混合之后，使其到達混合氣體母管的進口區域，同時在經過氨母管進行分配，使其進入提前列陣布置好的噴氨支管中，最終經過手動截止閥進入煙道內部[4]。經由噴嘴將其噴出之后與煙氣完成混合，混合氣體應用母管選擇采用一進多出式帶盲端的集箱；另外的噴氨格柵大多選用笛型管式線性的方式進行布置或是棋盤式的分塊性布置[5]。

從應用情況來分析，管線性的笛型布置噴氨格柵僅能針對相同深度、寬度的一致方向展開調節，而單支的笛型管卻沒有辦法針對各孔間的流量進行調節。這里選用以單根4 孔形式的噴氨支管距離，其末端孔的流量能夠達到進口端孔流量的2.5 倍左右[6]。而采用棋盤式分布的噴氨格柵則能將煙道的截面積，巧妙分為多個小部分方塊，通過這樣的方式能實現深度、寬度等兩個方向上的調節工作。根據目標機組棋盤式布置的噴氨式格柵，其實踐應用情況可以根據數值模擬的方式進行計算，最終結果為在混合母管的入口直到末端的區域，其中21 根直管的流量呈現持續增加的狀態，而末端支管區域的流量則是其入口段區域的1.15 倍左右，這也意味著在煙道了寬度方向上出現了一定的流量偏差。

2.3 脫硝性能的診斷

在該研究中，增添氨/空氣速度以及煙氣速度這兩個無量綱變量，并將其作為煙氣速度與界面平均速度之比，以及氨/空氣速度與界面平均速度之比。經過實踐測量能夠看出，SCR進口區域的NOx具備相對較小的濃度偏差，如果這時將進口氮氧化物濃度不變作為前提，那么氨/空氣速度與煙氣速度的比值則可以代表氨氮摩爾比。而在SCR 進口煙道寬度這一方向之上，每出現三個噴氨支管則可代表兩個進口試驗測孔，所以可在寬度方向上的煙道大致劃分為七個區域，以此來得到反應器A、B 側的進口區域內不同區域的氨氮摩爾比。

針對圖1、圖2 實驗可知，出口NOx的數值與進口氨氮摩爾比呈現反比趨勢[7]。這主要是因為煙氣、氮的分布情況不均勻，導致后續分區域內部氨氮摩爾比的差異相對較大，這也導致后續出口NOx出現十分嚴重的偏差情況，另外局部區域氨的逃逸率也明顯超標[8]。

圖1 SCR-A

圖2 SCR-B

此外，在針對相關數據平均值進行測算后可以發現，在相關結構優化工作開展前，其中A 側反應器的氨逃逸率平均值取1.498mg/m3，其B 側區域為2.006mg/m3。

根據試驗分析還可以發現，在A 側噴氨支管的截止閥全部被打開后，導致氨逃逸分區A1 數值出現持續增高，而分區A2 在一定工況出現大幅度震蕩之后，分區A3 始終處于最低值，最后分區A4 要遠遠大于分區A3。

因此綜合來看，由于受到反應物不均勻分布情況的限制，以及SCR 出口的NOx運行表計不具備代表性，則勢必會使局部氨氮摩爾比較高，導致氨逃逸率上升。

3 全負荷自適應精準噴氨系統研究

3.1 精準采集數據

在進行全負荷自適應精準噴氨系統的研究時，工作重點集中在了數據精準采集方面，具體的系統設定如下：1）關鍵測點。在系統中，主要針對SCR進、出口處的NOx濃度、進口的煙氣流量以及溫度壓力、SCR 出口的氨逃逸進行優化檢測。2）NOx濃度在SCR 入口處會受到各類因素的影響，其中包括SCR 結構、制粉系統運作模式、鍋爐結構、機組負荷以及變化率。3）氨氮摩爾比的影響程度以及影響因素，其中包括煙氣的含氧量、催化劑活性、NOx濃度以及煙氣溫度等。

3.2 全負荷自適應精準噴氨系統技術方案

3.2.1 高精度多點在線式氨逃逸濃度檢測系統

應用該系統進行氨逃逸濃度的測量時，技術人員需要充分運用如下技術手段確保系統運行的精準性。其一，利用光纖分布技術，促進系統主機與現場光學端完成分離，同時該技術的采納，還是促使系統同步完成“一臺主機多點同步監測”任務的重要因素。

其二，無須校正技術，促進系統無漂移，縮減定期校正工作流程。檢測時，系統內置的標準氣體參比模塊會將氨氣實時鎖住，為后續檢查譜線系統時創造條件，同時也確保系統可以時刻保持在精準校正狀態下，且不會在溫度、系統部件老化或是電源不穩定等因素的影響下出現問題。該次所研究的全負荷自適應精準噴氨系統，其出現漂移故障的概率極低，系統運作期間也不需要工作人員定期利用標準氣體去校正儀器各項參數，降低系統運作的維護工作量及成本。此外，氨逃逸多次反射池其有效光程可以達到30m，靈敏度方面，也比傳統對射式氨逃逸分析儀器效率提升20 倍，甚至超出0.1mg/m3。

其三，在多次反射池技術要求下，抽取式光學端包會涉及下述一系列系統運行工作。①系統的有效檢測光程將會提升，達到30m，同時系統的氨氣檢驗靈敏度也隨之增加，超出0.1mg/m3。②所有系統檢測樣品在經系統檢測時的溫度均精準維控在250℃左右，該溫控下可充分預防SO3與NH3之間形成NH4（HSO4），提升采樣的成功率。③無須配置采樣管線，系統中待檢測樣品生成氣體可完全進入多次反射池內，降低樣品采樣的損失率。④在系統探頭之上，將超精細過濾器安裝上，提升系統過濾的潔凈度，同時也可減少檢測階段的光學鏡片維護工作量。⑤該次研究的全負荷精準噴氨系統可隨意設定分析儀器控制下的過濾器反吹時間，預防出現堵塞過濾器類問題，延長過濾器的使用壽命。⑥利用具備30m 光程功能的多次反射池氨逃逸分析儀輔助全負荷精準噴氨系統運行時，可在現實安裝工況標準下，維持系統溫度為250℃，并將系統的靈敏度保持在0.03mg/m3～0.1mg/m3。

3.2.2 多點NOx 濃度檢測系統分析

該研究中，為了確保燃煤火電廠中煙氣NOx測量數值精準度更高，發揮出其對煙道全截面的代表性功能，技術人員重點參考了GB/T161157《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態污染物采樣方法》，在該方法的支持下，將參與系統實驗的煙道進行了橫截面等分處理，分離的若干個單元面積均相等。在每個單元面積之上分別設立一組煙氣取樣器，隨后在其上完成中心采集煙氣檢測流程，具體的煙道取樣器分布圖如圖3 所示。

圖3 煙道取樣器分布圖

3.3 流場分析優化

3.3.1 模擬流體動力學（CFD 數值計算）

該全負荷精準噴氨系統調試中，技術人員充分調整并試驗了現場的SCR 內流場不均勻等不足，調試后，脫銷裝置內的流場數值模擬過程，主要是經由CFD 軟件所完成，且系統運行數值模擬期間，技術人員進行邊界條件以及數學模型的選配時，重點開展了如下系統運行數模設定研究。其一，為簡化系統運行時湍流模擬流程，提升模擬效率及精準度，所以選用了Standardk-ε 模型完成。其二，進行煙氣中氨氣的擴散和運輸計算時，系統構建則選用了組分運輸模型。其三，借助系統進行催化劑簡化時，可利用各向異性多孔介質模型完成。其四，設定系統運行的邊界條件，首先是煙氣入口條件以質量入口為主；其次是噴氨入口條件以速度入口為主；最后是出口，以壓力出口為主。

通過一系列系統運行數模設定研究后，技術人員發現，其適用范圍主要集中在離散網格求解方面，即在有限體積法的應用下，分析流速過快原因，最終借助求解過程中耦合進湍流求解模塊。

3.3.2 現場實驗調平

全負荷精準噴氨系統運行狀態下，主要是經由摸底試驗的形式，對噴氨格柵之上各支管氨流量進行系統模擬，從而將傳統的SCR 出口NOx的濃度場所出現的非均勻性影響加以改善。

3.3.3 形成更加精準的系統測量值修正表

在不同的工況狀態下，系統會根據不同的檢測實況，自動進行測量值精準度的修正。

3.3.4 建立對應關聯性

在全負荷精準噴氨系統搭建期間，需要結合氨逃逸各個測點的不同位置建立各自的噴氨支路閥門開度對應關系，其中，還需結合出口位置NOx的濃度分布狀態。

3.4 系統優化控制策略

為了進一步提升全負荷精準噴氨系統的運行效果，本次技術人員在系統研發期間還圍繞此提出了一系列優化維控策略，并結合“兩級串級+預測模型+模糊模型”，助推系統完善，具體的控制策略如下。

3.4.1 串即控制策略

串級控制策略下，技術人員主要調控兩點，首先是主被控參數，被調節量以SCR 出口處的NOx濃度為主，其次是副被控制參數，被調節量以氨氣流量為主。

3.4.2 預測模型

根據鍋爐以及SCR 等多項輸入量的統計，可得出精準的煙氣入口區域的NOx量系統模型，計算具體量參數的同時，還能夠充分解決大時延，從而借助系統模擬出更具有操作性的系統預測模型，計算公式如下。

3.4.3 模糊控制策略

該研究中，技術人員為了提升PID 設定值的測量精準度，主要通過系統模糊控制器實現，須提前將NOx控制在固定范圍內不擴散，避免氨逃逸情況，最終提升全負荷精準噴氨系統的測量質量，進而提升產品質量。

4 全負荷精準噴氨系統優化及試驗

4.1 系統優化

客觀上講，氨流量的分配情況與區域煙氣的流量情況應呈現出互相匹配的關系，以此來保證分區域內的空氣、氨速度能夠與煙氣速度比值始終維持為 1[9]。但因為鍋爐本身以及其尾部煙道設備在安裝完成后發生移動問題的可能相對較小，因此必須針對噴氨系統展開結構性優化，才能保證理想中的反應物均勻分布情況得以實現[10]。

該研究在保證混合氣體進口氨濃度維持在均勻狀態的基礎上，針對氨/空氣的混合形式進行優化，并設計出了提升系統流通阻力的噴氨支管，其具體有兩種形式，分別命名為變阻力管1、2。在機組停爐檢修期間，冷態條件設定下，充分針對變阻力式管道與初始管道之間的流量比例，經過測試后技術人員得出，初始管為92.5%，而變阻力式管道的流量僅為前者的76.4%。

4.2 系統試驗

在完成噴氨系統的結構優化工作后，繼續展開脫硝性能試驗，分別為高、中、低負荷脫硝性能試驗[11-12]。其中數值分別為660MW、500MW、300MW，并在試驗過程中對出口區域的氨逃逸及其運行參數進行記錄。具體試驗要求為，打開各個噴氨支路的截止閥門，使整個脫硝系統保持自動運行，并將SCR 系統出口區域NOx濃度始終維持在45mg/Nm3。最終記錄得到的結構優化后各個反應器以及出口等四個氨逃逸運行數據。根據數據中平均值計算后可以得到：在結構優化完成后，氨逃逸率在A、B 側反應器的平均數值分別為0.413mg/m3、0.45mg/m3。相較于優化前降低了75.4%。

根據研究數據可以發現，在一般情況下，A、B 兩側區域的氨逃逸率在大多數時間內不大于0.5mg/m3。在極特殊的情況下，氨逃逸率相對較高，出現這一狀況的原意是由于脫硝進口參數發生變動，導致噴氨量也跟隨著出現變化。

最終將各項數據進行匯總后可以得到，后脫硝系統的耗氧量以及與之息息相關的參數如表2 所示，該表中的數據大多取穩定狀況下的平均值。在這一過程中，計算系統噴氨量如下。

耗氮總量/[（進口NOx-出口NOx）×機組負荷]×1000

由表2 的數據能夠發現，在高、中、低三個負荷數值之下，完成結構優化后，相較于優化前的噴氮量，顯著降低。

表2 脫硝系統優化前后耗氮量數據對比

5 結論

根據超低排放要求，設想中的噴氨系統必須滿足分區域按流量匹配對應區域煙氣流量這一標準。但傳統笛型管式布置的噴氮系統內部擁有較為嚴重的結構性缺陷，而另外的呈現棋盤式結構的噴氮系統同樣擁有結構性缺陷。

該文研究了一種全負荷型具備自適應性的精準噴氮系統，能夠精準控制有關區域氮流量，保證其能夠與有關區域內部的煙氣流量互相匹配，并通過這樣的方式全面提升反應物的混合式均勻性，以此來降低噴氮量以及氮逃逸率。

與傳統的噴氮系統相比，全新的精準型噴氮系統在各個負荷段中的氨逃逸率平均降低75.4%，噴氮量平均降低14.4%。