某熱動力站320t/h煤粉鍋爐脫硝系統優化的研究及應用

孫濤 趙永全 劉春林 平雙榮 徐向東

陜西延長中煤榆林能源化工股份有限公司 陜西 榆林 718500

我國是一個能源結構以燃煤為主的國家，隨著工業化進程及城鎮化的加劇，燃煤引起的大氣污染問題日益嚴峻，其中燃煤電廠產生的NOx、SO2及煙塵等污染物對大氣環境的惡化有重要貢獻[1-2]。NOx不但會造成臭氧層破壞、溫室效應、酸雨和光化學污染等一系列環境問題，還對人體健康構成嚴重威脅。隨著生活水平的提高，近年來大氣污染問題也逐漸受到人們的重視，國家對燃煤電廠大氣污染物的控制力度也不斷加大，并針對火電行業制定了日趨嚴厲的氮氧化物排放標準，如《煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014—2020 年）》及（HJ2053-2018）《燃煤電廠超低排放煙氣治理工程技術規范》，要求采取措施進行污染治理[3]。本文對某熱動力站320t/h煤粉鍋爐脫硝系統的升級改造進行實例分析，以期為今后類似項目的升級改造提供經驗借鑒與參考。

1 相關概況

該熱動力站一期啟動項目公用工程系統熱動力站有4×320t/h高溫高壓煤粉鍋爐，每臺爐配2臺熱一次風機，2臺送風機和2臺引風機，配套華西能源有限公司設計制造單爐膛四角切圓燃燒鍋爐，NOx排放濃度500mg/m3。為滿足《煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014—2020年）》的要求，將氮氧化物排放濃度穩定的控制到50mg/m3以下，該熱動力站一期機組完成了SCR煙氣脫硝改造及SCR提效改造[4]。通過上述改造措施，目前能夠將氮氧化物濃度控制到50mg/m3以下，但由于省煤器脫硝裝置入口（SCR）NOx濃度高，分布偏差較大且規律不穩定，催化劑入口NH3與NOx摩爾比分布偏差大，使得SCR出口NOx分布均勻性差、局部氨逃逸高，進而導致空預器阻力大、氨耗量偏高等問題[5]；同時脫硝入口水平煙道、整流格柵、催化劑部分區域存在較多積灰，嚴重影響設備安全、經濟運行，有必要采取措施進行優化改造。為解決上述問題，針對其1、2號鍋爐現有SCR裝置等運行現狀進行評估，提出解決SCR裝置入口NH3與NOx摩爾比分布偏差大、氨逃逸超標、煙道積灰問題的方案，實現機組和SCR裝置的安全可靠運行。

2 常規SCR 技術的局限性

現有常規SCR系統的噴氨及混合技術，要求SCR入口NOx分布均勻且穩定，根據SCR入口NOx分布相應調節各手動調節閥開度，控制各分區噴入還原劑的量。這種方式的不足在于：

（1）對于SCR入口NOx濃度比較常見的±30mg/m3的變化，當出口NOx控制在100mg/m3時這種問題不太顯著。在超低排放情況下，出口NOx通常控制在35mg/m3左右，這種問題變得比較突出。

（3）機組現有噴氨格柵各支管閥門為手動閥門，在進行噴氨調整試驗后，一般不再進行調整，因此脫硝裝置入口煙道各位置相對噴氨量固定，需適應機組所有負荷、工況下入口NOx分布情況。在此情況下，必然會有部分工況、部分位置存在噴氨不均勻的現象，導致脫硝裝置出口部分位置NOx濃度過低或過高，造成局部氨逃逸過高或NOx排放值偏高的情況。

（4）由于脫硝裝置煙氣排放連續監測系統（CEMS）采樣的滯后及噴氨控制的延遲，會導致噴氨控制跟隨工況變化不佳，超低排放改造后，對脫硝裝置出口NOx濃度的控制穩定性要求更高，需對脫硝噴氨控制進行優化，減小因工況、煤質等變化導致脫硝裝置出口NOx濃度的波動。

隨著超低排放標準的全面推廣，機組SCR脫硝效率往往超過90%，氨氮比平均值超過0.9，當入口NOx濃度波動時，常規SCR的催化劑上游截面處的氨氮比超過1.0的位置將大為增加，這些位置的氨將大量逃逸，造成空預器嚴重堵塞；而氨氮比低于平均值的位置，脫硝效率不能達標。在已進行了超低排放改造的鍋爐中，這種問題比較普遍。

3 脫硝噴氨優化方案

3.1 總體思路

按照流場優化+分區改造+分區測量+總量控制方案，對現有脫硝流場通過調整或優化導流板的布置方式進行適當優化，進一步提高現有脫硝裝置的濃度場、速度場、溫度場等性能。通過對脫硝裝置入口煙道位置的噴氨格柵進行分組，按煙道寬度進行分區控制，同時在脫硝裝置出口煙道按寬度方向設置分區測量裝置，根據測量結果實時調整入口分區的閥門開度，控制噴氨量。

3.2 設計改造

脫硝噴氨優化改造采用“流場優化+分區改造+分區測量+總量控制”的方案。在一次設備具有調節余量且無缺陷、催化劑活性滿足要求的前提下，按小時均值計算，改造后SCR出口NOx分布均勻性預期可以達到如下效果：

（1）穩定工況SCR出口任一分區NOx濃度與該煙道平均NOx濃度平均值的偏差不超過±10mg/m3；

2.3.1 一般護理 患者一般采用全麻或硬膜外麻醉，回病房后取去枕平臥位6 h;如腰麻則需去枕平臥12～24 h，頭偏向一側，保持呼吸道通暢，以免嘔吐物、分泌物嗆入氣管，引起吸入性肺炎。6 h后取半臥位，利于腹腔引流，同時減輕腹部張力，促進切口愈合。協助患者每2 h床上翻身1次，大多數患者常因擔心活動會牽拉傷口引起疼痛、滲血、切口裂開而不敢翻身活動，護士應耐心講解早期活動的重要性，促使患者主動配合。

（2）穩定工況煙囪入口NOx濃度與SCR出口NOx濃度平均值偏差≤5mg/m3；

（3）穩定工況煙囪入口NOx濃度波動范圍≤±5 mg/m3；

（4）動態運行工況煙囪入口NOx濃度波動范圍≤±8 mg/m3；

（5）SCR出口各分區NOx濃度分布相對標準偏差CV＜20%。

3.2.1 流場優化

根據具體機組的具體煙道特點建立計算流體動力學（CFD）模型，通過在煙道彎頭、擴口段等位置通過導流與整流的方式使煙氣在頂層催化劑入口處達到如下性能保證值：

（1）速度分布：相對標準偏差CV值≤15%；

（2）溫度最大偏差：平均值的±10℃；

（3）煙氣入射催化劑最大角度（與垂直方向的夾角）：≤10°；

（4）NH3與NOx摩爾比分布：相對標準偏差CV值≤5%；

原有導流板等設施根據性能指標要求進行配合設計，對各種煙氣條件進行設置，反復模擬和優化，確定最優的分區及混合的流場設計方案。

3.2.2 分區改造

精細化噴氨管路模塊，要實現噴入的氨與脫硝各區域的實際需求相匹配，各區域噴氨量的控制至關重要。隨著機組負荷、磨機運行組合方式等因素變化時各區域的氮氧化物總量會發生變化，因現有的噴氨格柵均為手動門控制，無法實現遠方調節，故本方案將煙道噴氨格柵分為4個區，分別加裝氣動調節門和流量計加以調節和計量；構建“噴氨總閥+分區調平閥（氣動）+支管調節閥”的三級串聯調節的執行模塊。對應的，需要對氨與空氣混合氣體管道進行分區改造。氨/空氣混合集箱切割封堵分別對應4個自動控制閥對應的噴氨格柵，煙道內部原有的噴氨格柵更換，噴氨支管按照4分區進行相應管道調整。

3.2.3 分區測量

新增一套分區控制優化系統，實現脫硝系統環保考核NOx濃度壓線運行，降低噴氨總量。針對反應器出入口CEUS系統數據（NOx/O2）滯后性問題，CEMS系統單點或多點輪巡采樣監測的煙氣參數代表性差的問題。本方案擬采用多點原位式在線數據采集儀表測量，根據鍋爐脫硝實際工況，反應器入口設置1個測點，出口設置4個測點，各測點相互獨立且每個測點均配置獨立的分析單元，同步測量實時輸出數據，區別于傳統CEMS單點或輪巡抽取檢測方式，要求儀表響應時間小于5s，各測點取樣管路反吹數據保持不得超過10s，數據采集傳感器直接安裝于煙道上，為各分區調整提供實時、精準的數據。噴氨格柵依據出口4測點數量分為4個區，每個區加裝氣動調節閥，并根據各測點數據實時調整各分區閥門，實現 NH3與NOX均勻混合，降低氨逃逸量，有限緩解空預器堵塞問題。

3.2.4 總量控制

控制邏輯透明的植入DCS控制系統，自動控制方案采用基于脫硝反應原理（氨氮摩爾比）的控制理念。具體控制方法為串級調節，控制的主調節有別于傳統的輸出（修正供氨量），主調節輸出數據和控制器采集的相關數據運算后得出副調節的給定值（即供氨量），副調節給定值為供氨流量調節信號，消除了現場調節閥門流量特性對調節性能的影響，實現了動態氨氮摩爾比控制。脫硝優化控制系統具有自學習和自適應模型，通過模型實時計算并尋找在實際運行狀態下，被控系統可以達到的最優化的控制目標，并以此為定值實現系統的優化控制。要求精準噴氨優化控制系統具備在任何工況下噴氨量過大時的“保護功能”，即在機組任一負荷下，因NOx儀表或其它參數異常，導致噴氨優化指令遠高于實際需要的噴氨量，為防止此種情況下過量噴氨造成氨逃逸，優化控制系統給噴氨優化指令設計相應的保護定值，從自動調節角度最大程度減小氨氣逃逸量，使調節門能夠實現按需噴氨，確保噴氨能夠按照實際工況需求變化閥門的開度，避免過量噴氨。整個系統可全面提升噴氨控制的品質，使 SCR性能適應 NOx超低排放要求，達到節約噴氨量、降低NOx排放濃度、降低空預器堵塞幾率、減輕尾部設備積灰等綜合效果。

4 改造后效果分析

目前，該熱動力站一期機組已實現NOx排放濃度低于50mg/m3排放運行，氨逃逸偏高。本次改造后，可在NOx達標同時保證氨逃逸低于3μL/L排放，減少了氨逃逸對環境的污染。改造后的性能試驗檢測數據見表1。

表1 性能試驗數據

5 結束語

通過對該熱動力站鍋爐現有脫硝設備運行情況綜合評估，針對目前SCR系統的運行現狀，得出以下主要結論：

1）針對現有脫硝設備運行性能現狀，提出了“流場優化+分區改造+分區測量+總量控制”的升級改造思路，消除局部NH3與NOx摩爾比超過1.0的現象，從而安全、經濟地實現氮氧化物超低排放。

2）在SCR入口加裝全斷面煙氣混合器，降低SCR入口NOx分布偏差，將預混后的煙道分為四個分區，分區截面接近方形，可對該截面內的煙氣進行充分混合，在SCR出口斷面各分區內進行在線NOx測量，實時調整各分區噴氨量；同時對噴氨總量及各分區的噴氨量的控制邏輯進行優化升級，最終通過SCR將NOx排放穩定控制到50mg/m3以下，氨逃逸＜3μL/L。