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脱硝喷氨控制技术研究现状

发表时间：2020/1/15 来源：《电力设备》2019年第19期作者：邵旻张淑娟

[导读] 【摘要】根据环保要求，为确保烟气中氮氧化物NOx浓度达到排放标准，火电厂需要进行烟气脱硝。

        (山东电力工程咨询院有限公司山东 250013)
        【摘要】根据环保要求，为确保烟气中氮氧化物NOx浓度达到排放标准，火电厂需要进行烟气脱硝。目前SCR脱硝喷氨控制技术普遍存在NOx浓度分布不均、喷氨过量、氨逃逸率高等问题，脱硝喷氨控制技术需要进一步优化。本文分析了目前国内外脱硝喷氨控制技术的研究应用现状并指出了存在的问题及对未来设计的要求和展望。
        【关键词】 SCR脱硝喷氨；优化控制；氨逃逸率；NOx浓度
        0引言
        火力发电是我国的主要发电形式，是发电方式中历史最久也是最重要的一种。火力发电的技术成熟，成本较低，对地理环境要求低，但排出的污染物多，直接影响到环境问题。低氮燃烧技术应作为燃煤电厂氮氧化物控制的首选技术，当采用低氮燃烧技术后，氮氧化物排放浓度仍不达标或不满足总量控制要求时，电厂需要建设烟气脱硝装置来降低发电过程中生成的氮氧化物。随着国家对NOx的排放标准越来越严格以及原有SCR系统氨逃逸率高的问题越来越普遍，不管是从经济还是环保方面考虑，对现有的控制方式进行优化设计意义重大。
        1脱硝喷氨技术现状
        我国脱硝技术虽然起步晚，但在经济发展需要和环境污染的双重压力下，我国对脱硝技术非常关注，进入快速、高质量的研究过程。目前应用的火电厂锅炉脱硝技术主要有选择性催化还原技术（SCR）、选择性非催化还原技术(SNCR)、选择性非催化还原与选择性催化还原联合技术(SNCR－SCR)等。SCR法脱硝工艺被证明是应用最多且脱硝效率最高、最为成熟的脱硝技术，且不会在脱硝过程中生成副产物，不会形成二次污染，是国际中应用最为广泛的脱硝方法。
        我国的燃煤电厂中新建、改建、扩建的燃煤机组以及燃用无烟煤或贫煤且投运时间不足20年的在役机组，一般选用SCR。SCR工艺的基本原理为：液氨、氨水或尿素分解后的氨作为反应剂，氨蒸发稀释后与烟气混合，喷入SCR反应器上游的烟气中，经过催化剂反应后脱除烟气中的NOx。其中喷氨量不仅影响脱硝效率，还会影响下游设备，因此喷氨量是SCR中的重要控制参数。
        SCR喷氨自动控制的常规控制策略为依据SCR入口NOx浓度和入口烟气流量的乘积确定NOx流量信号，该信号与理想的NH3/NOx摩尔比做乘积得到基本的氨气流量信号作为前馈信号，以出口NOx浓度作为反馈信号，再加上出口NOx浓度设定值等实现SCR系统的脱硝喷氨自动控制。这种控制策略回路简单，易于调控，但会造成过度喷氨，浪费资源。近几年，我国对SCR喷氨自动控制系统的控制方式进行大量对比和优化，取得了一定程度上的进展。例如，通过增加锅炉负荷和机组负荷作为前馈信号可以缓解时滞效应；通过调整锅炉二次风量、一次风量、风门开度及煤粉细度等参数，可以大大降低SCR入口NOx浓度和入口烟温，从而可以缓解脱硝效率波动大和脱硝品质低的问题；基于流场模拟优化、等界截面积布点、多级变径等方式实现大空间、不均匀流场的多点等流量取样，提高烟气成分测量的准确性；通过调整喷氨格栅阀门开度，调整喷氨流量使出口NOx浓度分布得到一定程度上的改善；通过固定出口NOx浓度控制方式，虽然控制逻辑复杂、调试困难，但可以实现按需脱硝，大大减少喷氨过多的问题，一定程度上减少氨逃逸率；通过采用先进的预测控制、相位补偿、神经网络等技术或者从过程参数取样层开展研究，采用分区多点取样分区控制或通过全截面网格取样技术来解决NOx和NH3分布不均导致的氨逃逸率高等问题。部分技术已开发出产品并在工程中获得较为成功的应用。
        国外机组基于煤种稳定、机组负荷稳定、测量结果准确的脱硝运行环境，国外对脱硝系统优化技术的研究主要在工艺装置结构、催化剂选择方面开展，脱硝控制主要采用固定氨氮摩尔比控制方式。总体而言，对喷氨优化控制的研究不足。
        综合国内外现状，脱硝喷氨控制技术需要得到进一步的优化及完善。

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        2脱硝喷氨控制技术存在的问题
        我国电厂烟气脱硝技术近年来发展迅速，但是发展过程中存在的问题也比较突出。SCR脱硝工艺系统设计以引进为主，没有形成一套完整的、具有自主知识产权的脱硝技术解决方案，核心技术仍需要依赖国外技术来实现，尤其在机组超低排放改造后，给机组安全经济运行及调节工作量带来的问题更为明显，急需解决。
        2.1 喷氨过量，氨逃逸率偏高
        燃煤锅炉燃烧过程比较复杂，燃煤来源、燃烧调整、负荷变化、烟气流量变化、温度变化等造成NOx浓度变化幅度大且分布不均匀，因此氨气喷射调节控制阀门选型时按满足最大氨气需要流量考虑，导致喷氨过量，氨逃逸率增加。反应器出口氨逃逸量越大，所生产的硫酸氢铵越多，硫酸氢铵粘度较高，易粘附甚至堵塞、腐蚀空气预热器，危害机组安全稳定运行。
        2.2 对锅炉运行带来的影响
        加装脱销装置反应器后，锅炉的散热损失和锅炉烟气侧阻力增加，增加了引风机的功率和电耗，导致运行成本加大。同时为保证烟囱出口NOx不超标，运行人员采取开大燃尽风等措施来减少炉膛氧量，以使SCR进口NOx不超规定值，这种调节会造成炉内结焦的加剧，影响到锅炉的安全运行。
        2.3 烟气脱硝技术规范不够系统
        我国的烟气脱硝产业仍旧处于初级阶段，不同燃煤电厂所引进的SCR脱硝系统各有差异，政府制定相关技术标准时也没有统一的体系进行参照，无论是从脱硝产业方面看还是从脱硝实现过程方面看均缺乏系统的考虑。
        2.4 控制策略及控制手段需要进一步完善
        近年来，我国在脱硝喷氨控制技术的优化上取得了一定的进展，部分优化控制技术也在一定程度上解决了NOx浓度分布不均，达到了降低氨逃逸率、提高脱硝效率的效果，但还远远没有达到预期的效果，并且大部分优化控制技术逻辑复杂，增加了调试难度，而且成本较高。对脱硝喷氨控制技术的进一步优化及应用迫在眉睫，急需解决，以适应国内目前电厂脱硝装置的运行。
        3结束语
        目前脱硝喷氨优化控制技术在国内电厂中的应用还处于起步阶段，对该技术的了解比较欠缺，为达到目前国家越来越严格的环保排放指标的要求，基于先进控制策略和监测手段的喷氨优化技术的研究和推广有重大意义及拓展需求。掌握当前脱硝喷氨优化控制技术的基本原理和应用方式，依托电厂提供先进合适的技术方案，为今后新建项目及节能改造项目脱硝喷氨优化控制的设计提供有力的技术支撑，也是设计单位需要解决的问题。脱硝喷氨控制技术的优化推广对提高设计单位的设计质量、提高设计机组的安全性和经济性、提高服务业主的能力等方面均具有重要意义，可以有效保障脱硝产业化进程向更加健康、更加稳定、更加和谐、更加经济的方向发展
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