张方耀
江西省余干县国能黄金埠发电有限公司
摘要：SCR, 即选择性催化还原技术，是当前主流的脱硝技术手段。与其他锅炉烟气脱硝技术相比具有脱硝效率高的特点，一般可达80%~90%以上。技术相对成熟，二次污染小。缺陷是关键技术难度大，无法同时进行脱硫，且烟气易结露腐蚀设备和管道。技术路线是高温催化作用下，利用还原剂（NH3、液氨、尿素等）来“有选择性”地与烟气中的氮氧化物反应并生成无毒无污染的氮气和水。该技术最初兴起于美国，日本等国家。在我国兴起较晚，应用过程中问题不断。以某650MW机组为例，本文分析了脱硝过程存在的取样不准，喷氨量不可控，阀门老旧等问题进行了技术改造，取得了可喜成果。
关键词：脱硝；SCR；取样
中文分类号：TM621 文献标志码：A 文章编号：
Application Of Partial Ammonia Injection Technology
For Denitration Of 650 MW Units
Abstract：Selective catalytic reduction (SCR) is one of the main technologies for denitrification. Compared with other flue gas denitration technologies, it has the characteristics of high denitration efficiency, up to 80% ~ 90% . The technology is relatively mature and the secondary pollution is small. The disadvantage is that the key technology is difficult, can not be carried out at the same time desulfurization, and the flue gas prone to condensation corrosion equipment and pipelines. Under the catalysis of high temperature, reducing agents (NH3, liquid ammonia, urea) are used to react selectively with NOX in flue gas to produce N2 and H2o which are non-toxic and pollution-free. The technology first emerged in the United States, Japan and other countries. In our country, the rise of late, the application process of the problem. Taking a 650MW unit as an example, this paper analyzes the problems existing in the process of denitration, such as inaccurate sampling, uncontrollable ammonia injection, old valve, etc. And we've had some good results.
Key words: Denox; SCR; sampling
0 SCR脱硝技术应用概况
随着国家加强对大气环境治理力度的加强，全国各地都在开展锅炉发电机组相关技术改造。改造后初期效果显著，然而随着改造技术的应用，后期也会面临诸多问题。以某发电公司2台650MW超临界机组中1#机组为例。对此台机组完成了超低排放改造，目前主要污染物排放指标为氮氧化物不大于50mg/Nm3、二氧化硫不大于35mg/Nm3、烟尘小于10mg/Nm3，各污染物排放均满足当前国家超低排放限值的要求。不过经过一段时间运行后，脱硝系统的一些问题逐渐凸显，如：（1）SCR氨逃逸明显偏大且监测不准确，导致下游设备空预器压差增大，空预器堵塞较严重，影响机组安全稳定运行；（2）SCR出口监测点与机组烟气总排放口监测点间的监测数据存在较大差异，尤其是氮氧化物浓度值差异较大，两个测点间的数据一致性差，现有SCR出口测点的氮氧化物浓度不能真实反映脱硝的实际情况；（3）SCR反应器喷氨支管阀门开度很少进行调节，调节没有监测依据，反应器内部催化剂层各个分区的脱硝效率、堵塞状况不清楚，局部氨逃逸严重，造成空预器堵塞。
1 1#650MW机组排放点监测
某发电公司两台发电机组采用选择性催化还原（SCR）工艺。SCR反应器布置在锅炉省煤器与空气预热器之间，催化剂选用蜂窝式，采用2+1层布置。在正常负荷范围内烟气脱硝效率均不低于80%。液氨由液氨蒸发系统通过管道与各个机组SCR连接。系统由脱硝剂供应、脱硝反应两个区构成。
为了深入了解脱硝工艺存在问题，在脱硝烟道进、出口两侧各增加一套NOx/O2浓度全截面取样装置，更换取样管线及取样探头，利旧原CEMS烟气分析仪，取代原系统单点取样装置。增设同步取样巡测装置，新增NOx/O2双通道快速测量仪表，氨逃逸表移位利旧。为喷氨总阀控制优化提供准确、可靠的数据基础。
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图1 SCR出口NOx/O2/NH3浓度测量层示意图
2 外挂控制系统
控制模块作为脱硝喷氨优化控制系统的大脑，保证SCR出口NOx/O2/NH3浓度巡测模块和分区喷氨管路模块协调工作。控制模块以分散控制系统为硬件平台搭建，作为原DCS的外挂系统，与原DCS实时通讯，从而构建完整的脱硝喷氨优化控制系统。
控制系统包括分区均衡喷氨策略和大数据总阀优化两部分。分区均衡喷氨策略通过SCR出口的NOx/O2的巡测，获取烟道内的NOx分布情况，并以此模拟喷氨支管手动阀调整的策略，控制喷氨格栅分区自动调节阀，以此优化喷氨分布；大数据总阀优化则是通过大数据分析方法和机器学习算法，针对锅炉各测点对喷氨量的影响因素进行分析，从约200余个测点中选取了锅炉负荷、炉膛总风量、各磨煤机给煤量、各一次风速等主要影响因素，自建大数据动态数学控制模型，形成总喷氨量预判指令，同时将脱硝A\B侧出口NOx浓度、总排口NOx浓度等作为控制目标进行多目标动态跟踪，实时对喷氨量的预测目标进行动态调整，并对脱硫与脱硝出口NOx浓度的偏差进行自动动态修正，实现烟囱总排口NOx的稳定排放。
3 喷氨格栅分区改造
改造喷氨格栅是为了将脱硝剂分区，调节各区域配比。分别对原1组或2组喷氨支管改为5分区，并在分区管上安装有分区自动调节阀，根据新增外挂控制系统的指令控制各分区的喷氨量配比。改造后脱硝A、B侧出口的NOx不均匀系数均在20%以内；平均氨逃逸率1.77ppm；改造后脱硝装置阻力增加50Pa以内；经过第三方测试评估，氨耗量比改造前减少了约10～15%。极大的提高了脱硝系统的自动化水平，总排口NOx排放超过95%的时间与设定值偏差＜10mg/Nm3，超过80%的时间与设定值偏差＜5mg/Nm3，运行人员将NOx总排口目标值设定到42mg/Nm3的高位也可以放心的将脱硝喷氨投自动，不需要随时监视NOx排放指标，降低了运行人员的工作强度。基本实现精准喷氨。喷氨格栅分区改造示意如图2所示。
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图2 喷氨格栅分区改造图
机组正常运行工况下，分区喷氨控制投运可以在绝大部分时间里将SCR出口NOx分布不均匀系数控制在0.2以内，平均值为0.16，仅在机组负荷大幅度变化，SCR入口NOx快速波动的情况下会超过0.2，并在几个周期的调整后恢复到0.2以下。
以下图的SCR出口NOx分布不均匀系数在0.16的典型工况为例，同一截面的NOx分布最大值为51.56 mg/m3，最小值为31.14 mg/m3，平均值为40.73mg/m3，不存在明显过喷氨和欠喷氨的区域，可有效抑制过喷导致的氨逃逸过大和欠喷导致的平均浓度过大。
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图3 不均匀系数为0.16时典型NOx分布图
上图中NOx不均匀系数计算采用了SCR出口同一截面共9个测点，NOx的不均匀系数的计算公式为：
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4脱硝出口性能测试孔烟气实际测量结果
脱硝出口烟道设置有9个性能测试孔，依次编上号码(从外侧向内依次编号为第1、2、3、4、5、6、7、8、9孔)，每个测孔布置一根取样管，逐个测点采样。
#1机组330MW、490MW、630MW不同负荷下NOx和O2各点浓度测量结果见表1-3，氨逃逸浓度测量结果见表4。
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5 结论
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5.1经济效益
由于脱硝入口NOx分布不均匀，传统的喷氨方式只能根据脱硝进出口的NOx浓度差异确定喷氨总量，无法做到根据脱硝系统内NOx不均匀的情况有针对性喷氨，保证NOx浓度高的区域多喷氨，NOx浓度低的区域少喷氨。因此，整个喷氨格栅喷氨量相同的控制方式就会导致入口NOx浓度高的区域，出口NOx浓度也高，氨逃逸率低；入口NOx浓度低的区域，出口NOx浓度也低，氨逃逸率极高（由于脱硝效率有极限，所以NOx不可能降低到零，导致大量喷入的氨不会被反应，氨逃逸率极高）。
脱硝的氨逃逸会与烟气中的SO3和水生成硫酸氢铵，硫酸氢铵在146℃~207℃之间是粘稠的液态，该温度刚好处于空预器低温段的工作温度区间，因此，过量的氨逃逸会在空预器低温段内生成黏性硫酸氢铵，沉积在蓄热元件表面，并与烟气中的灰结合，形成积灰板结，堵塞空预器蓄热元件的流道，导致空预器阻力增大。
空预器阻力增大首先会导致三大风机所需压头增加，即三大风机的电耗会增加。据测算，2台600MW机组，空预器阻力每增加100Pa，三大风机电耗增加115.9kW，根据改造前空预器阻力最大增加接近2kPa，若按喷氨优化可使空预器阻力平均减小400Pa估算，该项的经济效益约为96.4万元/年。
5.2安全效益
由于传统喷氨手段常常会引起过量喷氨，导致生成大量的黏性硫酸氢铵，与烟气中的灰一起沉积在蓄热元件表面，导致空预器阻力增大。
空预器阻力持续增大会导致各种安全风险。送风机出口额定全压通常不高，空预器阻力上升会导致送、引风机压头不够，引起送、引风机出力不足。一般送、引风机均为轴流式风机，空预器阻力严重增大甚至会导致风机出现失速、喘振等问题，引起风机叶片损伤。对于送风机，空预器阻力增加会使二次风量减小，导致锅炉炉膛氧量降低，易引发锅炉结焦、效率下降等问题，影响锅炉的安全性，甚至导致爆管停机。
同时，在回转式空预器中，往往堵塞并不是发生在所有的蓄热元件上，导致空预器的阻力会出现波动，引起一次风机、送风机和引风机的压力摆动，以及锅炉炉膛负压的波动。锅炉正常运行时应保持微负压，一旦炉膛负压波动过大，将会严重影响机组的运行安全性。
喷氨优化改造可以很大程度上避免因空预器导致的以上问题的发生，提高锅炉燃烧稳定性和设备运行安全性。
喷氨优化还减少了过量喷氨的发生，防止因过量喷氨导致催化剂微孔堵塞引起的失活，避免机组因脱硝不达标导致降负荷或停机。
5.3环保效益
在环保效益方面，过量喷氨往往会导致排放的烟气中铵盐的浓度增加，而铵盐正是大气中PM2.5的主要组成成分之一。随着大气污染物中PM2.5越来越受重视，控制氨逃逸也逐渐变成一个重要的课题。在氮氧化物排放达标的前提下，减少氨逃逸，有助于减轻大气污染，塑造良好的企业形象。
另一方面，硫酸氢铵的沉积主要是发生在空预器冷端，但随着机组排烟温度变化，部分硫酸氢铵也会在电除尘阴极线上沉积，导致阴极线肥大，影响除尘效率。同时，喷氨优化降低了排烟温度，降低了除尘器区域烟气的流速，也可提高除尘效率。有助于避免排放粉尘浓度超标。
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