張友兵 張海蓉

(中國石油工程建設(shè)公司新疆設(shè)計(jì)分公司，烏魯木齊 830019)

西北某石化廠現(xiàn)有4臺蒸汽鍋爐為生產(chǎn)裝置提供蒸汽。1、2號燃油鍋爐作為備用爐，3、4號鍋爐為兩臺210t/h燃煤鍋爐，其氮氧化物排放濃度650mg/Nm3?？梢姡O(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB 13223-1996《燃煤電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》已遠(yuǎn)不能滿足《國家環(huán)境保護(hù)“十二五”規(guī)劃》和新的GB 13223-2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》對氮氧化物排放濃度不得高于100mg/Nm3的規(guī)定，因此必須對3、4號鍋爐的煙氣進(jìn)行凈化治理。

本次對煙氣的脫硝治理采用低氮燃燒+選擇性催化還原法脫硝(LNB+SCR)技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，通過增設(shè)旁路調(diào)節(jié)閥、圓形管和流量計(jì)實(shí)現(xiàn)裝置的比值控制和串級控制，以優(yōu)化原控制方案，提升氨氣流量的控制精度，解決煙道NOx流量測量難的問題。

1 煙氣脫硝裝置及其控制方案①

西北某石化廠3、4號燃煤鍋爐增設(shè)的脫硝裝置采用LNB+SCR組合脫硝技術(shù)，主要設(shè)備配置包括3部分：低NOx燃燒系統(tǒng)(LNB)(設(shè)備按一爐一套的原則設(shè)計(jì)低氮燃燒系統(tǒng)，共兩套)、選擇性催化還原法脫硝系統(tǒng)(SCR)(設(shè)備按一爐一臺的原則設(shè)計(jì)SCR脫硝反應(yīng)器，共兩臺)、液氨汽化系統(tǒng)(設(shè)備按兩爐一套的原則設(shè)計(jì)，共一套)。為保證煙氣中NOx排放濃度不高于80mg/Nm3，該組合脫硝技術(shù)對工藝流程中各階段的脫硝效率進(jìn)行如下控制：

a. 煙氣先在LNB(低NOx燃燒技術(shù))階段脫除部分氮氧化物，該階段脫硝效率38.5%，煙氣繼續(xù)進(jìn)入下階段脫硝環(huán)節(jié)(SCR)。

2 煙氣脫硝裝置存在的問題

該廠3、4號鍋爐脫硝裝置投運(yùn)后，發(fā)現(xiàn)存在以下問題：

a. 氨氣流量調(diào)節(jié)精度差，很難控制好適宜的供氨量。該裝置單臺鍋爐50%負(fù)荷運(yùn)行時(shí)液氨消耗量16.75kg/h，100%時(shí)消耗量33.5kg/h，120%時(shí)消耗量40.2kg/h。原設(shè)計(jì)是按兩臺鍋爐同時(shí)運(yùn)行且負(fù)荷工況為120%進(jìn)行調(diào)節(jié)閥選型。而3、4號爐的運(yùn)行時(shí)間是隨主裝置蒸汽需求量確定的，目前兩臺鍋爐同時(shí)運(yùn)行的時(shí)間較少，單臺鍋爐欠負(fù)荷運(yùn)行的情況比較常見，氨氣消耗量小，以氨氣消耗量5kg/h為例，對量程比為16的閥門而言，負(fù)荷越低氨氣消耗量就越小，閥門量程比越大則大閥的開度越小，當(dāng)超出閥門本身的量程比時(shí)就無法保證控制精度，從而出現(xiàn)閥門控制不穩(wěn)定及波動大等問題。因此，很難控制好適宜的氨氣用量。對此，項(xiàng)目組人員通過對同類裝置的調(diào)研考察，發(fā)現(xiàn)目前國內(nèi)很多脫硝裝置都是幾臺鍋爐共用一套配氨系統(tǒng)，不同程度存在著氨氣用量控制難的問題。

b. 煙道缺少流量檢測手段，無法實(shí)現(xiàn)串級控制和比值控制。該脫硝裝置進(jìn)入SCR前的煙氣中NOx缺少流量檢測儀表，無法實(shí)現(xiàn)串級控制來提高控制響應(yīng)速度，也無法實(shí)現(xiàn)比值控制導(dǎo)致氨氣和NOx的比例得不到嚴(yán)格控制，影響了裝置的脫硝效率。缺少流量檢測儀表的主要原因是，原設(shè)計(jì)中煙道是方形(1.7m×7.0m×36.0m)而不是圓形管線，常規(guī)流量計(jì)無法安裝，即使采用插入式或非接觸式儀表，流量計(jì)前后直管段小，嚴(yán)重影響NOx流量測量的精度。因此，原設(shè)計(jì)未設(shè)置煙氣流量檢測儀表。

3 控制系統(tǒng)的優(yōu)化

從3、4號鍋爐脫硝裝置的運(yùn)行現(xiàn)狀來看，采用LNB+SCR組合脫硝技術(shù)能達(dá)到GB 13223-2011規(guī)定的排放濃度要求，但SCR反應(yīng)器出口固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)的分析儀表測出的NOx含量(80mg/Nm3)還不夠理想，氨氣分析儀檢測出的氨逃逸濃度也偏高(超過2.28mg/Nm3)，需對其控制方案進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。通過對國內(nèi)多家脫硝裝置的調(diào)研考察，項(xiàng)目組技術(shù)人員提出了控制方案的優(yōu)化改進(jìn)措施。

圖1中的FT2和FV2為優(yōu)化控制方案中增設(shè)的儀表，虛線部分為新增的管線和電纜。具體的優(yōu)化改進(jìn)方案是增設(shè)旁路調(diào)節(jié)閥和流量計(jì)，實(shí)現(xiàn)比值加串級控制。在現(xiàn)有的氨氣控制閥處增設(shè)旁路調(diào)節(jié)閥(圖1)，旁路上設(shè)置一臺小閥門，當(dāng)只有一臺鍋爐運(yùn)行時(shí)打開小閥并關(guān)閉大閥，以提高氨氣流量的控制精度；當(dāng)兩臺鍋爐同時(shí)運(yùn)行時(shí)，打開大閥并關(guān)閉小閥，控制氨氣供給量，避免大閥小開度調(diào)節(jié)，控制精度差甚至無法控制的問題。這種控制方案只需現(xiàn)場增設(shè)一臺DN15mm的調(diào)節(jié)閥，并在DCS上采用分程控制(圖2)就可以實(shí)現(xiàn)。

圖1 控制系統(tǒng)改進(jìn)后的裝置示意圖

圖2 分程控制結(jié)構(gòu)框圖

圖2中分程控制所采用的兩個(gè)控制方法的流量特性曲線如圖3所示。

煙道不屬于壓力容器，因此在檢修的任何時(shí)間都可以在煙道上焊接一根DN15mm的圓形管，與煙道形成連通器，并在新增管線上設(shè)置一臺流量計(jì)，即可測出該管線煙氣中的NOx流量(圖1)。根據(jù)本設(shè)計(jì)煙道流暢分布實(shí)驗(yàn)可知，新增管線和煙道內(nèi)煙氣的工況(溫度、壓力及流速等)是已知的，且完全相同，不同的是截面積，不論管道還是煙道的內(nèi)截面積都是固定可計(jì)算的。在DCS組態(tài)時(shí)，內(nèi)部設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的運(yùn)算即可求得煙道中NOx的總流量，即Q煙道=Q管線+Q管線×S煙道/S管線。

圖3 閥門的流量特性曲線

優(yōu)化后的比值加串級控制框圖如圖4所示。

在煙氣通過SCR反應(yīng)器入口煙道時(shí)對其中的NOx與氨氣流量實(shí)施比值控制，嚴(yán)格控制NOx與NH3的比例使之充分反應(yīng)。同時(shí)將SCR反應(yīng)器出口煙氣中的NOx作為串級控制的主回路，流量比值控制作為串級控制的副回路，采用副回路粗調(diào)主回路細(xì)調(diào)的方式調(diào)節(jié)入口氨氣線上的控制閥，以降低煙氣出口氮氧化物的含量同時(shí)減少氨逃逸。氨逃逸的主要原因：氨氣與氮氧化物的比例偏大，導(dǎo)致氨過剩；煙氣流速較快導(dǎo)致小部分滯留氨氣未完全反應(yīng)便隨煙氣排出。

圖4 比值加串級控制的控制框圖

4 運(yùn)行效果

對脫硝裝置和控制方案進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)后，大幅提高了各環(huán)節(jié)的控制精度，嚴(yán)格控制了氨氣和煙氣中NOx的比例，使NH3充分將NOx還原為N2和H2O，降低了煙氣排放物中NOx的含量和氨逃逸量，實(shí)測數(shù)據(jù)見表1，可見脫硝效率提高了15%、氨逃逸量降低了30%。

表1 改造前后脫硝效率和氨逃逸量比較

5 結(jié)束語

對西北某石化廠兩臺210t/h燃煤鍋爐原LNB+SCR組合脫硝技術(shù)控制方案進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)后，效果良好，各指標(biāo)均達(dá)到比較理想的效果。

該方案的總投資僅人民幣十萬多元，而且施工難度低，解決了同類裝置氨氣用量范圍寬時(shí)控制難度大的問題。方案實(shí)施之后，提高了脫硝效率，顯著降低了氨逃逸，實(shí)現(xiàn)了化工廠節(jié)能降耗和減少污染的目的。

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