王樂樂，楊 敏，吳善森，黃春艷，張慶文，朱 磊，姚 燕，何金亮，孔凡海，向 軍

（1.西安熱工研究院有限公司蘇州分公司，江蘇 蘇州 215153；2.華能上海石洞口第二電廠，上海 200942；3.華中科技大學(xué)煤燃燒國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074）

近年來，國內(nèi)火電廠已普遍實(shí)施了大氣污染物“超低排放”改造，氮氧化物（NOx）排放質(zhì)量濃度要求控制在50 mg/m3以內(nèi)，部分地區(qū)如“京津冀”、上海等城市對燃煤電廠污染物排放則提出了更為嚴(yán)格排放要求。對此，王樂樂等[1]對超低排放形勢下選擇性催化還原（SCR）脫硝系統(tǒng)運(yùn)行存在的難點(diǎn)與對策進(jìn)行了分析，結(jié)果表明超低排放機(jī)組普遍存在脫硝效率過高、噴氨過量等問題，并提出了SCR運(yùn)行優(yōu)化調(diào)整和精細(xì)化噴氨的解決思路。梁俊杰等[2]也提出了通過SCR煙氣脫硝系統(tǒng)運(yùn)行全過程數(shù)據(jù)分析，診斷超低排放形勢下SCR運(yùn)行中存在問題，降低因NOx超低排放給機(jī)組運(yùn)行帶來的負(fù)面影響。燃煤電廠超低排放系統(tǒng)中，相對于除塵系統(tǒng)和脫硫系統(tǒng)更接近排煙末端，煙氣脫硝SCR裝置下游系統(tǒng)中尚布置有空氣預(yù)熱器（空預(yù)器）、低低溫省煤器、引風(fēng)機(jī)及除塵、除塵器及脫硫等設(shè)備，導(dǎo)致因SCR脫硝系統(tǒng)運(yùn)行狀況不佳引發(fā)的下游設(shè)備“硫酸氫銨”污堵問題日益突出[3]。受不同機(jī)組鍋爐燃用煤質(zhì)、爐型、排煙溫度及NOx排放要求的差異，其SCR脫硝系統(tǒng)運(yùn)行難度和存在問題的重點(diǎn)亦有差別。因此，還需針對各機(jī)組SCR運(yùn)行的特點(diǎn)和存在的典型問題進(jìn)行具體分析，精準(zhǔn)施策。

評估上海地區(qū)某超超臨界660 MW燃煤機(jī)組超低排放形勢下SCR脫硝系統(tǒng)運(yùn)行的現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)：雖然鍋爐低氮燃燒水平較好、煤質(zhì)收到基含硫量僅為0.6%~0.8%；但由于實(shí)際運(yùn)行中NOx排放質(zhì)量濃度控制較低，催化劑性能裕量不足，SCR脫硝系統(tǒng)出口NOx分布均勻性差，導(dǎo)致出口NOx質(zhì)量濃度數(shù)值代表性差，且由于變工況運(yùn)行中脫硝控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)差等因素，現(xiàn)有空預(yù)器運(yùn)行中硫酸氫銨堵塞問題依舊較為突出。對此，該機(jī)組進(jìn)行了催化劑再生提效、NOx分布均勻性優(yōu)化調(diào)整和脫硝控制邏輯優(yōu)化升級等針對性的治理措施，取得了較好的應(yīng)用效果，SCR脫硝設(shè)備運(yùn)行中存在問題的分析診斷及治理方法和思路，可為燃煤機(jī)組其他同類問題的解決提供借鑒意義。

1 系統(tǒng)概況

該超超臨界660 MW燃煤機(jī)組于2009年底建成投運(yùn)，鍋爐同期配套建設(shè)SCR煙氣脫硝裝置。脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)入口NOx質(zhì)量濃度為350 mg/m3，脫硝效率不小于60 %，脫硝催化劑層按照“兩用一備”模式布置。初裝2層奧地利CERAM公司生產(chǎn)的蜂窩型催化劑，SCR脫硝系統(tǒng)流程如圖1所示。為實(shí)現(xiàn)控制NOx排放質(zhì)量濃度低于50 mg/m3的超低排放要求，該機(jī)組于2013年加裝了備用催化劑層，加裝后，脫硝效率不低于88 %。同期進(jìn)行了鍋爐燃燒器深度低氮改造，在基準(zhǔn)負(fù)荷下爐膛出口NOx質(zhì)量濃度通常維持在200 mg/m3以下，并為實(shí)現(xiàn)NOx進(jìn)一步深度減排創(chuàng)造了條件。

2 運(yùn)行現(xiàn)狀評估

當(dāng)前，該機(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)運(yùn)行過程中存在出口NOx排放質(zhì)量濃度波動幅度大，氨逃逸量高及空預(yù)器煙氣側(cè)差壓上升較快等問題，影響了機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性與安全性。這可能與催化劑整體性能變差、安全裕量不足、NOx排放質(zhì)量濃度控制過低、SCR噴氨控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)差、脫硝入口噴氨均勻性差等有關(guān)。本文針對上述幾個(gè)問題，對該SCR脫硝系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行了全面評估診斷[4]，并以此作為下一步優(yōu)化治理的依據(jù)。

2.1 SCR催化劑性能評估

SCR催化劑性能優(yōu)劣及性能裕量大小直接影響著NOx達(dá)標(biāo)排放和脫硝系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與經(jīng)濟(jì)性[5]。該機(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)于2009年底投入運(yùn)行。截至目前，初裝2層催化劑累計(jì)通煙氣時(shí)間約56 000 h，備用層催化劑通煙氣時(shí)間約28 000 h，初裝及備用層催化劑運(yùn)行時(shí)間均已超過其設(shè)計(jì)化學(xué)壽命24 000 h。

初裝及備用層共計(jì)3層催化劑在實(shí)驗(yàn)室條件下的中試性能檢測結(jié)果如下。

1）在設(shè)計(jì)入口NOx質(zhì)量濃度為350 mg/m3時(shí)，出口NOx質(zhì)量濃度為48.0 mg/m3時(shí)對應(yīng)氨逃逸量為2.1 μL/L，而出口NOx質(zhì)量濃度為23.0 mg/m3（低于25 mg/m3）時(shí)對應(yīng)氨逃逸量為3.2 μL/L，SO2/SO3轉(zhuǎn)化率為0.90%。

2）在設(shè)計(jì)參數(shù)和氨氮摩爾比為1.0的測試條件下，當(dāng)前初裝催化劑的活性K為26.6 m/h，備用層催化劑活性K為30.2 m/h，與前期測得初始新催化劑活性K0相比，當(dāng)前初裝層催化劑的相對活性K/K0為68.9%，備用層催化劑的K/K0為78.0%（圖2），催化劑活性經(jīng)過相對較快的下降后，當(dāng)前活性下降趨于平緩。

圖2 脫硝催化劑活性劣化趨勢Fig.2 The degradation trend of SCR catalyst activity

3）部分催化劑單元體出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的堵灰和貫穿性破損現(xiàn)象（圖3），堵灰區(qū)域催化劑無法繼續(xù)發(fā)揮其應(yīng)有的脫硝性能，破損區(qū)域則易造成因煙氣短路帶來的氨逃逸超標(biāo)現(xiàn)象[6-7]。催化劑理化分析結(jié)果表明，表面硅、鋁等物質(zhì)含量的增加是其活性下降的主要原因，尚未發(fā)現(xiàn)明顯砷、汞等有毒物質(zhì)的沉積現(xiàn)象[8-9]。

圖3 催化劑物理外觀檢查Fig.3 The physical appearance inspection for SCR catalyst

綜合上述分析結(jié)果得出：當(dāng)前催化劑活性劣化速率正常；催化劑未出現(xiàn)有明顯的砷中毒或鉀、鈉堿金屬等中毒情況；脫硝系統(tǒng)氨逃逸量高與催化劑超期服役、脫硝控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)差、出口NOx波動幅度大導(dǎo)致的部分時(shí)段NOx控制過低、噴氨過量等因素有關(guān)。因此，為有效降低氨逃逸量，除通過正常催化劑性能提效進(jìn)一步降低氨逃逸外，亦需改善脫硝系統(tǒng)噴氨狀況，在滿足超低排放要求的情況下避免出口NOx排放質(zhì)量濃度控制過低。

2.2 噴氨均勻性評估

在脫硝催化劑性能裕量滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，SCR脫硝系統(tǒng)入口煙氣參數(shù)，尤其是脫硝反應(yīng)器截面上的NH3/NO摩爾比均勻性較差時(shí)，會影響脫硝設(shè)備的整體性能，增加局部氨逃逸量，加劇空預(yù)器的硫酸氫銨污堵。

本文首先通過現(xiàn)場噴氨均勻性評估試驗(yàn)，即在機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行工況下，通過現(xiàn)場脫硝反應(yīng)器出口截面上NOx分布測試及計(jì)算，考察原SCR氨噴射系統(tǒng)的噴氨均勻性和合理性[10]。根據(jù)現(xiàn)場評估試驗(yàn)結(jié)果，脫硝反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度分布情況如圖4所示。A1—A8、B1—B8為反應(yīng)器出口煙道截面沿爐膛寬度方向測點(diǎn)，P1—P5代表煙道深度方向測點(diǎn)。由圖4可見：在機(jī)組500 MW負(fù)荷下，脫硝系統(tǒng)入口NOx質(zhì)量濃度為147 mg/m3，脫硝效率為83.8%時(shí)，平均氨逃逸量為3.7 μL/L。A側(cè)脫硝反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度平均值為14 mg/m3，最高為64 mg/m3，最低為2 mg/m3，分布相對標(biāo)準(zhǔn)偏差CV值為110%；B側(cè)出口NOx質(zhì)量濃度平均值為37 mg/m3，最高為59 mg/m3，最低為2 mg/m3，分布相對標(biāo)準(zhǔn)偏差CV值為46%。

圖4 脫硝反應(yīng)器出口截面NOx質(zhì)量濃度分布Fig.4 The distribution of NOx mass concentration at the outlet section of the SCR reactor

該機(jī)組脫硝反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度分布均勻性偏差較大，局部區(qū)域脫硝效率高達(dá)98.0%。這主要與脫硝系統(tǒng)入口處的NH3/NO摩爾比分布不均有關(guān)，導(dǎo)致脫硝系統(tǒng)出口在線NOx監(jiān)測儀表取樣代表性變差，增加了脫硝系統(tǒng)噴氨精確控制難度，最終導(dǎo)致反應(yīng)器出口局部氨逃逸量過高問題。

2.3 控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)評估

在脫硝系統(tǒng)入口NOx質(zhì)量濃度基本穩(wěn)定的情況下，NOx排放質(zhì)量濃度越低，對應(yīng)脫硝效率越高，氨逃逸控制難度將急劇增大。針對該機(jī)組，以脫硝系統(tǒng)入口NOx質(zhì)量濃度300 mg/m3作為基準(zhǔn)，當(dāng)NOx排放質(zhì)量濃度為45 mg/m3時(shí)，對應(yīng)脫硝效率為85.0%；而當(dāng)NOx排放質(zhì)量濃度為15 mg/m3時(shí)，對應(yīng)脫硝效率則高達(dá)95%。當(dāng)脫硝效率高達(dá)95.0%及以上時(shí)，氨逃逸失控的風(fēng)險(xiǎn)急劇增大[11]。該電廠地處國家大氣污染物重點(diǎn)防控的“長三角”地區(qū)上海市城區(qū)，NOx減排壓力較大，NOx排放控制目標(biāo)為25 mg/m3以內(nèi)，因此相應(yīng)氨逃逸控制難度極大。通常，在脫硝催化劑性能滿足要求的情況下，由于脫硝控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)差，引發(fā)脫硝NOx排放質(zhì)量濃度波動幅度過大，造成瞬時(shí)脫硝效率過高而出現(xiàn)的過量噴氨現(xiàn)象較為普遍[12-13]。

該機(jī)組現(xiàn)有脫硝控制策略如圖5所示。存在的主要問題包括：1）由于SCR脫硝系統(tǒng)出口NOx質(zhì)量濃度分布偏差大，煙氣監(jiān)測系統(tǒng)單點(diǎn)取樣測量不具代表性，采用煙囪入口NOx質(zhì)量濃度作為控制目標(biāo)，調(diào)節(jié)滯后時(shí)間長達(dá)2~3 min，嚴(yán)重影響調(diào)節(jié)品質(zhì)；2）雖然采用串級PID控制策略，但僅引入了機(jī)組負(fù)荷、SCR脫硝系統(tǒng)入口NOx質(zhì)量濃度作為前饋量，鍋爐燃燒工況變化，尤其是快速升降負(fù)荷時(shí)，由于自動調(diào)節(jié)響應(yīng)不及時(shí)，造成超調(diào)頻率高和超調(diào)時(shí)間長；3）自動控制邏輯參數(shù)設(shè)置不合理，穩(wěn)態(tài)下超調(diào)量也較大。

圖5 優(yōu)化前脫硝控制邏輯Fig.5 The control logic of denitrification before optimization

由于現(xiàn)有噴氨自動控制效果不佳，需頻繁手動干預(yù)才能確保NOx排放質(zhì)量濃度不超標(biāo)的同時(shí)兼顧氨逃逸量。手動干預(yù)往往導(dǎo)致過量噴氨，較噴氨自動控制模式下的噴氨量更大、氨逃逸量更高，且手動干預(yù)又勢必對原自動調(diào)節(jié)造成干擾，自動投入后控制效果進(jìn)一步惡化，如此形成了惡性循環(huán)。據(jù)此分析，該機(jī)組脫硝系統(tǒng)部分時(shí)段NOx超低排放及氨逃逸量過高問題與脫硝控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)不佳有很大關(guān)系。

3 優(yōu)化措施及效果

綜合上述SCR脫硝系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀的評估結(jié)果，當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行不佳的主要原因在于催化劑整體性能裕量偏小，脫硝控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)差且噴氨均勻性差。首先應(yīng)通過催化劑再生或更換的方案提高催化劑本身性能安全裕量；同時(shí)改善現(xiàn)有脫硝控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)和氨噴射系統(tǒng)合理性。

3.1 催化劑性能提效

根據(jù)前述SCR催化劑性能評估結(jié)果，該機(jī)組脫硝系統(tǒng)當(dāng)前催化劑累計(jì)運(yùn)行時(shí)間已遠(yuǎn)超其設(shè)計(jì)化學(xué)壽命3年，尤其是初裝2層催化劑持續(xù)運(yùn)行時(shí)間接近10年。在該機(jī)組當(dāng)前NOx超低排放及深度減排的形勢下，催化劑整體安全裕量不足。除個(gè)別破損嚴(yán)重單元體外，初裝2層催化劑整體具備再生可行性，與更換昂貴的新催化劑采購成本相比，采取催化劑再生提效方案的綜合技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性均最佳[14]。

該機(jī)組于2018年對初裝2層催化劑進(jìn)行清洗和再生提效，再生后催化劑的性能檢測結(jié)果表明：1）再生催化劑的通孔率達(dá)到98%以上；2）在SO2/SO3轉(zhuǎn)化率滿足技術(shù)要求的情況下，催化劑絕對活性恢復(fù)至新鮮催化劑活性K0的95%以上；3）在設(shè)計(jì)條件下，初裝2層催化劑及未再生的備用層催化劑整體脫硝效率達(dá)到90%時(shí)，對應(yīng)氨逃逸量小于0.3 μL/L。催化劑再生實(shí)現(xiàn)了脫硝設(shè)備的整體性能提效。

根據(jù)該機(jī)組以往催化劑失活原因分析及催化劑活性劣化規(guī)律跟蹤評估結(jié)果，預(yù)測此次催化劑再生提效后整體使用壽命為2~3年，屆時(shí)進(jìn)一步根據(jù)備用層催化劑的狀態(tài)評估結(jié)果，考慮實(shí)施備用層催化劑再生或初裝層催化劑更換，以保障NOx超低排放和機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。催化劑投運(yùn)至今及未來幾年內(nèi)的整體壽命管理方案預(yù)測如圖6所示。

圖6 催化劑壽命管理曲線Fig.6 The catalyst life management curves

3.2 噴氨均勻性優(yōu)化調(diào)整

針對當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行中NOx分布均勻性偏差過大及噴氨分布不合理的問題，對原SCR脫硝系統(tǒng)噴氨格柵進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，使氨噴射系統(tǒng)各支管的噴氨量趨于合理，從而降低局部較高的氨逃逸量[15]。機(jī)組常規(guī)運(yùn)行負(fù)荷下，在SCR脫硝系統(tǒng)出口NOx質(zhì)量濃度不超過50 mg/m3前提下，根據(jù)實(shí)測反應(yīng)器出口截面的NOx質(zhì)量濃度分布情況，對噴氨格柵各支管手動閥開度進(jìn)行多輪調(diào)節(jié)。圖7和圖8為噴氨優(yōu)化試驗(yàn)過程中的脫硝系統(tǒng)出口截面上NOx質(zhì)量濃度分布變化情況。

圖7 噴氨優(yōu)化調(diào)整過程中反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度分布及CV值變化Fig.7 The changes of NOx mass concentration and CV value at the reactor outlet during ammonia injection optimization

圖8 噴氨優(yōu)化調(diào)整過程中反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度分布Fig.8 The distribution of NOx mass concentration at the reactor outlet during ammonia injection optimization

由圖7、圖8可見，脫硝系統(tǒng)出口截面上NOx質(zhì)量濃度分布均勻性得到明顯改善，NOx分布CV值呈減小趨勢。

分析圖8中數(shù)據(jù)表明，經(jīng)過噴氨優(yōu)化調(diào)整，在500 MW負(fù)荷下，SCR脫硝系統(tǒng)出口NOx質(zhì)量濃度約25 mg/m3時(shí)，A、B側(cè)反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度分布CV值分別為22%和16%，NOx質(zhì)量濃度分布均勻性顯著提高。

優(yōu)化調(diào)整后反應(yīng)器出口NOx及氨逃逸量分布如圖9所示。由圖9可見，反應(yīng)器出口截面上局部氨逃逸量峰值明顯降低，對應(yīng)工況下的兩側(cè)反應(yīng)器出口局部氨逃逸量峰值分別為0.52、0.45 μL/L。NOx分布均勻性的提高，改善了脫硝系統(tǒng)出口在線儀表測點(diǎn)的代表性，為后續(xù)自動控制邏輯優(yōu)化工作創(chuàng)造了條件。

圖9 優(yōu)化調(diào)整后反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度及氨逃逸量分布Fig.9 The NOx mass concentrations and ammonia escape concentrations at the reactor outlet after optimization

3.3 脫硝控制系統(tǒng)優(yōu)化

根據(jù)現(xiàn)有脫硝控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)分析結(jié)果，在機(jī)組檢修期間對噴氨控制調(diào)節(jié)邏輯進(jìn)行了修改。新的控制回路由PID加前饋構(gòu)成，PID的設(shè)定值和測量值分別為SCR脫硝系統(tǒng)出口NOx質(zhì)量濃度限定值和出口NOx質(zhì)量濃度測量值。該前饋控制主要考慮參變量包括磨煤機(jī)啟停、鍋爐風(fēng)煤比、SCR脫硝系統(tǒng)入口NOx質(zhì)量濃度、NOx質(zhì)量濃度預(yù)測及補(bǔ)償回路、脫硝系統(tǒng)出口NOx質(zhì)量濃度小時(shí)均值與NOx設(shè)定修正回路、兩側(cè)反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度拉回邏輯等，并增加了相關(guān)的聯(lián)鎖功能。優(yōu)化后的SCR脫硝系統(tǒng)控制邏輯如圖10所示。

經(jīng)過反復(fù)動態(tài)調(diào)試，優(yōu)化后的脫硝控制系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)快、超調(diào)小，穩(wěn)態(tài)控制精度高，穩(wěn)定性能好。日常運(yùn)行中，出口NOx排放質(zhì)量濃度能夠穩(wěn)定地控制在設(shè)定值附近，有效地減少了噴氨量，降低了運(yùn)行人員的監(jiān)盤壓力，提高了脫硝自動控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性[16-18]。在機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下，脫硝系統(tǒng)出口NOx質(zhì)量濃度及煙囪入口NOx排放質(zhì)量濃度隨脫硝系統(tǒng)入口NOx質(zhì)量濃度變化曲線如圖11所示。

圖10 優(yōu)化后脫硝控制邏輯Fig.10 The control logic diagram of denitrification after optimization

圖11 機(jī)組500 MW負(fù)荷穩(wěn)態(tài)工況運(yùn)行畫面Fig.11 The display of steady state operation of the unit at 500 MW

在變負(fù)荷工況，脫硝系統(tǒng)入口NOx質(zhì)量濃度波動幅度較大時(shí)，對應(yīng)脫硝系統(tǒng)出口NOx質(zhì)量濃度及煙囪NOx排放質(zhì)量濃度響應(yīng)曲線如圖12所示。

分析圖11、圖12曲線表明：入口NOx質(zhì)量濃度波動幅度不大時(shí)，反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度波動幅度基本控制在±10 mg/m3，煙囪NOx排放質(zhì)量濃度較平穩(wěn)；而入口NOx質(zhì)量濃度波動幅度大時(shí)，如出現(xiàn)從100 mg/m3快速升至500 mg/m3工況，通過優(yōu)化后控制邏輯中多因素耦合分析預(yù)判入口NOx質(zhì)量濃度變化，提前調(diào)整動作噴氨調(diào)節(jié)閥，保證合理的噴氨量，有效減少了NOx過調(diào)和噴氨過量概率，從而降低變工況期間氨逃逸超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。

圖12 脫硝系統(tǒng)入口NOx大波動工況運(yùn)行畫面Fig.12 The operation screen with large fluctuation of NOx mass concentration at the denitration system inlet

4 結(jié) 論

1）診斷分析了某660 MW燃煤機(jī)組氨逃逸高的原因?yàn)槊撓醮呋瘎┬阅茉Ａ坎蛔?，脫硝控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)差導(dǎo)致系統(tǒng)整體過量噴氨，脫硝噴氨均勻性差引起脫硝出口截面局部氨逃逸量過高。

2）通過初裝催化劑再生提效和對噴氨格柵的精細(xì)化噴氨調(diào)整試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)脫硝系統(tǒng)出口NOx質(zhì)量濃度分布均勻性顯著提高，平均氨逃逸量由優(yōu)化前的3.7 μL/L降至0.5 μL/L以內(nèi)。

3）通過噴氨優(yōu)化及脫硝控制系統(tǒng)優(yōu)化升級，有效提高了脫硝控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)脫硝系統(tǒng)出口NOx質(zhì)量濃度波動幅度在±10 mg/m3以內(nèi)，降低了脫硝變工況運(yùn)行期間過量噴氨的風(fēng)險(xiǎn)。